RU2427812C1

RU2427812C1 - Thermal-conductivity vacuum gauge

Info

Publication number: RU2427812C1
Application number: RU2010113487/28A
Authority: RU
Inventors: Роман Александрович Поветкин (RU); Роман Александрович Поветкин; Валерий Элезарович Дрейзин (RU); Валерий Элезарович Дрейзин; Валентин Геннадьевич Поляков (RU); Валентин Геннадьевич Поляков; Валерьян Алексеевич Пиккиев (RU); Валерьян Алексеевич Пиккиев
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2011-08-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: thermal-conductivity vacuum gauge includes analogue-to-digital converter, analogue commutator, microprocessor, digital indication and interface devices; at that, two thermal resistors heated with electric current are placed into vacuum chamber, each of which is connected to one of two individual bridge circuits; one branch of each bridge circuit consists of in-series connected thermal resistor and reference resistor corresponding to it, and the second branch is formed of pair of constant resistors; one operational amplifier the inputs of which are connected to measuring diagonal of the appropriate bridge circuit and output is connected to diagonal of its power supply is introduced in addition to each of bridge circuits so that change of supply voltage of bridge circuit, which is caused by its imbalance, can lead to its balancing owing to changing the current of warming of thermal resistor; at that, input of analogue-to-digital converter is connected in turn by means of commutator to reference resistor of each bridge circuit.

EFFECT: sufficient improvement of quick action of vacuum gauge.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения среднего и низкого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 0,1 до 10⁵ Па.The invention relates to techniques for measuring medium and low vacuum and can be used to create vacuum gauges with measurement limits from 0.1 to 10 ⁵ Pa.

Известен теплоэлектрический способ измерения вакуума, при котором абсолютное давление в вакуумной камере определяется по величине теплоотдачи нагреваемого электрическим током тела в разреженном газе [1-3]. Применяются две модификации этого способа: режим постоянства тока накала и режим постоянства температуры нагрева. Нагреваемым телом является металлический или полупроводниковый терморезистор, через который пропускается регулируемый электрический ток.Known thermoelectric method for measuring vacuum, in which the absolute pressure in the vacuum chamber is determined by the magnitude of the heat transfer of the electric-heated body in a rarefied gas [1-3]. Two modifications of this method are used: the mode of constant current heating and the mode of constant heating temperature. The heated body is a metal or semiconductor thermistor through which a regulated electric current is passed.

Основным источником погрешностей теплоэлектрических вакуумметров является непостоянство температуры окружающей среды, поскольку теплоотдача нагретого тела в окружающую газовую среду пропорциональна не абсолютной температуре нагретого тела, а разности температур нагретого тела и окружающей среды.The main source of errors in thermoelectric vacuum gauges is the variability of the ambient temperature, since the heat transfer of a heated body to the surrounding gas environment is proportional not to the absolute temperature of the heated body, but to the temperature difference between the heated body and the environment.

Известные способы компенсации этой погрешности [3-5], основанные на измерении температуры окружающего газа с помощью дополнительного терморезистора и соответствующей корректировке температуры нагрева основного (нагреваемого электрическим током) терморезистора, не обеспечивают полной термокомпенсации в широком диапазоне измеряемых давлений и температур окружающего газа. Способ полного исключения этой погрешности предложен в заявке N2008114989 [6]. Там же описана возможная схема вакуумметра, реализующая этот способ. В ней нагреваемый терморезистор включен в мостовую измерительную схему с переключаемыми вспомогательными плечами, подобранными таким образом, чтобы обеспечивался баланс мостовой схемы при сопротивлениях терморезистора, соответствующих двум заданным температурам его нагрева, заведомо превышающим максимально возможную температуру окружающего газа, а в измерительную диагональ моста включен операционный усилитель, выходное напряжение которого является напряжением питания этой мостовой схемы. Поскольку в данной заявке реализуется тот же способ компенсации температурной погрешности, то именно данное техническое решение принимается за прототип. В его измерительной схеме переключение вспомогательных плеч уравновешиваемого моста позволяет попеременно обеспечивать нагрев терморезистора до двух выбранных температур. После каждого переключения необходимо ожидать до тех пор, пока температура нагрева терморезистора достигнет заданного значения, и после этого производить измерение. При этом известно также, что на низких измеряемых давлениях терморезистор имеет большую инерционность [7]. Все это приводит к низкому быстродействию прототипа: при малых давлениях (0,1-1 Па) измерения длятся около 5 минут, при больших (50-100 Па) - около 30 секунд. Таким образом, большая инерционность прототипа является основным его недостатком.Known methods of compensating for this error [3-5], based on measuring the temperature of the surrounding gas using an additional thermistor and the corresponding adjustment of the heating temperature of the main (electric current) thermistor, do not provide full thermal compensation in a wide range of measured pressures and ambient gas temperatures. A way to completely eliminate this error is proposed in the application N2008114989 [6]. A possible vacuum gauge circuit implementing this method is also described there. In it, the heated thermistor is included in the bridge measuring circuit with switchable auxiliary arms, selected in such a way that the bridge circuit is balanced at the resistance of the thermistor corresponding to two given temperatures of its heating, obviously exceeding the maximum possible ambient temperature, and an operational amplifier is included in the measuring diagonal of the bridge whose output voltage is the supply voltage of this bridge circuit. Since this application implements the same method of compensating for temperature errors, this particular technical solution is taken as a prototype. In his measuring scheme, switching the auxiliary arms of the balanced bridge allows the thermistor to be heated alternately to two selected temperatures. After each switching, it is necessary to wait until the heating temperature of the thermistor reaches the set value, and then measure. It is also known that at low measured pressures the thermistor has a large inertia [7]. All this leads to a low speed prototype: at low pressures (0.1-1 Pa), measurements last about 5 minutes, at large (50-100 Pa) - about 30 seconds. Thus, the large inertia of the prototype is its main drawback.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение быстродействия вакуумметра, использующего способ устранения влияния вариаций температуры окружающей среды путем измерения мощности теплового рассеяния нагреваемого терморезистора при двух различных фиксированных температурах терморезистора, превышающих максимально возможную температуру окружающего газа, и вычисления дифференциального коэффициента теплового рассеяния нагреваемого терморезистора, независящего от температуры окружающего газа, по величине которого судят о величине измеряемого давления.The technical problem to which the present invention is directed is to increase the speed of a vacuum gauge using a method of eliminating the influence of ambient temperature variations by measuring the heat dissipation power of a heated thermistor at two different fixed temperatures of the thermistor exceeding the maximum possible temperature of the surrounding gas, and calculating the differential coefficient of thermal dispersion heated thermistor independent of ambient temperature gas, the value of which is judged on the value of the measured pressure.

Указанная задача решается путем использования вместо одного нагреваемого терморезистора двух одинаковых терморезисторов, каждый из которых включается в две независимые друг от друга мостовые схемы, резисторы вспомогательных плечей которых подобраны так, чтобы баланс первой мостовой схемы обеспечивался при сопротивлении терморезистора, соответствующем первой заданной температуре нагрева, а баланс второй схемы - при сопротивлении терморезистора, соответствующем второй заданной температуре, при этом заданные температуры превышают температуру окружающей среды, а в измерительную диагональ каждого из мостов включено по операционному усилителю, выходное напряжения которых является напряжением питания соответствующей мостовой схемы.This problem is solved by using instead of one heated thermistor two identical thermistors, each of which is included in two independent bridge circuits, the auxiliary arm resistors of which are selected so that the balance of the first bridge circuit is ensured when the resistance of the thermistor corresponds to the first specified heating temperature, and the balance of the second circuit is when the resistance of the thermistor corresponds to the second specified temperature, while the specified temperatures exceed t mperaturu environment, and the measuring diagonal of each bridge included at the operational amplifier output voltage which is a supply voltage corresponding to the bridge circuit.

Измерительная схема теплоэлектрического вакуумметра приведена на чертеже. Она состоит из двух первичных преобразователей 1 и 2, состоящих из терморезисторов R_T1 и R_T2, вакуумно-плотно соединяемых с вакуумной камерой, в которой необходимо измерять давление остаточного газа; двух мостовых схем (одна из ветвей первого моста образована терморезистором R_T1 и образцовым термонезависимым резистором R_Э1, а вторая постоянная ветвь - постоянными резисторами R₁ и R₂, соответственно одна из ветвей второго моста образована терморезистором R_T2и образцовым термонезависимым резистором R_Э2, а вторая постоянная ветвь - постоянными резисторами R₃ и R₄); операционного усилителя 3, вход которого включен в измерительную диагональ первой мостовой схемы инвертирующим входом к образцовому резистору R_Э1, неинвертирующим - к резистору R₁, а выходное напряжение является напряжением питания данной мостовой схемы; операционного усилителя 4, вход которого включен в измерительную диагональ второй мостовой схемы инвертирующим входом к образцовому резистору R_Э2, а неинвертирующим - к резистору R₃, а выходное напряжение является напряжением питания данной мостовой схемы; аналогового коммутатора 5, обеспечивающего попеременное подключение эталонных резисторов мостовых схем R_Э1 и R_Э2 к аналого-цифровому преобразователю 6, выход которого подключен к сигнальному входу микропроцессора 7; цифрового индикационного устройства 8 и интерфейсного устройства 9. Первый управляющий выход микропроцессора 7 подключен к управляющему входу аналогового коммутатора 5, второй управляющий выход - к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 6, а сигнальный цифровой выход - к цифровому индикационному устройству 8 и интерфейсному устройству 9, предназначенному для сопряжения с системой верхнего уровня.The measuring circuit of the thermoelectric vacuum gauge is shown in the drawing. It consists of two primary transducers 1 and 2, consisting of thermistors R _T1 and R _T2 , vacuum-tightly connected to a vacuum chamber, in which it is necessary to measure the pressure of the residual gas; two bridge circuits (one of the branches of the first bridge is formed by a thermistor R _T1 and an exemplary thermally independent resistor R _E1 , and the second constant branch is formed by constant resistors R ₁ and R ₂ , respectively, one of the branches of the second bridge is formed by a thermistor R _T2 and an exemplary thermally independent resistor R _E2 , and the second constant branch - constant resistors R ₃ and R ₄ ); operational amplifier 3, the input of which is included in the measuring diagonal of the first bridge circuit with an inverting input to the model resistor R _E1 , non-inverting to the resistor R ₁ , and the output voltage is the supply voltage of this bridge circuit; operational amplifier 4, the input of which is included in the measuring diagonal of the second bridge circuit with an inverting input to the model resistor R _E2 , and non-inverting to the resistor R ₃ , and the output voltage is the supply voltage of this bridge circuit; analog switch 5, providing alternating connection of the reference resistors of the bridge circuits R _E1 and R _E2 to analog-to-digital Converter 6, the output of which is connected to the signal input of microprocessor 7; digital indicating device 8 and interface device 9. The first control output of the microprocessor 7 is connected to the control input of the analog switch 5, the second control output to the control input of the analog-to-digital converter 6, and the digital signal output to the digital indicating device 8 and the interface device 9, designed to interface with the upper level system.

Теплоэлектрический вакуумметр работает следующим образом. Микропроцессор 7 с помощью аналогового коммутатора 5 попеременно подключает к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя 6 образцовый резистор R_Э1 из первой мостовой схемы и образцовый резистор из второй мостовой схемы R_Э2. Сопротивления резисторов в плечах первой мостовой схемы подобраны так, чтобы мостовая схема уравновешивалась при величине сопротивления терморезистора R_T1, соответствующей первой заданной температуре Т₁, а сопротивления в плечах второй мостовой схемы - так, чтобы мостовая схема уравновешивалась при величине сопротивления терморезистора R_T2, соответствующей второй заданной температуре T₂. Поскольку в начальный момент температуры терморезисторов равны температуре в вакуумной камере θ<T₁, Т₂, то величина сопротивлений терморезистора R_T1и R_T2будет больше расчетных значений, соответствующих балансу мостовых схем, и они окажутся разбалансированными (здесь рассматривается случай использования полупроводниковых терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом). Напряжение разбаланса мостовых схем усиливается операционными усилителями 3 и 4 соответственно и подается на диагональ питания мостовых схем. Поскольку коэффициент усиления операционных усилителей достаточно высок, то их выходное напряжение при разбалансе мостовых схем стремится к максимально возможному значению, и через плечи мостовых схем, в том числе и через терморезисторы R_T1 и R_T2 протекает максимальный ток, под действием которого терморезисторы быстро разогреваются. По мере разогрева их сопротивления приближаются к расчетным значениям для установленных температур T₁ и T₂, и напряжение разбаланса мостовых схем уменьшается, а значит, уменьшаются и напряжения питания мостовых схем, и токи, протекающие через терморезисторы. Поэтому их температуры устанавливаются равными расчетным за минимально возможное время. Аналого-цифровой преобразователь 6 циклически (например, с интервалом в 1 с) попеременно измеряет падение напряжения на образцовых резисторах R_Э1 и R_Э2, включенных последовательно с соответствующими терморезисторами R_T1и R_T2. Это напряжение будет пропорционально току, проходящему через соответствующий терморезистор. Микропроцессор 7 для каждого терморезистора отдельно сравнивает результаты измерений, получаемые с аналого-цифрового преобразователя 6 за несколько последних циклов, и если они перестают изменяться, то это означает, что мостовые схемы достигли равновесия, а следовательно, первый терморезистор разогрет точно до температуры T₁, а второй - до температуры Т₂. По измеренному падению напряжения на образцовом сопротивлении R_Э1 определяется величина тока, протекающего через него и через терморезистор R_T1, она возводится в квадрат и умножается на расчетное значение сопротивления R_T1, соответствующее температуре Т₁, которое хранится в памяти микропроцессора. Тем самым определяется электрическая мощность, рассеиваемая на терморезисторе при температуре

. Аналогично по измеренному падению напряжения на образцовом сопротивлении R_Э2 определяется величина тока, протекающего через него и через терморезистор R_T2, она возводится в квадрат и умножается на расчетное значение сопротивления R_T2, соответствующее температуре Т₂, которое хранится в памяти микропроцессора. Тем самым определяется электрическая мощность, рассеиваемая на втором терморезисторе при температуре

Затем по формулеThermoelectric vacuum gauge operates as follows. The microprocessor 7 using an analog switch 5 alternately connects to the signal input of the analog-to-digital converter 6 a model resistor R _E1 from the first bridge circuit and a model resistor from the second bridge circuit R _E2 . The resistors in the arms of the first bridge circuit are selected so that the bridge circuit is balanced when the resistance value of the thermistor R _T1 corresponds to the first specified temperature T ₁ , and the resistance in the arms of the second bridge circuit so that the bridge circuit is balanced when the resistance value of the thermistor R _T2 , corresponding to the second predetermined temperature T ₂ . Since at the initial moment the temperatures of the thermistors are equal to the temperature in the vacuum chamber θ <T ₁ , T ₂ , the resistance values of the thermistor R _T1 and R _T2 will be greater than the calculated values corresponding to the balance of the bridge circuits, and they will be unbalanced (here we consider the case of using semiconductor thermistors with negative temperature coefficient). The unbalance voltage of the bridge circuits is amplified by operational amplifiers 3 and 4, respectively, and is fed to the diagonal of the power supply of the bridge circuits. Since the gain of operational amplifiers is quite high, their output voltage tends to the maximum possible value when the bridge circuits are out of balance, and the maximum current flows through the shoulders of the bridge circuits, including the R _T1 and R _T2 thermistors, which quickly heat up the thermistors. As their resistance heats up, they approach the calculated values for the set temperatures T ₁ and T ₂ , and the unbalance voltage of the bridge circuits decreases, which means that both the supply voltage of the bridge circuits and the currents flowing through the thermistors decrease. Therefore, their temperatures are set equal to the calculated for the minimum possible time. The analog-to-digital Converter 6 cyclically (for example, with an interval of 1 s) alternately measures the voltage drop across the model resistors R _E1 and R _E2 , connected in series with the corresponding thermistors R _T1 and R _T2 . This voltage will be proportional to the current passing through the corresponding thermistor. The microprocessor 7 for each thermistor separately compares the measurement results obtained from the analog-to-digital converter 6 over the last few cycles, and if they stop changing, this means that the bridge circuits have reached equilibrium, and therefore, the first thermistor is warmed up exactly to temperature T ₁ , and the second to a temperature of T ₂ . From the measured voltage drop across the model resistance R _E1 , the current flowing through it and through the thermistor R _T1 is determined, it is squared and multiplied by the calculated value of the resistance R _T1 corresponding to temperature T ₁ , which is stored in the microprocessor's memory. This determines the electrical power dissipated by the thermistor at temperature

. Similarly, from the measured voltage drop across the model resistance R _E2 , the current flowing through it and through the thermistor R _T2 is determined, it is squared and multiplied by the calculated value of the resistance R _T2 corresponding to temperature T ₂ , which is stored in the microprocessor's memory. This determines the electric power dissipated on the second thermistor at a temperature

Then according to the formula

микропроцессор рассчитывает дифференциальный коэффициент теплоотдачи терморезистора

и по хранящейся в его памяти зависимости давления от этого коэффициента определяет абсолютное давление в вакуумной камере. Кроме того, в памяти микропроцессора хранятся значения поправочных коэффициентов для ряда газов, на один из которых умножается результат, если вакуумная камера заполнена не разреженным воздухом, а одним из этих газов.microprocessor calculates the differential heat transfer coefficient of the thermistor

and the pressure dependence on this coefficient stored in his memory determines the absolute pressure in the vacuum chamber. In addition, the values of the correction factors for a number of gases are stored in the microprocessor memory, one of which multiplies the result if the vacuum chamber is filled not with rarefied air, but with one of these gases.

Повышение быстродействия здесь достигается за счет отсутствия попеременного нагрева одного и того же терморезистора до двух заданных температур, при каждом измерении не приходится ждать окончания переходного процесса установления температуры терморезистора до заданной. Это обеспечивает проведение процесса обновления показаний вакуумметра через любой желаемый интервал времени, а инерционность всей схемы фактически приближается к инерционности терморезисторов и сказывается лишь в начальный момент включения прибора и при резких изменениях давления в вакуумной камере.An increase in speed here is achieved due to the absence of alternating heating of the same thermistor to two predetermined temperatures; during each measurement, one does not have to wait for the end of the transition process to establish the temperature of the thermistor to a predetermined one. This ensures that the vacuum gauge readings are updated at any desired time interval, and the inertia of the entire circuit actually approaches the inertia of the thermistors and affects only the initial moment the device is turned on and with sudden changes in pressure in the vacuum chamber.

ЛитератураLiterature

1. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979. - 504 с.1. Pipko A.I., Pliskovsky V.Ya., Penchko E.A. Design and calculation of vacuum systems. - M .: Energy, 1979. - 504 p.

2. Эшбах Г.Л. Практические сведения по вакуумной технике. М. - Л.: Энергия, 1966. С.105-110.2. Eshbah G.L. Practical information on vacuum technology. M. - L .: Energy, 1966. S.105-110.

3. Вакуумметр сопротивления блокировочный дистанционный ВСБД-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.3. Vacuum resistance meter blocking remote VBD-1. Technical description and instruction manual.

4. SU №1599688. Теплоэлектрический вакуумметр. 1990.4. SU No. 1599688. Thermoelectric vacuum gauge. 1990.

5. RU №2104507. Теплоэлектрический вакуумметр / Лупина Б.И., 1998.5. RU No. 2104507. Thermoelectric vacuum gauge / Lupina B.I., 1998.

6. Бондарь О.Г., Дрейзин В.Э., Овсянников Ю.А., Поляков В.Г. Способ устранения вариаций температуры внешней среды в теплоэлектрическом вакуумметре и устройство для его реализации. Заявка на изобретение / Рег. N2008114989, опубл. 27.10.2009 г.6. Bondar O. G., Dreizin V. E., Ovsyannikov Y. A., Polyakov V. G. A way to eliminate environmental temperature variations in a thermoelectric vacuum gauge and a device for its implementation. Application for invention / Reg. N2008114989, publ. 10/27/2009

7. Кузьмин В.В. Вакуумные измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1992.7. Kuzmin VV Vacuum measurements. - M .: Publishing house of standards, 1992.

Claims

A thermoelectric vacuum gauge containing an analog-to-digital converter, an analog switch, a microprocessor, a digital display and interface device, characterized in that two thermistors heated by electric current are placed in a vacuum chamber, each of which is included in one of two separate bridge circuits, one branch of each bridge the circuits comprise a series-connected thermistor and the corresponding model resistor, and the second form a pair of constant resistors, in each of the bridge circuits an additional One operational amplifier was added, the inputs of which are connected to the measuring diagonal of the corresponding bridge circuit, and the output is connected to the diagonal of its supply, so that the change in the supply voltage of the bridge circuit caused by its imbalance leads to its balancing by changing the heating current of the thermistor, moreover, pairs of constant resistors are selected in such a way that the balanced state of one of the bridge circuits corresponds to the selected temperature of one of the thermistors exceeding the max the maximum possible temperature of the surrounding gas, and the balanced state of the other bridge circuit corresponds to the selected temperature of the other thermistor exceeding the first temperature, while the input of the analog-to-digital converter is alternately connected by the switch to the model resistor of each bridge circuit.