Устройство для измерения давления в вакуумных системах Советский патент 1993 года по МПК G01L9/00 

переменного тока. Анодными нагрузками механотронов 1,2 служат активные резисторы R6, R7, R8, R9. Над мембраной 3 механот- рона 1 расположен металлический диск 10 диаметром 16 мм и толщиной 0,3 мм из мягкой жести. Диск 10 закреплен на втулке 11 с крышкой 12, выполненных из гетинак- са. Крышку 12 со втулкой 11 и диском 10 располагают на мембранной коробке 13 ме- ханотрона 1 так, чтобы обеспечить между диском 10 и мембраной 3 зазор, равный 0,5 мм; диск 10 и мембрана 3 образуют конденсатор С13. На наружной поверхности механотрона 2 в области расположения сильфона 4 расположена катушка 14 с дифференциально включенными индуктивно- стями L15, L16 из провода ПЭВ - 0,12 мм с числом витков, равным 30 каждая, причем торец сильфона 4 находится по середине катушки 14. Механотроны 1, 2 с помощью штуцеров .17 и вакуум-плотной резиновой трубки (подключены к камере 18, выполненной в виде полого цилиндра диаметром 50 мм и длиной 110 мм со штуцером в его торцовой части. Конденсатор С 13 вместе с индуктивностями 15, L16 образуют колебательный контур высокочастотного генератора 19. Генератор 19 выполнен на двух транзисторах типа КТ301 по схеме, особо чувствительной к питающему напряжению (Дж. Маркус. Применение электронной автоматики. Изд-во иностранной литературы. М., 1962, с. 325), Питающее напряжение к генератору подключают с анодных нагрузок R7, R9 через контакты реле К.1.1..К.1.2, электронного ключа 20. Выход генератора 1.9 подключен на вход преобразователя 21, который выполнен по схеме активного выпрямителя на микросхеме типа К553УД1 с высокочастотными диодами на выходе и в .цепи обратной связи операционного усилителя (П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемо- техники. Т. 1., М.: Мир, 1984, с. 580). Выход преобразователя 21 включен на вход измерительного прибора 22 типа М 286, кроме того, предусмотрено параллельное включение на внешний измерительный прибор типа КСП-4. Генератор 19, преобразоезтель 21, источник питания 5, электронный ключ 20 выполнены на одной плате печатным монтажом и помещены в отдельный корпус, в который также встроен измерительный прибор 22. Механотроны 1, 2 вместе с камерой 18 помещены в другой корпус. Соединение между корпусами осуществляется электрическим кабелем с помощью разъемов типа ШР.

Устройство работает следующим образом.

Сборку устройства (корпус с механотро- нами 1, 2) подключают к вакуумо про воду циркуляционной камеры через штуцер камеры 18с помощью вакуум-плотной резино5 вой труб.ки. Устройство готово к работе после 15-20-минутного прогрева с момента включения источника питания 5. Изменение давления в вакуум-камере во время вакуу- мирования жидкого металла воспринимает0 ся мембраной 3 механотрона 1 через штуцер камеры 18 и штуцер 17, Однако воспринимаемое мембраной 3 механотрона 1 давление ограничивается предельным значением, равным 13,3 кПа, и обусловлено

5 конструкцией узла подвижного анода. Область более низкого давления от 13,3 кПа до 13,3 Па воспринимается механотроном 2. Таким образом, применение механотронов 1,2 обеспечивает непрерывное контролиро0 вание давления в области от 0,1 МПадо13,3 Па. Под действием изменяющегося давления в вакуумопроводе в ходе откачки мембрана 3 механотрона 1 выгибается в сторону диска ТО так, что по мере уменьшения дав5 ления зазор между мембраной 3 и диском 10 уменьшается и в соответствии с ним емкость конденсатора С13 будет увеличиваться, что приведет к расстройке колебательного контура генератора 19 и,

0 следовательно, вызовет соответствующее изменение его частоты. Одновременно с изменением емкости конденсатора С13 изменяется ток через сдвоенный диод механотрона 1, что вызывает соответствую5 щее изменение потенциала на его анодной нагрузке R7, Величина этого потенциала относительно отрицательной шины сдвоенного диода механотрона 1 является напряжением питания генератора 19, шина

0 которого через контакты К1.1., К.1.2. реле (РЭС - 22) электронного ключа 20 подключена к анодным нагрузкам R7, R9 механотронов 1,2. Это напряжение вызывает изменение режима возбуждения генерато5 ра 19, сопровождающегося соответствующим изменением амплитуды высокочастотных колебаний на его выходе. Таким образом, изменение давления в вакуумопроводе вызывает линейное перемеще0 ние мембраны 3, которое сопровождается одновременным изменением постоянного тока через сдвоенный диод механотрона 1 и изменение емкости конденсатора С 13. Введение конденсатора С 13 позволило с по5 мощью генератора 19 трансформировать напряжение постоянного тока в переменный по амплитуде и частоте, изменяющийся в соответствии с деформацией мембраны 3 механотрона 1, При достижении в вакуумоп роводе давления, равного 13,3 кПз, срабатыпает электронный ключ 20, Реле, включенное на его выходе, обесточивается, происходит размыкание и замыкание контактов К,1,1,, К.1.2., в результате чего выходное напряжение измерительной схемы по посто- янномутокус нагрузки R7 переключается н шине генератора 19 на выходное напряжение R9 механотрона 2. Уменьшающееся далее давление в вакуумопроводе воспринимается сильфоном А механотрона 2, который под действием этого давления сжимается. Сжатие сильфона 4 вызывает изменение индуктивностей L15, L16 в колебательном контуре генератора 19,L 15, L16, последовательно и дифференциально вклю- ченные между собой в исходном состоянии имеют разные значения, поскольку только в одной из них находится сильфон (как сердечник), так как торец сильфона 4 находится посередине катушки 14, Такое включение L15, L16 позволяет более четко выделить разность значений индуктивностей и тем самым увеличить чувствительность устройства, кроме того, при включении устройства перед началом вакуумирования существует необходимость коррекции стрелки на шкале прибора 22 относительно ее нулевого положения в зависимости от конкретного на данный момент атмосферного давления. Таким образом, изменение индуктивности конту- ра вызывает изменение частоты на выходе генератора 19. Кроме того, при сжатии сильфона 4 происходит изменение падения напряжения на анодной нагрузке R9 сдвоенного диода и, следовательно, изме- нение напряжения на шинах генератора 19, что вызывает изменение режима его возбуждения по амплитуде. Таким образом, преобразование диапазона низкого давления в вакуумопроводе происходит с по- мощью механотрона 2 и катушки индуктивностей L15, L16 аналогично преобразованию, осуществляемому с помощью механотрона 1. С выхода генератора 19 сформированный сигнал поступает на вход преобразователя 21. Выбор схемного решения преобразователя 21 обусловлен тем, что обеспечивает устойчивый прием сигнала, восстанавливает и усиливает по мощности, увеличивает чувствительность устройства и вместе с тем расширяет выбор исходного режима работы устройства, то есть выходное напряжение.преобразователя 21 изменяется вместе с частотой и амплитудой поступающего на вход высокочастотного сигнала, коэффициент преобразования при этом равен 0,8. Принцип действия устройства (преобразователя 21) описан в (Радиоавтомэтикэ. Под ред. В. А. Бесекерского.. М.. Высш. шк.. 1985 г.,

с. 271,), Однако следует считать, что чувствительность устройства в целом достигается за счет двойного преобразования давления (деформации) в сигнал сложной формы как по частоте, так и по току и выражается в следующем виде -Sf где Si - крутизна преобразования деформации по току;

Sr- крутизна преобразования деформации по частоте,

Исходный режим работы устройства, как указано выше, устанавливается через 15-20 мин после включения источника питания 5. За это время устанавливаются темпе- ратурный и токовый режимы работы механотронов 1, 2 при внешнем давлении, равном 0,1 МПа, то есть до включения вакуумных насосов. Установившемуся токовому режиму сдвоенного диода механотрона 1 соответствует постоянное значение падения напряжения на анодной нагрузке R7, которое через контакты К. 1,1. реле электронного ключа 20 подключается к шинам генератора 19. Это напряжение определяет исходный режим возбуждения генератора 19 по амплитуде, а частота высокочастотных колебаний определяется исходными параметрами емкости конденсатора С13 и индуктивности L15, L16 катушки 14. Высокочастотный сигнал с выхода генератора 19 поступает на вход преобразователя 21, порог чувствительности которого установлен по амплитуде этого сигнала, в результате этого на выходе преобразователя 21 отсутствует какое-либо напряжение. Стрелка измерительного прибора 22 находится в начале шкалы. С включением вакуумных насосов начинается откачка газов из вакуумируемого объема и вместе с этим начинают изменяться значения емкости С13, а затем индуктивностей L15, L16. Сигнал на выходе генератора 19 синхронно изменяется с ростом разрежения в вакуумопроводе. Амплитуда этого сигнала превышает установленное пороговое значение на входе преобразователя 21 и на его выходе появляется напряжение, величина которого пропорциональна как амплитуде, так и частоте поступающего высокочастотного сигнала. Преобразованный высокочастотный сигнал с выхода преобразователя 21 поступает на вход измерительного прибора 22 и вызывает отклонение стрел соответствующее величине поступающего сигнала. Отклонение стрелки измерительного прибора 22 отражает в реальном масштабе времени и с большой точностью характер работы насосов как в процессе предварительной откачки из вакуумируемого объема, так и непосредственно в процессе дегазации

жидкого металла, Предложенное двойное преобразование давления, сочетающего одновременное преобразование по постоянному и переменному току с целью образования сложной формы сигнала, в значительной мере повышает точность и чувствительность преобразования.

Пример конкретной реализации.

Емкость конденсатора С 13 составляет около22 пФ, суммарная индуктивность L15, L16 -около 1 мГн. Генератор 19 работает на частоте 7 МГц, изменение частоты генератора 19 в диапазоне от 0,1 МПа до 13,3 Па составляет 2,1 МГц, а амплитуда выходного сигнала преобразователя 21 изменяется от О до 100 мВ (милливольт), мощность, потребляемая устройством, составляет 15 Вт. Устройство было проградуировано по образцовому манометру типа МО в области низких давлений 13,3 65, Па, а в остальном диапазоне - по У-образному ртутному манометру. Подвключение устройства в вакуумопровод циркуляционной установки позволило визуально наблюдать и регистрировать на диаграммную ленту внешнего самопишущего потенциометра типа КСП-4, включенного параллельно измерительному прибору 22, динамику изменения вакуума в ходе обработки хсидкого металла.

Использование предлагаемого устройства в качестве измерительного устройства на установке циркуляционного вакуумиро- вания позволит получить по сравнению с прототипом следующие технико-экономические преимущества:

- повышение точности измеряемого давления в диапазоне 0,1 МПа + 13,3 Па в 6 раз;

- стабилизировать показания устройства при отклонении напряжения питания на ±20% от номинального;

- снижение влияния помех на результат измерения на 50%;

- повышение стабильности параметров устройства по температуре в 2,5 раза.

Формула изобрете-ния

Устройство для измерения давления в вакуумных системах, содержащее меха- нотронный датчик давления в виде первого механотрона, подвижный анод которого

механически связан с мембраной и подключен через анодную нагрузку к источнику постоянного тока, и измерительный прибор, о т л и ч а ю щ ё е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и

надежности устройства, оно снабжено вторым механотроном, двумя катушками индуктивности, электронным переключателем, автогенераторной схемой и преобразователем амплитуды и частоты

входного сигнала в сигнал постоянного тока, причем подвижный анод второго механотрона механически связан с введенным сильфоном, две катушки индуктивности установлены на наружной поверхности второго механотрона вокруг сильфона и включены встречно в частотно-задающую цепь автогенераторной схемы, в которую включен также конденсатор, образованный мембраной первого механотрона и введенным в первый механотрон металлическим диском, сигнальные входы электронного переключателя подключены соответственно к подвижным анодам первого и второго механотронов, выход переключателяподключен к амплитудно-задающей цепи питания авто- генераторной схемы, выход которой через преобразователь связан с измерительным прибором, а вход управления по пороговому

напряжению электронного переключателя соединен с подвижным анодом первого механотрона.