Теплоэлектрический вакуумметр Советский патент 1983 года по МПК G01L21/10 

Изобретение относится к приборам, измеряющим низкие давления, в частности к тепловым вакуумметрам, и может быть использовано при измере- , НИИ низких давлений с повышенной точностью.

Известны теплоэлектрические вакуумметры, работа которых основана на изменении теплопроводности газа в зависимости от давления. Например известен теплоэлектрический вакуум- метр, содержащий манометрический преобразователь, мостовую измеритель ную схему, генератор - усилитель и регистрирующий прибор, присоединенный через переменный резистор к манометрическому преобразователю. Последовательно с регистрирующим прибо ром включен постоянный резистор, параллельно которому подключена цепочка из соединенных последовательно источника постоянного напряжения и дополнительного переменного резистора L3-JРабота вакуумметра основана нарнз :менении теплопроводности газа, в зависимости от давления (степени вакуука) и изменении в связи с этим подаваемой мощности для поддержания Зс1данного сопротивления.

Недостатком этого вакуумметра является большая погрешность измерения при изменении температуры.окружающей среды, так как в конструкции нет компенсационного датчика. Нелинейность градуировочной характеристики, сказывается на уменьшении точности в требуемом диапазоне измерения, особенно при применении в системе автоматиче10ского регулирования.

Чувствительность известного вакуумметра недостаточно высока в большей степени на низком ъаКууме, так как сопротивление цепочки последовательно

15 соединенных диодного выпрямителя, регистрирующего прибора, постоянного резистора и параллельно подк/почен- ; ного к нему переменного резистора и источника является постоянным для

20 данного режима настройки, это также . шунтирует преобразователь и ведет к снижению точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является теп25лоэлектрический вакуумметр, содержащий источник питания и датчики сопротивления - измерительный и компенсационный, каждый из которых включен в одно из плеч моста, причеЯ для.обе30спечения компенсации внешней среды . один из датчиков сопротивления помещен в корпус, из которогооткачан воздух, а другой датчик соединен с измеряемым объемом. Два другие плеча мосяа образованы омическими сопротивлениями .2. Наличие компенсационного датчика (термопреобразователя) дает уменьшение погрешности от изменения внешней темпера,туры при равенстве значения давлений в измерительном и компенсационном датчиках (термопреобразователях) . Недостатком известного вакуумметра является то, что схема компенсации работает удовлетворительно только В том случае, когда давление в из мерительном и компенсационном датчиках примерно одинаковое. При различных давлениях эта схема не обеспе ивает удовлетворительной компенсгщии и вакуумметр обладает значительной температурной погрешностью, которая очень велика при большой разности давлений вследствие того, то сопротивления измерительного и компенсационного, датчиков различны и-влияни температуры по-разному сказывается на изменении сопротивления. Кроме того, известный теплоэлектрический вакуумметр обладает низкой чувствительностью, особенно при измерении давления в верхнем пределе (относительно высокие давления, и не позволяет смещать диапазон измере ний в ту или иную сторону, а также лианеризовать градуировочну.ю характе ристику, д Поддержание давления в извесгном вакуумметре, а именно в компенсацион ном датчике, постоянным является сложной задачей. Если компенсационный датчик откачан до -давления, бли кого к измеряемому, то это увеличивает точность измерения. Но в этом случае компенсация происходит лишь вблизи равенства давлений. В случае отклонения давления в измерительной камере от давления в компенсационной камере точность измерения значительн уменьшается. Поддерживать давление в компенсационной камере на постоянно уровне являе ся сложной задачей, та как возможно натекание газа извне. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет компенсации температурной погрешности и увеличения чувствительности. Эта цель достигается тем, что известный теплоэлектрический вакуумме снабжен дифференциальным усилителем транзистором,, в эмиттерную цепь кото рого включен переменный резистор, и дополнительной цепочкой из двух попарно параллельно соединенных диодов и резисторов с последовательно включенным постоянным резистором, при этом входы дифференциального усилителя подключены к измерительной диагонали моста, а выход его подключен к базе транзистора, коллектор которого соединен с одним из выводов измерительного датчика сопротивления , подключенного к питающей диагонали моста, вывод переменного резистора подключен к точке соединения выводов.двух датчиков сопротивления, а дополнительная цепочка включена параллельно переменному резистору, причем регистрирующий прибор подключен к точке измерительной диагонали моста, с которой соединены плечи с резисторами, и к точкам попарного соединения резисторов и даюдов дополнительной цепочки. На чертеже представлена принципиальная схема теплоэлектрического вакуумметра. Вакуумметр содержит -измерительный 1 и эталонный f компенсационный 2 термопреобразователи в виде датчиков сопротивления, помещенные в корпуса 3 и 4 из теплопроводящего материала и соединенные ме.жду собой пластиной 5 также из теплопроводного материала. Термопреобразователи 1 и 2 включены в плечи измерительной мостовой схема, состоящей из собственно термопреобразователей 1, и .постоянных резисторов б, 7. Вакуумметр содержит резисторы 8 и 9 , регистрирующий прибор.10. Вакуумметр снабжен дифференцигшьным усилителем 11, транзистором 12 и цепочкой из двух попарно параллельно соединенных диодов 13, 14 и резисторов 15,16. Входы дифференциального усилителя 11 подключены к диагонали мостовой схемы, на которой размещены точка соединения тёрмопреобразователей 1 и 2 и тонка соединения постоянных резисторов б и 7, а выход его подключен к базе транзистора 12, коллектор которого соединен с одним из выводов измерительного термопреобразователя 1, эмиттер транзистора 12 соединен с переменным 8 и постоянным резистором 9, . Второй вывод переменного резистора В подключен к точке соединения двух термопреобраэователей 1 и 2, а дополнительная цепочка и постоян- ; ный резистор 9 подключены параллельно переменному резистору 8, регистрирующий прибор iO подключен ко второй точке упомянутой диагонали мостовой схемы и к точкам попарного соединения резисторов 15, 16 и диодов 13, 14 цепочки. Устройство работает следующим образом. в диагональ моста, образованную точками соединения постоянных рёЭис- : торов б, 7 и термопреобразователей 1, 2, подают напряжение от постоянного источника постоянного напряжения. Дифференциальный усилитель 11 поддерживает нулевую разницу нап жений в диагонали, т.е. сопротивление термопреобразователя 1, при помощи транзистора 12, переменного со противления 8, постоянного сопротив ления 9 и дополнительной цепочки одинаково с сопротивлением термопре образователя 2. Изменение внешней температуры не сказывается на точность измерения, так как термопреобразователи 1 и 2 находятся в одинаковых- условиях и относительное из менение характеристик одного из тер мопреобраэователей (. измерительного, компенсируется за счет того, что оба термопреобразователя соединены теплопроводящей пластиной 5. Напряжение термопреобразователей 1 поддерживается постоянным и температур его не возрастает за счет поддержания нулевого потенщ1ала на входе дифференциального усилителя 11 и шунтирования транзистором 12, резисторами 8 и 9 и дополнительной цепочкой, IB начальный момент вакуумметр калибруется на нулевые показания при атмосфернс давлении путем изме нения резисторов 6 и 7, для этого может быть предусмотрен в схеме (на чертеже указан пунктиром) резис тор, включенный в качестве делителя напряжения последовательно с резисторами б и 7, подвижный контакт которого подключен ко входу диффере циального усилителя 11. Изменение давления в корпусе 3 вызывает изменение сопротивления термопреобразователя 1, а дифференциальный усилитель поддерживает сопротивление плеч, в которые включен термопреобразователи 1 и 2, одинако вым за счет шунтирования термопреоб разователя 1 транзистором 12, после довательно с которыми включены рези торы 8, 9 и дополнительная цепочка. После этого вакуумметр градуируется В диапазоне низкого вакуума дифференциальное сопротивление диодов 13- и 14 дополнительной цепочки велико и общее сопротивление, шунтирующее термопреобразователь 1, также велико. Малому изменению сопротивления термопреобразователя 1, которое достаточно мало, соответствует значительное изменение общего сопротивления, а значит и напряжени измеряемого -регистрирующим прибором 10, а следовательно, и большая чувствительность. Для теплового преобразователя в диапазоне низких давлений (от 5 до 60 мм рт.ст.) чувствительность к изменению давления мала Введение в конструкцию вакуумметра дифференциального усилителя 11, тра зистора 12 и дополнительной цепочки позволило увеличить чувствительность его в диапазоне низкого вакуума, а следовательно, и точность измерений. Изменяя сопротивление переменного резистора 8, изменяем чувствительность вакуумметра в диапазоне низкого вакуума. Резистором 8 задается положение ограничения чувствительности. Когда сопротивление резистора 8 максимально, чувствительность вакуумметра в диапазоне низкого вакуума значительно повышается и становится малой в диапазоне высокого вакуума. При дальнейшем повышении вакуума происходит дальнейшее увеличение шунтирования термопреобразователя 1 и рост напряжения на диодах 13 и 14. Их дифференциальное сопротивление начинает уменьшаться, что ведет к уменьшению чувствительности в диапазоне высокого вакуума. Когда со-противление резистора 8 уменьшают, дифференциальное сопротивление диодов 13 и 14 начинает уменьшаться при большой степени вакуума. Положением движка на резисторе 8 можно вы-г бирать необходимый .диапазон измерения , а также компенсировать технологический разброс термопреобразователя и деталей вакуумметра. Кроме того, выбирая номиналы резистора 8 и номиналы резисторов 15 и 16, а также диодов 13 и 14, можем лианезировать градуировочную характеристику ва- куумметра в нужном диапазоне давлений. Например, уменьшением сопротивления резисторов 15 и 16 увеличивает чувствительность в диапазоне средних давлений, так как в этом случае сопротивление резисторов становится одкого порядка с сопротивлением диодов. Таким образом, при изменении давления в корпусе 4 сопротивление .термопреобразователя 2 начинает расти из-за уменьшения теплопроводное-. ти газа. Это вызывает разбаланс моста и термопреобразователей. Сигнал разбашанса, усиленный дифференциальным усилителем 11, управляет работой транзистора 12 таким образом, что сопротивление термопреобразователя 2 остается постоянным.Сигнал, пропорционсшьный давлению, снимается С резистора, усиливается масштабным усилителем с регулируегллм, коэффициентом усиления и поступает на выход прибора 10. Так как преобразователь работает в режиме постоянной температуры, то возможна работа с агрес-; сивными газами без отключения гра- : дуировочной характеристики. Подключение регистриругацего прибора к точкам соединения двух диодов и к одной из диагоналей моста позволило исключить температурные погрешности чувствительности, так как сопротивление диодов изменяется одинзигово-с изменением температуры

и эта погрешность будет компенсироваться.

Опытные образцы теплового вакуумметра были испытаны на установке осаждения диэлектрических пленок под низким давлением. Тепловой вакуумметр применяется в качестве измерителя давления в автоматической системе регулирования давления в диапазоне 1,33-133 Па, Применение предлагаемоЪо вакуумметра позволило увеличить выход годных на ,0,1% на операции получения низкотемпературного нитрида кремния за счет более точного (в десять раз) поддержания давления.

формула изобретения

Теплоэлектрический вакуумметр, содержащий измерительный и компенсационный датчики сопротивления, включенные в смежные плечи измерительного моста, в другие плечи которого включены резисторы, источн к питания и регистрирующий прибор, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет компенсации температурной погрешности иувеличения чувствительности, он снабжен дифференциальным усилителем.

транзистором, в эмиттерную цепь которого включен переменный резистор, и дополнительной цепочкой из двух попарно параллельно соединенных диодов и резисторов с последовательно включенным постоянным резистором, при этом входы дифференциального усилителя подключены к измерительной диагонали моста, а выход его подключен к базе транзистора, коллектор которого соединен с одним из выводов измерительного датчика .сопротивления, подключённого к питающей диагонали моста, вывод переменного резистора подключен к точке соединения выводов двух датчиков сопротивления, а дополнительная цепочка включена параллельно переменному резистору, причем регистрирующий прибор подключен к точке измерительной диагонали моста, с которой соединены плечи с резисторами и к точкам попарного соединения резисторов и диодов дополнительной цепочки

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 304468, кл. G 01 L 21/10, 1969. . 2. Дж. Леек. Измерение давления в вакуумных системах. М., 1968, 30 с. 59-64 (прототип).