CS270946B1

CS270946B1 - Device for gases' low pressures measuring

Info

Publication number: CS270946B1
Application number: CS876580A
Authority: CS
Inventors: Jan Ing Csc Kuba; Pavel Ing Kasal
Original assignee: Jan Ing Csc Kuba; Pavel Ing Kasal
Priority date: 1987-09-10
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1990-08-14
Also published as: CS658087A1

Abstract

The simple equipment solves the high accuracy of pressure evaluation from alternating voltage intensity. Between a rigid input electrode (3) and a rigid output electrode (4) a membrane (2) is placed. The rigid input electrode (3) is connected to a generator (1) of the time-variable exciting voltage; the frequency is equal to the value of the membrane (2) mechanical resonance frequency. The rigid output electrode (4) is connected to an alternating voltage meter (8). The membrane (2) can be made of metal or non-metal, with a deposited electro-conductible layer or it is created by a charged electret. In the first two cases it must be connected through a separating unit (5) with a source (6) of a direct polarisation voltage.<IMAGE>

Description

(54)(54)

KUBA JAN ing. CSc, PRAHA,KUBA JAN ing. CSc, PRAGUE,

KASAL PAVEL ing., BRANDÝS NAD LABEMKASAL PAVEL ing., BRANDYS NAD LABEM

Zařízení pro měření nízkých tlaků plynůEquipment for measuring low gas pressures

Je řešeno jednoduché zařízení, vykazující velkou přesnost vyhodnocování tlaku z velikosti střídavého napětí. Mezi pevnou vstupní elektrodou /3/ a pevnou výstupní elektrodou /4/ je umístěna membrána /2/. Vstupní pevná elektroda /3/ je připojena ke generátoru /1/ Časově proměnného budicího napětí, jehož frekvence je rovna hodnotě mechanické rezonanční frekvence membrány /2/. Pevná výstupní elektroda /4/ je připojena k měřiči /8/ střídavého napětí. Membrána /2/ může být kovová nebo nekovová s nanesenou elektricky vodivou vrstvou nebo je tvořena nabitým elektretem. V prvních dvou případech musí být spojen přes oddělovací člen /5/ se zdrojem /6/ stejnosměrného polarizačního napětí.A simple device is provided which shows high accuracy of pressure evaluation from the AC voltage. A membrane (2) is disposed between the fixed input electrode (3) and the fixed output electrode (4). The input fixed electrode (3) is connected to a time-varying excitation voltage generator (1) whose frequency equals the mechanical resonance frequency of the diaphragm (2). The fixed output electrode (4) is connected to an AC voltage meter (8). The diaphragm (2) may be metallic or non-metallic with an electrically conductive coating applied thereto, or may be a charged electret. In the first two cases, it must be connected via a decoupling member (5) to a source (6) of direct polarizing voltage.

cs 270 946 ,ΒΙcs 270 946, no

CS 270 946 81CS 270 946 81

Vynález se týká zařízení pro měření nízkých tlaků plynů využívající membránu.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for measuring low gas pressures using a membrane.

Dosud známá zařízení pro měření nízkých tlaků plynů využívající membránu v principu využívají statické deformace pružné membrány, přičemž z velikosti deformace určené optic- . kou, elektrickou, magnetickou nebo jinou indikaci se stanoví odpovídající tlak, případně rozdíl tlaků mezi dvěma oddělenými prostory. Nedostatky membránových vakuometrů tohoto typu spočívají zejména v poměrně komplikovaném způsobu indikace deformace membrány a obvykle nižší citlivosti a přesnosti měření.The prior art low pressure gas measurement devices employing a diaphragm in principle utilize static deformations of the resilient diaphragm, with the optical-deformation being the magnitude of the deformation. The corresponding pressure, or the pressure difference between two separate spaces, is determined by means of an electrical, magnetic, or other indication. The drawbacks of membrane vacuum gauges of this type reside in particular in the relatively complicated way of indicating membrane deformation and usually lower sensitivity and measurement accuracy.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro měření nízkých tlaků plynů využívající membránu, podle vynálezu. Podstatou tohoto zařízení je, že membrána je umístěna mezi pevnou vstupní a pevnou výstupní elektrodou. Mezi pevnou vstupní elektrodu a membránu je připojen generátor časově proměnného budicího napětí. Pevná výstupní elektroda je na opačné straně membrány připojena к měřiči střídavého napětí. Pokud je membrána kovová nebo nekovová s nanesenou elektricky vodivou vrstvou, pak mezi membránu a druhou elektrodu je přes oddělovací člen, například režistor, připojen zdroj stejnosměrného polarizačního napětí. V případě, že je membrána tvořena elektretem s trvalým nábojem, zdroj stejnosměrného napětí není zapojen a je nahrazen vodivým spojením. Pro dosažení dostatečné citlivosti uspořádání podle vynálezu je nutné, aby frekvence časově proměnného budicího napětí byla shodná s mechanickou rezonanční frekvencí uvedené membrány. V tomto případě je amplituda kmitů membrány největší a je také největší citlivost soustavy na změny tlaku prostředí.These disadvantages are overcome by the low pressure gas pressure measuring device using the membrane according to the invention. The essence of this device is that the diaphragm is positioned between the fixed inlet and fixed outlet electrodes. A time-varying excitation voltage generator is connected between the fixed input electrode and the diaphragm. The fixed output electrode is connected to the AC voltage meter on the opposite side of the diaphragm. If the membrane is metallic or non-metallic with an electrically conductive layer applied, a DC polarization voltage source is connected between the membrane and the second electrode via a separating member, for example a transistor. In the case of a diaphragm consisting of a permanently charged electret, the DC voltage source is not connected and is replaced by a conductive connection. In order to obtain sufficient sensitivity of the arrangement according to the invention, it is necessary that the frequency of the time-varying excitation voltage coincides with the mechanical resonance frequency of said membrane. In this case, the vibration amplitude of the diaphragm is greatest and the system is also most sensitive to changes in ambient pressure.

Výhodou navrhovaného zařízení pro měření nízkých tlaků plynů podle vynálezu je jednoduchost a přesnost vyhodnocování měřené veličiny, to je střídavého napětí, jehož velikost po ocejchování stupnice slouží pro přímý odečet tlaku. Další výhodou je to, že závislost měřeného střídavého napětí na tlaku je v určitém rozsahu tlaků přibližně lineární.The advantage of the proposed low pressure gas measurement device according to the invention is the simplicity and accuracy of the measurement value measurement, that is to say the AC voltage, which after calibrating the scale serves for direct pressure reading. Another advantage is that the dependence of the measured AC voltage on the pressure is approximately linear over a certain pressure range.

Vynález je blíže popsán na příkladu jeho provedení podle obr. 1. Na obr. 2 je vynesena závislost hodnoty výstupního napětí na tlaku plynu.The invention is described in more detail with reference to the embodiment of FIG. 1. FIG. 2 shows the output voltage versus gas pressure.

Mezi pevnou vstupní elektrodou 2 ^a pevnou výstupní elektrodou £ je umístěna membrána 2. Mezi pevnou vstupní elektrodou 2 ^a membránu 2 Ó^e připojen generátor 2 časově proměnného budicího napětí..Mezi pevnou výstupní elektrodu £ a membránu 2 je přes oddělovací člen 2» například režistor, připojen zdroj £ stejnosměrného polarizačního napětí. Paralelně ke zdroji 2 stejnosměrného polarizačního napětí a oddělovací člen 6 je připojen měřič jB střídavého napětí v sérii s oddělovacím kapacitorem 2· ^v praxi bývá tento kapacitor 7 součástí m ěřiče 2 střídavého napětí.Between the fixed input electrode 2 ^{and the} fixed electrode output £ membrane is disposed between the second fixed input electrode 2 ^{and the} diaphragm 2 O 2 generator ^E connected time-varying excitation napětí..Mezi £ fixed output electrode and the membrane 2 over the partition member 2 »as resistors A DC polarizing voltage source 6 is connected. In parallel to the DC source 2 of the polarizing voltage and the isolation member 6, an AC voltage meter B is connected in series with the isolation capacitor 2. ^In practice this capacitor 7 is part of the AC voltage meter 2.

Nízkofrekvenční časové proměnné napětí je přiváděno z generátoru 2 časově proměnného budicího napětí mezi pevnou vstupní elektrodu 2 elektromechanické soustavy a membránu 2 ^a způsobí rozkmitání této membrány 2. Mezi pevnou výstupní elektrodu £ a membránou 2 Ó^e připojen zdroj £ stejnosměrného polarizačního napětí, které je přiváděno přes oddělovací člen 5. Na pevné výstupní elektrodě £ je snímáno výstupní střídavé napětí pomocí měřiče £ střídavého napětí, který je к pevné výstupní elektrodě £ připojen v tomto případě přes oddělovací kapacitor 2· ^v případě, že membránu 2 tvoří nabitý elektret, zdroj £ stejnosměrného polarizačního napětí není zapojen a je nahrazen vodivým spojením. Dojde-li к vychýlení membrány 2 к pevné vstupní elektrodě 2» kapacita kondenzátoru tvořeného membránou 2 a pevnou výstupní elektrodou £ poklesne a naopak. Časově proměnné napětí přiváděné na pevnou vstupní elektrodu 2 ^se tedy projeví ve změnách kapacity kondenzátoru tvořeného membránou 2 a pevnou výstupní elektrodou £. Za těchto okolností a díky polarizačnímu napětí vzniká na pevné výstupní elektrodě £ střídavé napětí. Velikost střídavého napětí závisí na velikosti nízkofrekvenčního časově proměnného napětí a na velikosti stejnosměrného polarizačního napětí a na hustotě prostředí, v němž membrána 2 kmitá. Podstata měření tlaku p plynu v okolí definovaně·předepjaté ^membrány 2 určité2Low-frequency time-variable voltage is supplied from the generator 2 to the time-varying excitation voltage between the input electrode 2 fixed electromechanical system and the diaphragm ^{2, and} causes vibration of the membrane 2. Between the fixed output electrode and the membrane 2 £ O £ ^e connected to the source of direct polarization voltage, which is supplied The output AC voltage is sensed on the stationary output electrode 6 by means of an AC meter 6 which is connected to the stationary output electrode 6 in this case via a separating capacitor 2, ^{in the} case where the diaphragm 2 is a charged electret, a DC source 6 The polarization voltage is not connected and is replaced by a conductive connection. When the diaphragm 2 is deflected to the fixed input electrode 2, the capacitor formed by the diaphragm 2 and the fixed output electrode 6 decreases and vice versa. The time-varying voltage applied to the fixed input electrode 2 ^is therefore reflected in changes in capacitance of the capacitor formed by the diaphragm 2 and the fixed electrode output £. In these circumstances, and due to the polarizing voltage, an alternating voltage is generated at the fixed output electrode 6. The magnitude of the AC voltage depends on the magnitude of the low-frequency time-varying voltage, the magnitude of the DC polarization voltage, and the density of the environment in which the membrane 2 oscillates. The essence of measuring the gas pressure p in the vicinity of a defined prestressed membrane 2 of a certain2

CS 270 946 B1 ho druhu spočívá v tom, že při mechanické rezonanci membrány 2, to je při konstantním časově proměnném budicím napětí, konstantním stejnosměrném polarizačním napětí a pro daný druh plynného prostředí, vykazuje výstupní napětí výraznou závislost na tlaku p plynu obklopujícího membránu 2. Kmity membrány 2 jsou tlumeny tím méně, čím méně molekul plynu na membránu 2 dopadá.CS 270 946 B1 is characterized in that at mechanical resonance of the diaphragm 2, i.e. at a constant time-varying excitation voltage, a constant DC polarization voltage and for a given type of gaseous medium, the output voltage exhibits a significant dependence on the pressure p of the gas surrounding the diaphragm. The oscillations of the membrane 2 are less attenuated as the less gas molecules hit the membrane 2.

Ze závislosti hodnoty výstupního napětí na tlaku p plynu, resp. vzduchu, je zřejmé, že citlivost metody je omezena v oblasti vyšších tlaků plynu, kde je amplituda kmitů při rezonanci membrány 2 vlivem vysokého útlumu nevýrazná, tudíž i hodnoty výstupního napětí, resp. jeho změny při změně tlaku plynu p,jsou velmi malé. V oblasti nízkých tlaků plynu je použitelnost tohoto uspořádání omezena tím, Že při dostatečně nízkých tlacích se fluktuace hodnoty tlaků projeví na změně amplitudy výstupního napětí nepatrně. Z těchto omezení vyplývá praktická použitelnost navrhovaného uspořádání pro měření nízkých tlaků plynů podle vynálezu v rozsahu .10° až 10“·⁵ Pa. Rozsah použitelnosti zařízení /pro měření nízkých tlaků plynů podle vynálezu bude záviset na provedení, elastických vlastnostech a rozměrech membrány.Depending on the output voltage value on the gas pressure p, resp. It is obvious that the sensitivity of the method is limited in the area of higher gas pressures, where the amplitude of oscillations at the resonance of the diaphragm 2 is insignificant due to the high attenuation, hence the values of the output voltage, respectively. its changes when the gas pressure p is changed are very small. In the field of low gas pressures, the applicability of this arrangement is limited by the fact that, at sufficiently low pressures, fluctuations in the pressure values will have a slight change in the amplitude of the output voltage. These limitations imply the practical applicability of the proposed low pressure gas measurement arrangement according to the invention in the range of 10 ° to 10 "· ⁵ Pa. The range of applicability of the low gas pressure measuring device according to the invention will depend on the design, elastic properties and dimensions of the membrane.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Apparatus for measuring low gas pressures with a membrane, characterized in that the membrane (2) is located between the fixed inlet electrode (3) and the fixed outlet electrode (4), wherein the inlet fixed electrode (3) is connected to the generator outlet (3) 1) of a time-varying excitation voltage, the frequency of which is equal to the mechanical resonance frequency of the diaphragm (2) and the fixed output electrode (4) is connected to an AC voltage meter (8).

Device for measuring low gas pressures according to claim 1, characterized in that the membrane (2) is metallic and connected via a separating member (5) to a source (6) of direct polarizing voltage.

3. The device for measuring low gas pressures according to claim 1, characterized in that the membrane (2) is non-metallic with an electrically conductive layer applied and is connected via a separating member (5) to a source (6) of direct polarizing voltage.

4. The device for measuring low gas pressures according to claim 1, characterized in that the membrane (2) is formed by a charged electret.