Теплоэлектрический вакуумметр сопротивления

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 С 01 Ь 21/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ п. с

/ gÑ,,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ g

Н А BTOPCHOMY CBHPJETEJlbCTBV

1 ь 14.

Ф

° Ф

° Ю ю (21) 3952795/24-10 (22) 12.09.85 (46) 30.12.86. Бюл. У 48 (72) Б.А. Джулай и В.Д. Зибров (53) 53!.788(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 434289, кл. G 01 L 21/12, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 595644, кл. G 01 L 21/12, 1978. (54) ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВАКУУИИЕТР

СОПРОТИВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении низких давлений газа. Цель изобретения — уменьшение погрешности измерения давления.

„„SU„„1280351 А 1

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 регистрирующим прибором 9. 2 ил.

128035!

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к теплоэлектрическим вакуумметрам сопротивления, и может быть использовано при измерении низких давлений газа. 5

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.

Тецлоэлектрический 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, фикси30 руюший значение длительности импульса на выходе формирователя 7.

Теплоэлектрический вакуумметр сопротивления работает следующим образом.

Необходимым условием нормальной работы вакуумметра является правильный выбор фазы между дифферЕнциальным входом усилителя 6 и выходом формирователя 7 опорных по амплитуде импульсов. Фаза выбирается таким образом, 40 чтобы знак фазы между точкой а и выходом формирователя 7 был отрицательным, а между точкой б и выходом формирователя 7 — положительным. На фиг. 1 формирователь 7 показан не

45 переворачиваюшим фазы, поэтому точка а подключена к инвертирующему входу усилителя 6, а точка б — к неинвертием его вход

pуюш у У

Рассмотрим работу вакуумметра в промежуток времени, когда напряжение на выходе формирователя 7 равно нулю, и схема находится в выключенном состоянии (интервал времени Т -1 „),Такое55 состояние схемы является устойчивым, благодаря действию постоянного напряжения смешения с выхода генератора 8 тактовых импульсов. Полярность задатчика 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 соответствуюший резистор к точке б. Такое задание напряжения 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-опс ределенной 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 выбирается из условия обеспечения требуемой рабочей температуры нити преобразователя 3 и зависит от напряжения смещения на выходе генератора 8 и амплитуды импульса на выходе форми рователя 7.

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

Поскольку полярность напряжения смещения противоположна полярности импульса с выхода формирователя 7, то действие положительной обратной связи через резисторы 4 и 5 всегда сильнее действия отрицательной обрат" ной связи через резистор 2 и сопротивление нити преобразователя 3, что позволяет увеличить перепад напряжения в точке б по отношению к перепаду напряжения в точке а и задать тем самым необходимую разницу напряжений.

Без напряжения смещения в моменты из1280351 менения напряжения на выходе формирователя 7 состояние схемы могло бы быть неопределенным, так как нить преобразователя 3 за малое время фронта импупьса не успевает изменить свое сопротивление.

После уменьшения до нуля напряжечия на выходе формирователя 7 нить (реобразователя 3 начинает охлаждать, я до прихода очередного тактового 10 импульса. Далее работа вакуумметра

:ротекает аналогично описанному.

В течение нескольких циклов работы вакуумметра нить манометрического 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 20 в результате теплообмена с окружающей средой. При этом длительность импульса на выходе формирователя 7 автоматически однозначно устанавливается в зависимости от значения давления газа.

Уравнение теппового баланса нити преобразователя в общем виде имеет следующее выражение: э (т те (1) 30 где Я „ — количество тепла, создаваемого в результате вьщеления на нити преобразователя электрической мощнос- ти;

Q, — количество тепла, отдаваето мого преобразователем в результате теплообмена с окружающей средой; — теплосодержание нити преоб-40 tc разователя.

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

Nt- 0(6н(С) — В,р)дС=шс f9>(t ) — 9„,j,(1 )

Р где N=I R — мгновенная электрическая н мощность питания преобразователя;

Х вЂ” ток, протекающий через преобразователь;

R — сопротивление нити преи образователя;

G, =bp — тепловая проводимость среды;

Ь вЂ” коэффициент пропорциональности; р — давление газа;

eÄ {t) — текущее значение температуры нити;

6 „ — температура окружающей среды;

m — масса нити; с — удельная теплоемкость материала нити;

Π— исходная температура нн нити.

Решение ингерального уравнения удобно выполнять операторным методом.

Тогда выражение (1 ) в операторной форме примет вид и 99 (ð) 9 .9., р р р

m(° 9.н (1 ) р

Решив выражение (1 ) относительно

0„(p), получим

Я+59 9., тс

G G е р(р+ - -)

mc

+ g

1 (2) р+ — вшс

Используя известные операторные соотношения, получаем зависимость изменения температуры во времени

6 {t)= Он„ехр(- — t)+ — (— -" °

G N+G н ни G (Р ) 9 + 1!(ни — се ) о

mc G

° f I-ехр(— — - t)) . (2 )

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

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

1!(9нн — (- 1 () G ". Г нВ ! 1-ехр нВ ч (- — (, ) (3) где 6 и Π— верхнее и нижнее значенЬ ни ния температуры нити преобразователя (фиг.2).

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

9 =9 -(9„,-9. I !в

-exp (— (.-t, )(} (4) где T — период следования тактовых О импульсов; — длительность импульса. !

Из выражений (3) и (4) получаем

N-(ни -Qc )G (1 (Яв )) е

mc

=(6„— 0 )(1-ехр(- -- (1,-t 1)} 15) 128035) температуры окружающей среды и постоянном периоде следования тактовых импульсов, прямо порпорционально измеряемому давлению. Регистрирующий грибор 9, фиксирующий значение длительности импульса на выходе формирователя 7, дает показания прямо пропорциональные измеряемому давлению, Применяя разложение функции х" ехр(х) в степенной ряд 1+ вЂ, и

l,1 и! ограничиваясь только первыми двумя членами разложения, так как период следования импульсов выбирается во много раз меньше постоянной времени

mc. преобразователя (C k — и (T -t,)

Ь 1

О щс

Q Ъ, †) чтобы нить сильно не охлади- 20

Ь лась в паузе между импульсами, а также принимая 8 6 = g выражейй " ИВ Н11 ние (5) можно записать в виде

"-(е - ) . а + =(8 -8 )" г5

Q . шс t +> Р е

"— (T -1 ), шс о где Й„р — рабочая температура нити1 откуда получаем (н11 - ) ° T Ь(нР-0 ) T

1 в Н (6)

Иэ выражения (6) видно, что средняя мощность, рассеиваемая на преоб; райователь 3, как и в прототипе рав-. на

ы. =я — t сФ Г о

Таким образом, значение длительности импульса на выходе формирователя 7 при постоянной величине мгновен40 ной электрической мощности, рассеиваемой нитью манометрического преобразователя 3 з процессе нагревания, постоянном перегреве относительно

Процессы нагревания и охлаждения протекают по экспоненциальному закону, поэтому всегда имеет место некоторая нелинейность в зависимости выходного сигнала от давления, которая

l тем больше, чем больше 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, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений, в него введен генератор тактовых импульсов с задатчиком 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.

1280351

Составитель Н, Богданова

Редактор Т. Парфенова Техред В.Кадар Корректор И. Зрдейи

Заказ 7049/41 Тираж 778 Подписное

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