Claims (1)
Фиг. 1 11 Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к теплоэлектрическим вакуумметрам сопротивлени , и может быть использовано при измерении низких давлений газа. Целью изобретени вл етс уменьшение погрешности измерени давлени . На фиг. 1 приведена структурна схема теплоэлектрического вакуумметра сопротивлени ; на фиг, 2 - эпюры напр жений, по сн ющие работу предлагаемого устройства, Теплоэлектрический вакуумметр .содержит измерительный мост 1, в первую ветвь которого вход т резистор 2 и Теплоэлектрический манометрический преобразователь 3, а вторую ветвь составл ют резисторы 4 и 5, усилитель 6, дифференциальным входом подключенный к измерительной диагонали (точки а и б) моста 1, фор мирователь 7 калиброванных (опорных) по амплитуде импульсов, генератор 8 тактовых импульсов с задатчиком напр жени смещени , подключенный к ре зистору 5 второй ветви моста 1 и задающий частоту работы вакуумметра, и регистрирующий прибор 9, фиксирующий значение длительности импульса на выходе формировател 7, Теплоэлектрический вакуумметр сопротивлени работает следующим образом . Необходимым условием нормальной работы вакуумметра вл етс правильный выбор фазы между дифференциальны входом усилител 6 и выходом формиро вател 7 опорных по амплитуде импуль , сов. Фаза выбираетс таким, образом, чтобы знак фазы между точкой а и выходом формировател 7 был отрицатель ным, а между точкой б и выходом формировател 7 - положительным. На фиг. 1 формирователь 7 показан не переворачивающим фазы, поэтому точка а подключена к инвертирующему входу усилител 6, а точка б - к неинверти рующему его входу. Рассмотрим работу вакуумметра в промежуток времени, когда напр жение на выходе формировател 7 равно нулю и схема находитс в выключенном сос то нии (интервал времени )Дако состо ние схемы вл етс устойчивым, благодар действию посто нного напр жени смещени с выхода генератора 8 тактовых импульсов. Пол рность задат 1 чика напр жени смещени на выходе генератора 8 выбираетс противоположной пол рности импульса на выходе формировател 7, Напр жение смещени можно задать, например, путем подключени источника посто нного напр жени через соответствующий резистор к точке б. Такое задание напр жетс смещени принциального значени не имеет, так как оно все равно будет включено последовательно с выходным сигналом генератора 8. В выключенном состо нии схемы нить манометрического преобразовател 3 охлаждаетс и сопротивление ее уменьшаетс , С приходом тактового импульса генератора 8 на выходе формировател 7 возникает импульс напр жени стабильного уровн , Схема переходит.,в включенное состо ние, которое не исчезает и после окончани тактового импульса, пока нить манометрического преобразовател 3 не нагреетс до-определенной температуры, при которой напр жение в точке а не станет равным напр жению в точке б. Длительность тактового импульса выбираетс меньше минимальной длительности импульса на выходе формировател 7, но достаточной дл надежного срабатывани положительной обратной св зи через резисторы 4 и 5. Значение напр жени в точке б после окончани тактового импульса выбираетс из услови обеспечени требуемой рабочей температуры нити преобразовател 3 и зависит от напр жени смещени на выходе генератора 8 и амплитуды импульса на выходе форми-v ровател 7, В момент равенства напр жений в точках а и б оканчиваетс квазиустойчивое состо ние схемы и напр жение на выходе формировател 7 скачкообразно уменьшаетс до нул . Поскольку пол рность напр жени смещени противоположна пол рности импульса с выхода формировател 7, то действие положительной обратной св зи через резисторы 4 и 5 всегда сильнее действи отрицательной обратной св зи через резистор 2 и сопротивление нити преобразовател 3, что позвол ет увеличить перепад напр жени в точке б по отношению к перепаду напр жени в точке а и задать тем самым необходимую разницу напр жений, Без напр жени смещени в моменты изменени напр жени на выходе формировател 7 состо ние схемы могло бы быть неопределенным, так как нить преобразовател 3 за малое врем фронта импульса не успевает изменить 5 свое сопротивление. После уменьшени до нул напр же|1и на выходе формировател 7 нить треобразовател 3 начинает охлаждать:; до прихода очередного тактового О Чмпульса. Далее работа вакуумметра фотекает аналогично описанному. В течение нескольких циклов работы вакуумметра нить манометрического преобразовател 3 приходит в режим динамического теплового равновеси , когда приращение количества тепла, полученного нитью за врем действи импульса с выхода формировател 7, равно количеству тепла, отдаваемому 20 б в результате теплообмена с окружающей средой. При этом длительность импульса на выходе формировател 7 автоматически однозначно устанавливаетс в зависимости от значени давлени газа. Уравнение теплового баланса нити преобразовател в общем виде имеет следующее выражение: , -Q.Q., (О -количество тепла, создаваемого в результате вьщелени на нити преобразовател электрической мощности;35 -количество тепла, отдаваемого преобразователем в результате теплообмена с окружающей средой; О , - теплосодержание нити преоб-40 тс разовател . Пренебрега потер ми тепла за счет конвекции излучени теплопроводности через выводы, выражение (1) можно записать в виде (t)-G,(t),(l) где R - мгновенна электрическа мощность питани преоб- CQ разовател ; I - ток, протекающий через преобразователь; RIJ - сопротивление нити преобразовател ;ГС G,bp - теплова проводимость среды; b - коэффициент пропорциональности; уд То фо 5 N л со э ме 0 дл пр но , ни ни ход д гд ох им ли р - давление газа; ,. (t) - текущее значение темпен ратуры нити; в(.р - температура окружающей среды; m - масса нити; с - удельна теплоемкость материала нити; & - исходна температура Решение ингерального уравнени бно выполн ть операторным методом. да выражение (1 ) в операторной ме примет вид Оа9н(р) . G«e.P л -Л Решив выражение (1 ) относительно р) , получим 0(р) N±1 Использу известные операторные тнощени , получаем зависимость изени температуры во времени t)0,,.exp(-.t). . l.exp(-gft)e.)5.... xtl-exp(- t).(2) Выражение (2) справедливо как процесса нагревани , так и дл цесса охлаждени в стадии регул ро теплового режима. з выражени (2) получим значетемпературы , до которой нагрелась в конце действи импульса на выформировател 7 д , N(QHH -6)i)Gg г ни+ L 1 -ехр ни ( ( 3) вив - верхнее и нижнее значеНб «и ни температуры нити преобразовател (фиг,2). Значение температуры, до которой адилась нить в конце паузы между ульсами с ,формировател 7, опредес из выражени ®.Г0.-(9«.-Оср) (T,, где Т - период следовани тактовых импульсов; t - длительность импульса. Из выражений (З) и (4) получаем Н-(вни -Q. t,)l 1-ехр( тс 0„ (не-.){ (T,-t,)} (5 Примен разложение функции ехр(х) в степенной р д 1+ Г -- ограничива сь только первыми двум членами разложени , так как период следовани импульсов выбираетс во много раз меньше посто нной времени преобразовател (t ::;- и (Т -t. } --}, чтобы нить сильно не охлади t лась в паузе между импульсами, а также принима б| и©„g 0..п выражение (5) можно записать в виде N-(eHp-Qep)G но - РСР/ а . Gg 4- fo /5 U G, . mo p Э « (rp + ) me o .. где |Э„р - рабоча температура нити откуда получаем t G . (иР-в)Т„ Ь(0нР-е..).Т„ е NЫ (6) Из выражени (6) видно, что сред н мощность, рассеиваема на преоб райователь 3, как и в прототипе рав на .. ItТаким образом, значение длительности импульса на выходе формироват л 7 при посто нной величине мгнове ной электрической мощности, рассеиваемой нитью манометрического преобразовател 3 процессе нагревани посто нном перегреве относительно температуры окружающей среды и посто нном периоде следовани тактовых импульсов, пр мо порпорционально измер емому давлению. Регистрирующий прибор 9, фиксирующий значение длительности импульса на выходе формировател 7, дает показани пр мо пропорциональные измер емому давлению. Процессы нагревани и охлаждени протекают по экспоненциальному закону , поэтому всегда имеет место некотора нелинейность в зависимости выходного сигнала от давлени , котора тем больше, чем больще период следовани тактовых импульсов. Исход из допустимого отклонени от линейности, выбирают значение периода следовани импульсов, использу выражение (5) или разложение функции ехр(х) в степенной р д. Формула изобретени Теплоэлектрический вакуумметр сопротивлени , 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 питани моста и к регистрирующему прибору, отличающийс тем, что, с целью уменьшени погрещности измерений, в него введен генератор тактовых импульсов с задатчиком напр жени смещени , выход которого подключен к общей точке второй ветви измерительного моста, при этом усилитель подключен своим выходом к входу формировател калиброванных по амплитуде импульсов.FIG. 1 11 The invention relates to a measurement technique, namely to thermal resistance resistance vacuum gauges, and can be used to measure low gas pressures. The aim of the invention is to reduce the pressure measurement error. FIG. 1 shows a schematic diagram of a thermoelectric resistivity vacuum gauge; Fig. 2 shows the voltage plots explaining the operation of the proposed device, the Thermoelectric vacuum gauge contains a measuring bridge 1, the first branch of which includes a resistor 2 and the Thermoelectric Gauge Converter 3, and the second branch consists of resistors 4 and 5, amplifier 6 , differential input connected to the measuring diagonal (points a and b) of bridge 1, generator 7 calibrated (reference) in amplitude of pulses, generator 8 clock pulses with a bias voltage setting device connected to the resistor 5 of the second branch of m one hundred and defining frequency gauge operation and the recording device 9, the locking pulse duration value of the output shaper 7, thermal conductivity vacuum gauge resistance operates as follows. A necessary condition for the normal operation of a vacuum gauge is the correct choice of the phase between the differential input of amplifier 6 and the output of the former 7 amplitude-guided pulses, ow. The phase is chosen in such a way that the phase sign between the point a and the output of the imaging device 7 is negative, and between the point b and the output of the imaging technology 7 is positive. FIG. 1 shaper 7 is shown not to overturn the phase, therefore point a is connected to the inverting input of amplifier 6, and point b to the non-inverting input of it. Consider the operation of the vacuum gauge during the time when the voltage at the output of the driver 7 is zero and the circuit is in the off state (time interval) Daco circuit status is stable due to the action of a constant bias voltage from the generator output of 8 clock pulses. The polarity set by the first bias voltage at the output of the generator 8 is chosen opposite to the polarity of the pulse at the output of the driver 7. The bias voltage can be set, for example, by connecting a constant voltage source through an appropriate resistor to point b. Such a task does not have a princess bias voltage, since it will still be connected in series with the output signal of the generator 8. In the off state of the circuit, the thread of the pressure gauge converter 3 cools and its resistance decreases. With the arrival of the clock pulse of the generator 8, the output of the generator 7 occurs voltage pulse of a stable level, the circuit switches to the on state, which does not disappear even after the end of the clock pulse, until the thread of the pressure gauge converter 3 is heated It is pre-determined temperature at which the voltage at the point a becomes equal to the voltage at the point b. The duration of the clock pulse is chosen to be less than the minimum pulse duration at the output of the driver 7, but sufficient for reliable positive feedback through resistors 4 and 5. The voltage value at point b after the end of the clock pulse is selected from the condition of ensuring the required operating temperature of the converter 3 thread and depends from the bias voltage at the output of the generator 8 and the amplitude of the pulse at the output of the form-v rotator 7, At the moment of equality of the voltages at the points a and b, the quasi-stable the state of the circuit and the output voltage of the driver 7 stepwise decrease to zero. Since the polarity of the bias voltage is opposite to the polarity of the pulse from the output of the driver 7, the effect of positive feedback through resistors 4 and 5 is always stronger than the effect of negative feedback through resistor 2 and the thread resistance of the converter 3, which allows to increase the voltage drop point b with respect to the voltage drop at point a and thereby set the required voltage difference. Without the bias voltage at the moments of voltage change at the output of the driver 7, the state of the circuit could be unbalanced unlimited, since the thread of the converter 3 does not have time to change its resistance for a short time of the pulse front. After decreasing to zero, for example | 1 and at the output of the former 7, the thread of the transducer 3 begins to cool :; before the arrival of the next clock Oh Chmpulsa. Next, the work of the vacuum gauge photocell as described. During several operation cycles of the vacuum gauge, the thread of the pressure gauge converter 3 comes into dynamic thermal equilibrium mode, when the increment of the amount of heat received by the thread during the pulse from the output of the former 7 is equal to the amount of heat given off by 20 b as a result of heat exchange with the environment. In this case, the pulse duration at the exit of the former 7 is automatically uniquely determined depending on the value of the gas pressure. The heat balance equation for a converter thread in general terms has the following expression:, -QQ, (O is the amount of heat generated as a result of electrical power converter converting on the threads; 35 is the amount of heat generated by the converter as a result of heat exchange with the environment; O, heat content unwinding of heat losses due to convection of heat conduction through the conclusions, the expression (1) can be written as (t) -G, (t), (l) where R is the instantaneous electrical power supply of the trans-CQ once Itel; I is the current flowing through the converter; RIJ is the resistance of the yarn of the converter; GS G, bp is the thermal conductivity of the medium; b is the proportionality coefficient, yp Tofo 5 N l with an output of 0 for neither whether p is the gas pressure;,. (t) is the current value of the temperature of the thread; c (.p is the ambient temperature; m is the mass of the thread; c is the specific heat capacity of the material of the thread; & - the initial temperature be operator method. Yes, the expression (1) in the operator me will take the form Haa (p). G «e.P l-L Solving the expression (1) with respect to p), we obtain 0 (p) N ± 1 Using the known operator properties, we obtain the dependence of the temperature on time t) 0 ,,. Exp (-. T). . l.exp (-gft) e.) 5 .... xtl-exp (- t). (2) Expression (2) is valid both for the heating process and for the cooling process in the thermal control stage. From expression (2) we get the temperature to which at the end of the impulse effect on the 7th dformer, N (QHH-6) i) Gg g nor + L 1 -hf or ((3) viv - upper and lower values ”and not the temperature of the transducer thread (Fig. 2). The temperature to which the thread was at the end of the pause between pulses c, the former 7, was determined from the expression ®.Г0. (9 ". Osp) (T ,, where T is the period clock pulses; t is the pulse duration. From expressions (3) and (4) we get H- (dn-Q. t,) l 1-exp (mc 0 „(not -.) {(T, -t,)} (5 Apply the decomposition of the function exp (x) in the power series 1+ G - limiting only the first two members of the decomposition, since the pulse following period is chosen many times shorter than the transducer time constant (t ::; - and (T –t.} -}), so that the thread doesn’t cool much t in the pause between pulses and also taking b | and © „g 0..n expression (5) can be written as N- (eHp-Qep) G but - PCP / a. Gg 4-fo / 5 UG,. mo p E« ( rp +) me o .. where | E „p is the working temperature of the thread from where we get t G. (IR-in) T „Ь (0НР-е ..). Т„ е NЫ (6) From the expression (6) it can be seen that the average power dissipated by the dominant 3, as in the prototype, is equal to .. ItTakim Thus, the value of the pulse duration at the output of the mold 7 at a constant value of the instantaneous electric power dissipated by the thread of the manometric transducer 3 by the process of heating by constant overheating relative to the ambient temperature and the constant period of the clock pulses is proportional to the measured pressure. A recording device 9, fixing the value of the pulse duration at the output of the former 7, gives readings directly proportional to the measured pressure. The heating and cooling processes proceed exponentially, so there is always some non-linearity in the output signal as a function of pressure, which is the longer, the longer the pulse period of the clock. Based on the permissible deviation from linearity, the pulse period value is selected using the expression (5) or the decomposition of the function exp (x) in a power series. Invention Thermal vacuum impedance meter containing a manometric transducer included in the shoulder of the first branch of the measuring bridge, amplifier, a differential input of which is connected to the measuring diagonal of the bridge, and a driver of amplitude-calibrated pulses, the output of which is connected to the diagonal of the power supply of the bridge and to the register A device, characterized in that, in order to reduce measurement errors, a clock pulse generator with a bias voltage adjuster, the output of which is connected to the common point of the second branch of the measuring bridge, is inserted into it, while the amplifier is connected to the input of the driver of amplitude-amplitude pulses .
JJ
8eight
Фиг, 2FIG 2