Способ измерения вакуума и устройство для его осуществления

(19) (11 1. 21/12 УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ;,юМ1 СА ОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВУ У 23 ибров во СССР 1982,СССР 1978УСТБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУ Я ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ етение относится хнике. Цель изоб измеритенияаае 3 ь АВТОРСКОМУ С(56) Авторское свидетУ 909607, кл. С 01 1,Авторское свидетелВ 595644, кл. С 01 ,повышение точности измерений. Устройство для измерения вакуума содержит измерительный мост 1, усилитель7, формирователь 8 опорных импульсов,усилитель 9, задатчик 10 напряжениясмещения, блок 11 выделения интервалов времени, состоящий из усилителя12, схемы 13 задержки и логическогоэлемента 14, .регулятор 15 напряженияи регистрирующий прибор 20. Введениеновых элементов и образование новыхсвязей между элементами устройствапозволяет устранить влияние изменений температуры газовой среды на результаты измерений. 2 с.п, ф-лы,3 ил.131881Изобретение 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 предлагаемыйспособ измерения вакуума; на фиг.3эпюры напряжений на отдельных элементах схемы, поясняющие работу устройства,Теплоэлектрический вакуумметр,осуществляющий предлагаемый способизмерения вакуума, содержит измерительный мост 1, первая ветвь которогосостоит 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 10напряжения смещения, блок 11 выделения интервалов времени, состоящий изусилителя 12, схемы 13 задержки илогического элемента 14, регулятор 15напряжения, содержащий коммутирующиеэлементы 16 и 17 и интегратор 18,электронный ключ 19 и регистрирующий прибор 20. 35Теплоэлектрический манометрическийпреобразователь включен в плечо первойветви измерительного моста 1, дифференциальный вход усилителя 7 подключен к измерительной диагонали моста (точки ц и Б ), два входа блока 11выделения интервалов времени подключены к измерительной диагонали моста (точки в и м), третий его входподключен к выходу формирователя 8 45опорных по амплитуде импульсов, входкоторого подключен к выходу усилителя 7, первый, второй и третий выходыблока 11 выделения интервалов времени подключены к первому и второму вхо дам регулятора 15 напряжения и к управляющему входу электронного ключа19 соответственно, выход регулятора15 напряжения подключен к регистрирующему прибору 20 и через электронный 55ключ 19 к первому входу суммирующегоусилителя 9, второй вход которогоподключен к выходу формирователя 8опорных по амплитуде импульсов, выход18 2суммирующего усилителя 9 подключен к вершине первой ветви моста, а задатчик 10 напряжения смещения подключен к вершине. измерительной диагонали (точка 6).Способ измерения давления заключается в следующем.Термочувствительный резистор 3 манометрического преобразователя помещают в газовую среду, давление которой необходимо измерить. В момент времени 1 включают постоянный электрический ток, под действием которого термочувствительный резистор начинает нагреваться (фиг.1).В момент временитермочувстви 2тельный резистор 3 нагревается до первого исходного значения температуры В и дальше температура на нем изменяется по закону где И,электрическая мощность,выделяемая на термочувствительном резисторе впервом интервале времени;температура газовой среды;тепловая проводимостьсреды;коэффициент пропорциональности;давление газа;масса нити;удельная теплоемкость ср материала нити;текущее значение времени, отсчитываемое отмомента времени Выражение (1) получено без учета потерь тепла за счет конвекции, излучения, теплопроводности через выводы термочувствительного резистора.Температуры 6 термочувствительЬный резистор 3 достигает за время Т =- с . Тогда из выражения (1) получаем и-(В-Е.,)с Г т,В =В + -" --- -"- ---- 1-ехр(- )1 (2)в, и С9 где = - тепловая постоянная вреСмени преобразователя.После достижения термочувствительным резистором температуры В электрический ток выключают и дают резистору охладиться ниже второго исходИ 1-(вю, - ОсР)СФ Г Сдв ( )-в - " --- 1- р(- - (1)СВщсЫ -(Е. - 6)се Т9:9 + -е - -ех ---- 1-ехр 1- -5)113)0а и Сее6 Если приращения температуры д 6 напервом и втором интервалах времениодинаковы, то из выражений (2) и (3)15получаем Ы,-(Е, -Вср)се Г Т,1 6 - 6 =д 6 - " ---- 1-ехр(- - ) .; В 9 11" СЕ И-и - Вср)СВ Г Т 2 1206 -6 =д 6 =- ----- 1 -ехр (- ).В 2 и С95 Откуда и, - 19,-9 )се 1 1 - ехр 1- - )1 = 25(4,92 - (9 ее- рее)С 91- ехр 1- - )1,Далее периодически включают и вы ключают электрический ток, давая возможность температуре термочувствительного резистора, изменяться при нагревании от второго исходного значенияна нормированное приращение д 6, контролируют длительность второго интервала, времени Тх и регулируют величину электрического тока до тех пор, пока длительность второго интервала времени не будет равна первому, т.е. 40 пока Т не станет равным Т, . Тогда из выражения (4) получаемСледовательно, измеряя разностьмощностей, выделившихся на термо 3 13188 ного значения температуры 6 . Затем снова включают электрический ток и определяют длительность второго интервала времени Т, за которое температура термочувствительного резис тора изменяется от значений 6 я до значения 6 . Тогда из выражения (1) получаем 18 4чувствительном 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 6срВторое исходное значение температуры 6 может выбираться как больше первого исходного значения температуры 6, так и меньше его. С уменьшением разности 6 - 6)95 = д 6 точность измерения падает. Разность дд не должна быть равна нулю.Теплоэлектрический вакуумметр, реализующий данный способ, работает следующим образом.Термочувствительный резистор 3 после выключения перегревающего тока охлаждается до температуры, равной первому исходному значению 6 (фиг.3)1 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 БУсилитель 12 блока 11 выделяет первый интервал времени Т который определяется наличием низкого уровня напряжения, так как напряжение 0 в точке в, задаваемое высоким уровнем напряжения с выхода формирователя 8 и током с задатчика 10 напряжения смещения, в данный момент времени1больше, чем напряжение П в точке с 91(напряжения в точках В и с 5 соответствуют температурам 9 и 6 ).Напряжение на выходе ъ блока 11 также имеет низкий потенциап, благо- царя 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 И и пропорционального стабильному по величине напряжению П с выхода формирователя 8.В момент достижения термочувствительным резистором 3 температуры 89 (напряжение Пс эквивалентно 6) происходит изменение уровня напряжения на выходе усилителя 12 с низкого на высокий. На выходе ), также появляется сигнал, открывающий электронныйключ 19.При этом сигнал с выхода регулятора 15 напряжения поступает на вход1318818 суммирующего усилителя 9, которыйсовместно с напряжением П формирователя 8 определяет мощность Х навтором интервале времени ТСхема 13 задержки в течение первого интервала времени производит измерение и запоминание длительностипервого интервала времени Т, поокончании которого формирует задержанный импульс низкого уровня длитель ностью Т= Т, .Под действием электрического тока,определяющего мощность И , термочувствительный резистор 3 продолжаетнагреваться до температуры 9 . При 15этом напряжение на нем изменяется отуровня П до уровня 11 . Уровень Озадается в точке 5 также, как и уровень О в точке ю, напряжением Пфс выхода формирователя 8 и током с 20задатчика 10 напряжения смещения.При достижении термочувствительнымрезистором 3 температуры 0 происходит изменение уровня напряжения навыходах усилителя 7 и формирователя 8, 25На выходе формирователя 8 устанавливается низкий уровень напряжения Пф .Низкий уровень устанавливается и навыходеблока 11, под действием которого электронный ключ 19 закрывается, что говорит об окончании второгоинтервала времени Тг .Разность длительностей Тг и Тможет принять три значения: Тг- Т О,Т- Т= 0 и Тг - Т О, При Тг - Т,10 35сигнал, длительность которого пропорциональна разности длительностейпервого и второго интервалов времени,возникает на выходе Э логическогоэлемента 14. Если Т - Т с О, то аналогичный сигнал возникает на выходеР. При равенстве длительностей первого и второго интервалов времени(Т 1 - Т = 0) на выходах д и е сигналы не возникают. 45Под действием сигналов с выходов8 и е открывается либо коммутирующийэлемент 16, либо коммутирующий элемент17 регулятора 15 напряжения, подаваяна вход интегратора 18 разнополярное 50напряжение, под действием которогоувеличивается или уменьшается напряжение на выходе интегратора 18.В случае, когда Т - ТО (цикл А,фиг,3), изменение вьделяемой мощности на термочувствительном резисторе3 начинается сразу после окончаниядлительности Т в течение дли ьадтельности импульса на выходе д,6Если Тг - Т = 0 (цикл Б), коммутирующие элементы 16 и 17 закрыты и интегратор 18 регулятора 15 напряжения не изменяет своего выходного напряжения.Когда Тг - Т(0 (цикл В), воздействие измененного тока начинается только на следующем цикле.фазировку реверсивных входов регулятора 15 напряжения выбирают таким образом, что в случае увеличения длительности второго интервала времени больше длительности Т, = Т, т.е. когда Т - Т О, происходит увеличение мощности И пб отношению к рангнему значению и, наоборот, уменьшение . мощности М при Тг - Т (О, т.е. осу 1ществляется отрицательная обратная связь по изменению разности Тг - Т Тогда за несколько циклов работы вакуумметра наступает равенство первого и второго интервалов времени.После достижения термочувствительным резистором 3 температуры 8 на выходах формирователя 8 и суммирующего усилителя 9 устанавливаются низкие уровни напряжений О,ф и О . При этомфнв точке б устанавливается напряжениесоответствующее температуре 6, термочувствительного резистора 3, а в точке ю напряжение О ) П , так какУ температура термочувствительного резистора 3 за короткое время изменения сигнала на выходе суммирующего усилителя 9 не успевает измениться от значения 6. Использование задатчика 10 напряжения смещения, полярность которого противоположна полярности напряжения на выходе формирователя 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 О .Состояние схемы после достижения температуры 61(фиг.3) и установления низкого уровня на выходах формирователя 8 и суммирующего усилителя 9 устойчиво до тех пор, пока температура термочувствительного резистора не упадет до значения 8,. При температуре В, напряжение на термочувствительном резисторе (точка а) становится равным напряжению П (точка Ь) и при малейшем дальнейшем охлаждении резистора 3 происходит смена полярности на дифференциальном входе уси-.лителя 7, благодаря чему на его выходе и выходах формирователя 8 и суммирующего усилителя 9 устанавливаются уровни напряжений, определяющиемощность М,5Далее работа вакуумметра происходит циклично во времени.Период измерения, согласно выражению (1), зависит от постоянной времени манометрическо 1 о преобразовате Оля,величины давления, температурыгазовой среды, диапазона изменениятемпературы нити преобразователя иподводимой мощности. Разработчик может влиять на период измерения, выбирая диапазон изменения температурыи подводимую мощность. Выбор величины изменения температуры влияет какна время охлаждения нити преобразователя после выключения перегревающего 20тока, так и на требования к стабильности входных параметров усилителей7 и 12,Быстродействие устройства составляет величину порядка от десятков 25миллисекунд до единиц секунд в зависимости от диапазона измеряемогодавления.Вакуумметр нуждается в индивидуальной градуировке традиционными способами,Формула изобретения1. Способ измерения вакуума, основанный на нагревании и охлаждениитермочувствительного резистора манометрического преобразователя путемпериодического включения и выключенияперегревающего его относительно температуры газовой среды электрическогопостоянного тока, о т л и ч а ю - 40щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влия-:ния температуры газовой среды, включают перегревающий ток, измеряют еговеличину, производят измерение длительности интервала времени, в течение которого температура термочуствительного резистора изменится от первого исходного значения на нормированную величину, выключают перегревающий ток, охлаждают термочувствительный резистор до температуры ниже второго исходного значения, не равногопервому, включают перегревающий ток,измеряют длительность интервала времени, в течение которого температуратермочувствительного резистора возрастет от второго исходного значенияна ту же нормированную величину, периодически включают и выключают перегревающий ток, регулируют при этом его величину до тех пор, пока длительность 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 формулед 8 игде 1 - коэффициент пропорциональности;йМ - разность мощностей, выделяющихся на термочувствительном резисторе;6 и - разность исходных значенийтемператур.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, о т л и ч а ю щ ее с я . тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влияния чзменений температуры газовой среды, в него введены суммирующий усилитель, блок выделения интервалов времени, регулятор напряжения, электронный ключ и задатчик напряжения смешения, 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 напряжения смешения подключен к вершине измерительной диагонали моста.