Способ измерения вакуума и устройство для его осуществления

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А3 (19) (11) (51) 4 G 01 L 21/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ

I (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА И УСТ.РОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобрет.ния (21) 3952796/24-10 (22) 12.09.85 (46) 23.06.87. Бюл. Ф 23 (72) Б.А.Джулай, В.Д.Зибров и Б.И.Хмыз (53) 531 ° 787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11=. 909607, кл. С 01 L 21/12, 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 595644, кл. G 01 L 21/12, 1978 ° 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.

13188

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 термочувстви- 10 тельном резисторе; на фиг,2 — структурная схема теплоэлектрического вакуумметра, реализующего предлагаемый способ измерения вакуума; на фиг.3 эпюры напряжений на отдельных элемен- 15 тах схемы, поясняющие работу устройства, Теплоэлектрический вакуумметр, осуществляющий предлагаемый способ измерения вакуума, содержит измери- 20 тельный 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. 35

Теплоэлектрический манометрический преобразователь включен в плечо первой ветви измерительного моста 1, дифференциальный вход усилителя 7 подключен к измерительной диагонали мос- 40 та (точки ц и Б ), два входа блока 11 выделения интервалов времени подклю- . чены к измерительной диагонали моста (точки ь и м), третий его вход подключен к выходу формирователя 8 45 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-50 дам регулятора 15 напряжения и к управляющему входу электронного ключа

19 соответственно, выход регулятора

15 напряжения подключен к регистрирующему прибору 20 и через электронный 55 ключ 19 к первому входу суммирующего усилителя 9, второй вход которого подключен к выходу формирователя 8 опорных по амплитуде импульсов, выход

18 2 суммирующего 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 t„ включают постоянный электрический ток, под действием которого термочувствительный резистор начинает нагреваться (фиг. 1) .

В момент времени t термочувстви2 тельный резистор 3 нагревается до первого исходного значения температуры с „ и дальше температура на нем изменяется по закону электрическая мощность, выделяемая на термочувствительном резисторе в первом интервале времени; температура газовой средыj тепловая проводимость среды; коэффициент пропорциональности; давление газа; масса нити; удельная теплоемкость где N ср

С =bP материала нити; текущее значение времени, отсчитываемое от момента времени

Выражение (1) получено без учета потерь тепла за счет конвекции, излучения, теплопроводности через выводы термочувствительного резистора.

Температуры 6 термочувствительь, ный резистор 3 достигает за время

Т„ = t — t . Тогда из выражения (1) получаем

И„-(В„„-Е.р)С, Г Т, 9 = 9 + -"— — — -"- — — — — 1 — ехр(- - -) (2)

8„и„ G

Р "1

mc, где с= -- - тепловая постоянная вреG мени преобразователя.

После достижения термочувствительным резистором температуры 6 электь„ рический ток выключают и дают резистору охладиться ниже второго исходИ1-(8 и„Еср) Су Г Gg 9 (t) = 8 + — — — — — — — — 1-ехр(- — t (1)

1 С

В

mc (9и 9СР ) СО Т

e =e + -е — -ев — — — — 1-ехр(- -в)) (3)в а1 и G л (»

Если приращения температуры 46 на первом и втором интервалах времени одинаковы, то из выражений (2) и (3) (5 получаем

N — (6 в -Bc )Ge l Т,1

9 — 9 =n9-- — --" — — —— 1-ехр (- — );

Се

Ni (Ви Вс )Св Г Т 120

9 -9 =n8 =- — -- — — — — — — 1 -ехр (- — ), В2 и2 G

В г»

Откуда (и, (e„,-Вев )св) . (1 — ехр(- — )) = 2» (4, (e, — (e„eÄ)ee) (> — ехр(- - -)1.

Далее периодически включают и вы- 30 ключают электрический ток, давая возможность температуре термочувствительного резистора, изменяться при нагревании от второго исходного значения на нормированное приращение 46 » контролируют длительность второго интервала, времени Тв 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) получаем (9ц1 9ср )СО Ne (9ий 9ср)С9»

45 откуда

Ид — Ne nN

С

В

9uz 9и () 9„

Со так как P = — то

Ь

DN

P = К 9и (5) 1 где К=в

55

Следовательно, измеряя разность мощностей, выделившихся на термо3 13188 ного значения температуры Ви . Затем снова включают электрический ток и определяют длительность второго интервала времени Т>, за которое температура термочувствительного резис- 5 тора изменяется от значений 9я до значения g . Тогда из выражения (1) получаем

18 4 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 9 ср

Второе исходное значение температуры 9„ может выбираться как больше первого исходного значения темпера— туры BÄ„, так и меньше его. С уменьшением разности 9„ — 9„ = )(9„ точность измерения падает. Разность п9 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 9 (фиг.3), и схема переключается на нагревание термочувствительного резистора 3 в первом интервале времени T„. При этом на выходе формирователя 8 опорных по амплитуде импульсов формируется уровень напряжения Б

Усилитель 12 блока 11 выделяет первый интервал времени Т,, который определяется наличием низкого уровня напряжения, так как напряжение () в точке в» задаваемое высоким уровнем напряжения с выхода формирователя 8 и током с задатчика 10 напряжения смещения, в данный момент времени

1 больше, чем напряжение U в точке о

1 (напряжения в точках р и с(соответствуют температурам 9„ и 9„ ).

Напряжение на выходе ъ блока 11 также имеет низкий потенциап» благоцаря 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 пропор1 ционального стабильному по величине напряжению U с выхода формирователя 8.

В момент достижения термочувствительным резистором 3 температуры 9 (напряжение U эквивалентно B ) про— исходит изменение уровня напряжения на выходе усилителя 12 с низкого на высокий. На выходе ). также появляется сигнал, открывающий электронный ключ 19.

При этом сигнал с выхода регулятора 15 напряжения поступает на вход

1318818 суммирующего усилителя 9, который совместно с напряжением U формирователя 8 определяет мощность Х на 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 низкого уровня длитель40 ностью Т„ „„ = T, .

Под действием электрического тока, определяющего мощность N, термочувствительный резистор 3 продолжает нагреваться до температуры B . При 15 этом напряжение на нем изменяется от уровня U3 ро уровня U ° Уровень задается в точке 5 также, как и уровень U в точке а, напряжением Пф с выхода формирователя 8 и током с 20 задатчика 10 напряжения смещения.

При достижении термочувствительным резистором 3 температуры 8 происходит изменение уровня напряжения на выходах усилителя 7 и формирователя 8, 25

На выходе формирователя 8 устанавливается низкий уровень напряжения U

Низкий уровень устанавливается и на выходе блока 11, под действием которого электронный ключ 19 закрывает- З0 ся, что говорит об окончании второго интервала времени Т .

Разность длительностей Тг и T может принять три значения: Тг- Т„ О, Т - Т„= О и Тг — Т„О. При Тг — Т,>0 35 сигнал, длительность которого пропорциональна разности длительностей первого и второго интервалов времени, возникает на выходе B логического элемента 14. Если Т вЂ” Т„ 4 О, то ана- 40 логичный сигнал возникает на выходе

B. При равенстве длительностей первого и второго интервалов времени (T> — Т1 = О) на выходах д и е сигналы не возникают. 45

Под действием сигналов с выходов

8 и е открывается либо коммутирующий элемент 16, либо коммутирующий элемент

17 регулятора 15 напряжения, подавая на вход интегратора 18 разнополярное 50 напряжение, под действием которого увеличивается или уменьшается напряжение на выходе интегратора 18.

В случае, когда Т вЂ” Т„ О (цикл А, фиг.3), изменение вьделяемой мощнос- 55 ти на термочувствительном резисторе

3 начинается сразу после окончания длительности Т в течение дли ад тельности импульса на выходе д .

Если Тг — Т„ = О (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 T » = T„, т.е. когда Т вЂ” Т„ О, происходит увеличение мощности N пб отношению к ранг нему значению и, наоборот, уменьшение . мощности N при Тг — Т (О, т.е. осу1 ществляется отрицательная обратная связь по изменению разности Т вЂ” 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 V и У . При этом фн в точке 5 устанавливается напряжение соответствующее температуре 8 термочувствительного резистора 3, а

I в точке м напряжение U ) U, так как

3 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 5 по отношению к точке а .

Состояние схемы после достижения температуры B>(ôèã.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 термочувст- . вительном резисторе (точка а) становится равным напряжению U„ (точка Ь) и при малейшем дальнейшем охлаждении резистора 3 происходит смена полярности на дифференциальном входе уси-.

1318818 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 манометрическо1о преобразовате- 10 ля, величины давления, температуры газовой среды, диапазона изменения температуры нити преобразователя и подводимой мощности. Разработчик может влиять на период измерения, вы- 15 бирая диапазон изменения температуры и подводимую мощность. Выбор величины изменения температуры влияет как на время охлаждения нити преобразователя после выключения перегревающего 20 тока, так и на требования к стабильности входных параметров усилителей

7 и 12.

Быстродействие устройства составляет величину порядка от десятков 25 миллисекунд до единиц секунд в зависимости от диапазона измеряемого давления.

Вакуумметр нуждается в индивидуальной градуировке традиционными спо- 30 собами.

Формула и з обретения

1. Способ измерения вакуума, ос нованный на нагревании и охлаждении термочувствительного резистора манометрического преобразователя путем периодического включения и выключения перегревающего его относительно температуры газовой среды электрического постоянного тока, о т л и ч а ю — 40 шийся тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влия-: ния температуры газовой среды, включают перегревающий ток, измеряют его величину, производят измерение дли- 45 тельности интервала времени, в течение которого температура термочуствительного резистора изменится от первого исходного значения на нормированную величину, выключают перегрева- 50 ющий ток, охлаждают термочувствительный резистор до температуры ниже второго исходного значения, не равного первому, включают перегревающий ток, измеряют длительность интервала времени, в течение которого температура термочувствительного резистора возрастет от второго исходного значения на 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 формуле ЬИ 8и где k — коэффициент пропорциональности

dN — разность мощностей, выделяющихся на термочувствительном резисторе; д6и — 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, о т л и ч а ю щ ее с я . тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влияния изменений 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 °

1318818

dye а

Hag

8п

8ср

Фиа1 а

Составитель В.Шестак

Редактор И.Николайчук Техред А.Кравчук

Корректор И.Муска

Заказ 2499/33 Тираж 776

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r Ужгород, ул. Проектная, 4