Способ измерения вакуума и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01L21/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике вакуумных измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет устранения влияния изменений температуры газовой среды на результаты измерений.

На фиг.1 приведены диаграммы изменения температуры на термочувствительном резисторе; на фиг.2 - структурная схема теплоэлектрического вакуумметра, реализующего предлагаемь1й способ измерения вакуума; на фиг.З - эпюры напряжений на отдельных элементах схемы,, поясняющие работу устройства,

Теплоэлектрический вакуумметр, осуществляющий предлагаемый способ измерения вакуума, содержит измерительный мост 1, первая ветвь которого состоит из резистора 2 и термочувствительного резистора 3 манометрического преобразователя, вторая ветвь - из резисторов 4,5 и 6, усилитель 7, формирователь 8 опорных импульсов, суммирующий усилитель 9, задатчик 10 напряжения смещения, блок 11 выделения интервалов времени, состоящий из усилителя 12, схемы 13 задержки и логического элемента 14, регулятор 15 напряжения, содержащий коммутирующие элементы 16 и 17 и интегратор 18, электронный ключ 19 и регистрирующий прибор 20.

Теплоэлектрический манометрический преобразователь включен в плечо первой ветви измерительного моста 1, дифференциальный вход усилителя 7 подключен к измерительной диагонали мое та (точки аи Б), два входа блока 1 выделения интервалов времени подключены к измерительной диагонали моста (точки в и а), третий его вход подключен к выходу формирователя 8 опорных по амплитуде импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя 7, первый, второй и третий выходы блока 11 выделения интервалов времени подключены к первому и второму вхо дам регулятора 15 напряжения и к управляющему входу электронного ключа 19 соответственно, выход регулятора 15 напряжения подключен к регистрирующему прибору 20 и через электронный ключ 19 к первому входу суммирующего усилителя 9, второй вход которого подключен к выходу формирователя В опорных по амплитуде импульсов, выход

:-

O

0

суммирующего усилителя 9 подключен к вершине первой ветви моста, а задатчик 10 напряжения смещения подключен к вершине измерительной диагонали (точка 5).

Способ измерения давления заключается в следующем.

Термочувствительный резистор 3 манометрического преобразователя помещают в газовую среду, давление которой необходимо измерить. В момент времени t включают постоянный электрический ток, под действием которого термочувствительный резистор начинает нагреваться (фиг.1).

В момент времени tj термочувствительный резистор 3 нагревается до первого исходного значения температуры бу, и дальше температура на нем изменяется по закону

0(0 8, .. l-exp(-25 tb)

flШС J

50

30

35

40

25 где N. - электрическая мощность, выделяемая на термочувствительном резисторе в первом интервале времени; температура газовой среды;

- теплойая проводимость среды;

b - коэффициент пропорциональности;

Р - давление газа;

га - масса нити;

с - удельная теплоемкость материала нити;

t - текущее значение времени, отсчитываемое от момента времени tj.

Выражение (1) получено без учета потерь тепла за счет конвекции , излучения j теплопроводности через вы- 45 воды термочувствительного резистора.

Температуры б, термочувствительный резистор 3 достигает за время

в

ср

получаем

Ч Тогда из выражения (1)

Ni.l(l±lfcL).G

l-exp(- |),(2)

50

где

.. 5)2

55

тепловая постоянная вре- 9 мени преобразователя. После достижения термочувствительным резистором температуры б электрический ток выключают и дают резистору охладиться ниже второго исходного значения температуры 0 . Затем снова включают электрический ток и определяют длительность второго интервала времени Т, за которое температура термочувствительного резис- , тора изменяется от значения до значения 6g,. Тогда из выражения (1) получаем

бвг 9,, Nil(.).(-J (3)0

Если приращения температуры л б на первом и втором интервалах времени одинаковы, то из выражений (2) и (3) получаем

V-.( е., - e,.«e.Siiife..z.e,,)G, ,.,(. т,,,о

0

Откуда

N,- (e,,-eep) - ехр(- |i) 25 N, - (9,,-eop) i-exp(- Щ.

(4)

Далее периодически включают и вы- 30 ключают электрический ток, давая в.оз- можность температуре термочувствительного резистора, изменяться при нагревании от второго исходного значения б, на нормированное приращение 6 , 5 контролируют длительность второго интервала .времени Т и регулируют величину электрического тока до тех пор, пока длительность второго интервала времени не будет равна первому, т.е. 40 пока Т2 не станет равным Т . Тогда из выражения (4) получаем

Nr- 0«i-6cp)Ge М2-(еиг-6ср)С9,

Sl-I- il - 9нг-®и1 йби

Go Р --, то

- --k «

. b

Следовательно, измеряя разность мощностей, выделившихся на термо ,

(3)0

)

(5

,,о

25

(4)

- 30 з- еор, . 40

3188184

чувствительном резисторе, на первом и втором интервалах времени и зная разность исходных значений температуры, по формуле (5) можно определить величину давления газа независимо от температуры газовой среды .

Второе исходное значение температуры 0yj может выбираться как больше первого исходного значения температуры йц, так и меньше его. С уменьшением разности 6 - 6и лбц точность измерения падает. Разность йб не должна быть равна нулю.

Теплоэлектрический вакуумметр, реализующий данный способ, работает следующим образом.

Термочувствительный резистор 3 после выключения перегревающего тока oxJ aждaeтcя до температуры, равной первому исходному значению 6., (фиг.З). и схема переключается на нагревание термочувствительного резистора 3 в первом интервале времени Т. При эТом на выходе формирователя 8 опорных по амплитуде импульсов формируется уровень напряжения , ,

Усилитель 12 блока 11 выделяет первый интервал времени Т, , который определяется наличием низкого уровня напряжения, так как напряжение Uj в точке 6, задаваемое высоким уровнем напряжения с выхода формирователя 8 и током с задатчика 10 напряжения смещения, в данный момент времени больше, чем напряжение U в точке « (напряжения в точках в и а соответствуют температурам 9л и 0 ).

Напряжение на выходе i блока 11 также имеет низкий потенциал, благо- .даря чему электронный ключ 19 закрыт и напряжение с выхода регулятора 15 не поступает на вход суммирующего усилителя 9. Нагревание термочувствительного резистора 3 осуществляется под действием постоянного тока, определяющего мощность N и пропорционального стабильному по величине напряжению 1). с выхода формирователя 8.

В момент достижения термочувствительным резистором 3 температуры 6j (напряжение U эквивалентно Sj) происходит изменение уровня напряжения на выходе усилителя 12 с низкого на высокий. На выходе т. также появляется сигнал, открывающий электронный I ключ 19.

При этом сигнал с выхода регулятора 15 напряжения поступает на вход

45

50

55

суммирующего усилителя 9, который совместно с напряжением U формирователя 8 определяет мощность N на

Если Т, - Т О (цикл Б), коммутирующие элементы 16 и 17 закрыты и интегратор 18 регулятора 15 напряжения не изменяет своего выходного напряжения,

Когда Tj - (цикл В), воздействие измененного тока начинается только на следующем цикле.

Фазировку реверсивных входов реПод действием электрического тока, определяющего мощность N , термочувствительный резистор 3 продолжает нагреваться до температуры 6} . При этом напряжение на нем изменяется от уровня и„ до уровня Uj . Уровень Uj задается в точке 5 также, как и уровень и„ в точке

„ .„ „ , напряжением

с выхода формирователя 8 и током с задатчика 10 напряжения смещения. При достижении термочувствительным резистором 3 температуры 9 происходит изменение уровня напряжения на

20

втором интервале времени Т .

Схема 13 задержки в течение первого интервала времени производит измерение и запоминание длительности первого интервала времени Т , по окончании которого формирует задержанный импульс низк.ого уровня длитель- 0 гулятора 15 напряжения выбирают таким ностью . Т .образом, что в случае увеличения длительности второго интервала времени больше длительности Т,,д. Т,, т.е. когда Т - О, происходит увели- f5 чение мощности N. пс( отношению к раннему значению и, наоборот, уменьшение мощности Nj при Т - , т.е. осуществляется отрицательная обратная связь по изменению разности Т - Т. Тогда за несколько циклов работы вакуумметра наступает равенство первого и второго интервалов времени.

После достижения термочувствительным резистором 3 температуры 0j на вывыходах усилителя 7 и формирователя 8. 5 ходах формирователя 8 и суммирующего На выходе формирователя 8 устанавли- усилителя 9 устанавливаются низкие вается низкий уровень напряжения Цф . .уровни напряжений U и U . При этом Низкий уровень устанавливается и на в точке 6 устанавливается напряжение выходе 1 блока 11, под действием ко- U , соответствующее температуре б, торого электронный ключ 19 закрывает- 30 термочувствительного резистора 3, а ся, что говорит об окончании второго в точке « напряжение ,, так как интервала времени Т, .температура термочувствительного реРазность длительностей Т и Т зистора 3 за короткое время измене- может принять три значения: , ния сигнала на выходе суммирующего Т - Т О и Tj- Т 0. При Tj - 35 Усилителя 9 не успевает измениться сигнал, длительность которого про- от значения б,,. Использование задат- порциональна разности длительностей чика 10 напряжения смещения, поляр- первого и второго интервалов времени, ность которого противоположна поляр- возникает на выходе 3 логического ности напряжения на выходе формирова- элемента 14. Если Т,,. - Т О, то ана- 40 теля 8, позволяет увеличить действие логичный сигнал возникает на выходе положительной обратной связи через е. При равенстве длительностей первого и второго интервалов времени (Т2 - Т 0) на выходах 6 и е сигналы не возникают.

Под действием сигналов с выходов б и е открывается либо коммутирующий элемент 16, либо коммутирующий элемент 17 регулятора 15 напряжения, подавая

резисторы 4, 5 и 6 по отношению к действию отрицательной обратной связи через резисторы 2 и 3 и тем самым 45 увеличить перепад напряжения в точке б по отношению к точке а.

Состояние схемы после достижения температуры 9(фиг.З) и установления низкого уровня на выходах формирована вход интегратора 18 разнополярное50 теля 8 и суммирующего усилителя 9 напряжение, под действием которого устойчиво до тех пор, пока темпера- увеличивается или уменьшается напря- тура термочувствительного резистора жение на выходе интегратора 18. не упадет до значения 9. При темпе- В случае, когда Т„ - (цикл А, ратуре 9 напряжение на термочувстфиг.З), изменение выделяемой мощное-55 витальном резисторе (точка а) стано- ти на термочувствительном резисторе 3 начинается сразу после окончания

вится равным напряжению U (точка Б) и при малейшем дальнейшем охлаждении резистора 3 происходит смена полярности на дифференциальном входе уси-.

длительности Т в течение длительности импульса на выходе 3 .

Если Т, - Т О (цикл Б), коммутирующие элементы 16 и 17 закрыты и интегратор 18 регулятора 15 напряжения не изменяет своего выходного напряжения,

Когда Tj - (цикл В), воздействие измененного тока начинается только на следующем цикле.

Фазировку реверсивных входов регулятора 15 напряжения выбирают таким образом, что в случае увеличения длизистора 3 за короткое время измене- ния сигнала на выходе суммирующего Усилителя 9 не успевает измениться от значения б,,. Использование задат- чика 10 напряжения смещения, поляр- ность которого противоположна поляр- ности напряжения на выходе формирова- теля 8, позволяет увеличить действие положительной обратной связи через

резисторы 4, 5 и 6 по отношению к действию отрицательной обратной связи через резисторы 2 и 3 и тем самым увеличить перепад напряжения в точке б по отношению к точке а.

Состояние схемы после достижения температуры 9(фиг.З) и установления низкого уровня на выходах формировавитальном резисторе (точка а) стано-

вится равным напряжению U (точка Б) и при малейшем дальнейшем охлаждении резистора 3 происходит смена полярности на дифференциальном входе уси-.

71

лителя 7, благодаря чему на его выходе и выходах формирователя 8 и суммирующего усилителя 9 устанавливаются уровни напряжений, определяющие мощность N .

Далее работа вакуумметра происходит циклично во времени.

Период измерения, согласно выражению (1), зависит от постоянной времени манометрического преобразовате- ля, величины давления, температуры газовой среды, диапазона изменения температуры нити преобразователя и подводимой мощности. Разработчик может влиять на период измерения, вы- бирая диапазон изменения температуры и подводимую мощность. Выбор величины изменения температуры влияет как на время охлаждения нити преобразователя после выключения перегревающего тока, так и на требования к стабильности входных параметров усилителей 7 и 12.

Быстродействие устройства составляет величину порядка от десятков миллисекунд до единиц секунд в зависимости от диапазона измеряемого давления.

Вакуумметр нуждается в индивидуальной градуировке традиционными спо собами. Формула изобретения

1. Способ измерения вакуума, основанный на нагревании и охлаждении термочувствительного резистора мано- метрического преобразователя путем периодического включения и выключения перегревающего его относительно температуры газовой среды электрического постоянного тока, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влияния температуры газовой среды, включают перегревающий ток, измеряют его величину, производят измерение дли- тельности интервала времени, в тече- ние которого температура термочустви- тельного резистора изменится от первого исходного значения на нормированную величину, выключают перегрева- ющий ток, охлаждают термочувствительный резистор до температуры ниже второго исходного значения, не равного первому, включают перегревающий ток, измеряют длительность интервала вре- мени, в течение которого температура термочувствительного резистора возрастет от второго исходного значения на ту же нормированную величину, пе188

риодически включают и выключают перегревающий ток, регулируют при этом его величину до тех пор, пока длителность второго интервала времени не станет равной длительности первого интервала времени, определяют раз- ,ность мощностей, выделяющихся на термочувствительном резисторе на первом и втором интервалах времени при их равенстве и определяют давление по формуле „ , 4 N

где k - коэффициент пропорциональности;

4N - разность мощностей, выделяющихся на термочувствительном резисторе; л9ц - разность исходных значений

температур.

2. Устройство для измерения вакуума, содержащее термочувствительный резистор манометрического преобразователя, включенный в одну из ветвей измерительного моста, усилитель, дифференциальный вход которого подключен к измерительной диагонали моста, формирователь опорных по амплитуде импульсов, выход которого подключен к измерительному мосту, и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влияния изменений температуры газовой среды, в него введены суммирующий усилит-ель блок выделения интервалов времени, регулятор напряжения, электронный ключ и задатчик напряжения смещения, причем первый и второй входы блока выделения интервалов времени подключены к измерительной диагонали моста третий его вход подключен к выходу формирователя опорных по амплитуде импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя, первый, второй и третий выходы блока выделения интервалов времени подключены к первому и второму входам регулятора напряжения и к управляющему входу электронного ключа соответственно, выход регулятора напряжения подключен к регистрирующему прибору и через электронный ключ к первому входу суммирующего усилителя, второй вход которого подключен к выходу формирователя опорных по амплитуде импульсов, выход суммирующего усилителя подключен к измерительному мосту, а задатчик напряжейия смешения подключен к вершине измерительной диагонали моста.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение точности измерений. Устройство для измерения вакуума содержит измерительный мост 1, усилитель 7, формирователь 8 опорных импульсов, усилитель 9, задатчик 10 напряжения смещения, блок 11 выделения интервалов времени, состоящий из усилителя 12, схемы 13 задержки и логического элемента 14, -регулятор 15 напряжения и регистрирующий прибор 20. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет устранить влияние изменений температуры газовой среды на результаты измерений. 2 с.п. ф-лы,3 ил. (Л Фиг.2