Теплоэлектрический вакуумметр сопротивления Советский патент 1986 года по МПК G01L21/12 

11

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тепло- электрическим вакуумметрам сопротивления, и может быть использовано при измерении низких давлений газа.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения давления.

На фиг. 1 приведена структурная схема теплоэлектрического вакуумметра сопротивления; на фиг, 2 - эпюры напряжений, поясняющие работу предлагаемого устройства,

Теплоэлектрический вакуумметр .содержит измерительный мост 1, в первую ветвь которого входят резистор 2 и Теплоэлектрический манометрический преобразователь 3, а вторую ветвь составляют резисторы 4 и 5, усилитель 6, дифференциальным входом подключенный к измерительной диагонали (точки а и б) моста 1, формирователь 7 калиброванных (опорных) по амплитуде импульсов, генератор 8 тактовых импульсов с задатчиком напряжения смещения, подключенный к резистору 5 второй ветви моста 1 и задающий частоту работы вакуумметра, и регистрирующий прибор 9, фиксирующий значение длительности импульса на выходе формирователя 7,

Теплоэлектрический вакуумметр сопротивления работает следующим образом.

Необходимым условием нормальной работы вакуумметра является правильный выбор фазы между дифференциальны входом усилителя 6 и выходом формирователя 7 опорных по амплитуде импуль , сов. Фаза выбирается таким, образом, чтобы знак фазы между точкой а и выходом формирователя 7 был отрицатель

ным, а между точкой б и выходом формирователя 7 - положительным. На фиг. 1 формирователь 7 показан не переворачивающим фазы, поэтому точка а подключена к инвертирующему входу усилителя 6, а точка б - к неинверти- рующему его входу.

Рассмотрим работу вакуумметра в промежуток времени, когда напряжение на выходе формирователя 7 равно нулю.

Поскольку полярность напряжения смещения противоположна полярности импульса с выхода формирователя 7, 50 то действие положительной обратной связи через резисторы 4 и 5 всегда сильнее действия отрицательной обратной связи через резистор 2 и сопротивление нити преобразователя 3, что

и схема находится в выключенном состоянии (интервал времени )Дакое позволяет увеличить перепад напряже- состояние схемы является устойчивым, ния в точке б по отношению к перепа- благодаря действию постоянного напря- ду напряжения в точке а и задать тем жения смещения с выхода генератора 8 самым необходимую разницу напряжений, тактовых импульсов. Полярность задат- Без напряжения смещения в моменты изO

5

0

5

чика напряжения смещения на выходе генератора 8 выбирается противоположной полярности импульса на выходе формирователя 7, Напряжение смещения можно задать, например, путем подключения источника постоянного напряжения через соответствующий резистор к точке б. Такое задание напряжется смещения принциального значения не имеет, так как оно все равно будет включено последовательно с выходным сигналом генератора 8.

В выключенном состоянии схемы нить манометрического преобразователя 3 охлаждается и сопротивление ее уменьшается , С приходом тактового импульса генератора 8 на выходе формирователя 7 возникает импульс напряжения стабильного уровня, Схема переходит.,в включенное состояние, которое не исчезает и после окончания тактового импульса, пока нить манометрического преобразователя 3 не нагреется до-определенной температуры, при которой напряжение в точке а не станет равным напряжению в точке б. Длительность тактового импульса выбирается меньше минимальной длительности импульса на выходе формирователя 7, но достаточной для надежного срабатывания положительной обратной связи через резисторы 4 и 5.

Значение напряжения в точке б пос- ле окончания тактового импульса вы- 5 бирается из условия обеспечения требуемой рабочей температуры нити преобразователя 3 и зависит от напряжения смещения на выходе генератора 8 и амплитуды импульса на выходе форми-v рователя 7,

В момент равенства напряжений в точках а и б оканчивается квазиустойчивое состояние схемы и напряжение на выходе формирователя 7 скачкооб- разно уменьшается до нуля.

Поскольку полярность напряжения смещения противоположна полярности импульса с выхода формирователя 7, 0 то действие положительной обратной связи через резисторы 4 и 5 всегда сильнее действия отрицательной обратной связи через резистор 2 и сопротивление нити преобразователя 3, что

0

0

5

позволяет увеличить перепад напряже- ния в точке б по отношению к перепа- ду напряжения в точке а и задать тем самым необходимую разницу напряжений, Без напряжения смещения в моменты изменения напряжения на выходе формирователя 7 состояние схемы могло бы быть неопределенным, так как нить преобразователя 3 за малое время фронта импульса не успевает изменит свое сопротивление.

После уменьшения до нуля напряже | 1ия на выходе формирователя 7 нить треобразователя 3 начинает охлаждат :;я до прихода очередного тактового Чмпульса. Далее работа вакуумметра фотекает аналогично описанному.

В течение нескольких циклов работы вакуумметра нить манометрическог преобразователя 3 приходит в режим динамического теплового равновесия, когда приращение количества тепла, полученного нитью за время действия импульса с выхода формирователя 7,

равно количеству тепла, отдаваемому в результате теплообмена с окружающей средой. При этом длительность импульса на выходе формирователя 7 автоматичес ки однозначно устанавливается в зависимости от значения давления газа.

Уравнение теплового баланса нити пр еобразователя в общем виде имеет следующее выражение:

,-Q.Q., (О

где Q

эл

то

-количество тепла, создаваемого в результате вьще ления на нити преобразователя электрической мощности;

-количество тепла, отдавамого преобразователем в рзультате теплообмена с окружающей средой;

О , - теплосодержание нити прео тс

разователя.

Пренебрегая потерями тепла за счет конвекции излучения теплопровоности через выводы, выражение (1) можно записать в виде

(t)-G,(t),

где R - мгновенная электрическ

мощность питания преоб разователя; I - ток, протекающий через

преобразователь; RIJ - сопротивление нити преобразователя;G,bp - тепловая проводимость

среды;

b - коэффициент пропорциональности;

р - давление газа;

,. (t) - текущее значение темпе- н

ратуры нити; в(.р - температура окружающей

среды;

m - масса нити; с - удельная теплоемкость

материала нити; & - исходная температура

Ик

нити.

Решение ингерального уравнения удобно выполнять операторным методом. Тогда выражение (1 ) в операторной форме примет вид N Оа 9н(р) . G« e.P

л л -Л

Решив выражение (1 ) относительно

G0 тс

20 б (р) , получим

25

+ б

(2)

Р+

тс

5

0

С

Используя известные операторные соотнощения, получаем зависимость из- я менения температуры во времени

0(t)0,,.exp(.t). .

l.exp(-gft)e.)5....

mo G.

Ни

xtl-exp(- t).(2)

Выражение (2) справедливо как для процесса нагревания, так и для процесса охлаждения в стадии регулярного теплового режима.

Из выражения (2) получим значе- ,ние температуры, до которой нагрелась нить в конце действия импульса на выходе формирователя 7

д д , N(QHH 6)i)Gg г

я- ни+ L 1 -ехр

(3) где вив - верхнее и нижнее значеНб «и

ния температуры нити преобразователя (фиг,2).

Значение температуры, до которой охладилась нить в конце паузы между импульсами с , формирователя 7, определится из выражения

®.Г0.-(9«.-Оср)

ни

.(

me

G

не

G«

(T,,

(4)

где Т - период следования тактовых

О

импульсов;

t - длительность импульса. Из выражений (З) и (4) получаем

Н-(вни -Q. 0„

)а„

1-ехр(- - тс

t,)l

(не-.){ (T,-t,)} (5) Применяя разложение функции

m X

ехр(х) в степенной ряд 1+ Г --

hl:1

п

НР

в виде

ограничиваясь только первыми двумя членами разложения, так как период следования импульсов выбирается во много раз меньше постоянной времени

преобразователя (t ::;- и (Т -t. }

У

--}, чтобы нить сильно не охлади-

t лась в паузе между импульсами, а

также принимая б| и©„g 0..п выражение (5) можно записать N-(eHp-Qep)G

но - РСР/ а . Gg 4- fo /5 U G, . mo p

Э « (rp + )

me o ..

где |Э„р - рабочая температура нити откуда получаем

t G . (иР-в) Т„ Ь(0нР-е..).Т„ е NЫ (6)

Из выражения (6) видно, что средняя мощность, рассеиваемая на преоб.- рай ователь 3, как и в прототипе равт на

.. ItТаким образом, значение длительности импульса на выходе формирователя 7 при постоянной величине мгновенной электрической мощности, рассеиваемой нитью манометрического преобразователя 3 процессе нагревания постоянном перегреве относительно

0

5

0

5

30

35

40

температуры окружающей среды и постоянном периоде следования тактовых импульсов, прямо порпорционально измеряемому давлению. Регистрирующий прибор 9, фиксирующий значение длительности импульса на выходе формирователя 7, дает показания прямо пропорциональные измеряемому давлению.

Процессы нагревания и охлаждения протекают по экспоненциальному закону, поэтому всегда имеет место некоторая нелинейность в зависимости выходного сигнала от давления, которая тем больше, чем больще период следования тактовых импульсов. Исходя из допустимого отклонения от линейности, выбирают значение периода следования импульсов, используя выражение (5) или разложение функции ехр(х) в степенной ряд.

Формула изобретения

Теплоэлектрический вакуумметр сопротивления, содержащий манометрический преобразователь, включенный в плечо первой ветви измерительного моста, усилитель, дифференциальный вход которого подключен к измерительной диагонали моста, и формирователь калиброванных по амплитуде импульсов, выход которого подключен к диагонали питания моста и к регистрирующему прибору, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения по- грещности измерений, в него введен генератор тактовых импульсов с задат- чиком напряжения смещения, выход которого подключен к общей точке второй ветви измерительного моста, при этом усилитель подключен своим выходом к входу формирователя калиброванных по амплитуде импульсов.

8

J

ru

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении низких давлений газа. Цель изобретения - уменьшение погрешности измерения давления. В течение нескольких циклов работы вакуумметра нить манометрического преобразователя 3 придет в режим динамического теплового равновесия, когда приращение количества тепла, полученного нитью за время действия импульса с выхода формирователя 7, будет равно количеству тепла, отдаваемому в результате теплообмена с окружающей-средой. Длительность импульса на выходе формирователя 7 при постоянной величине мгновенной электрической мощности, рассеиваемой нитью манометрического преобразователя 3, прямо пропорциональна измеряемому давлению, фиксируемому регистрирую- § щим прибором 9. 2 ил. (Я Ю 00 00 О1 Фиг. 1

H GHH

Редактор Т. Парфенова

Составитель Н. Богданова

Техред В.Кадар Корректор И. Эрдейи

Заказ 7049/41Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг, 2