СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ В ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВАКУУММЕТРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF ELIMINATING TEMPERATURE FLUCTUATIONS IN AMBIENT MEDIUM OF THERMAL-CONDUCTIVITY VACUUM GAUGE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

5
Изобретение относится к технике измерения среднего и низкого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 0,1 до 10Па.
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 обычно является нить из тугоплавкого металла, по которой пропускается электрический ток, а его температура измеряется либо с помощью термопары, находящейся в тепловом контакте с этим телом, либо путем измерения электрического сопротивления самой металлической нити. В последнем случае нагреваемая нить должна изготовляться из металла с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Отечественной промышленностью выпускались термопарные вакуумметры ВТ-2А-П, ВТ-3, ВТ-6 в комплекте с термопарными первичными преобразователями ПМТ-2 и ПМТ-4, вакуумметр ВТ-8 в комплекте с первичным преобразователем ПДТ-8 и терморезисторные вакуумметры ВСБД-1, 13 ВТ3-003 и ВТ1-4 с первичными преобразователями МТ-15М и ПМТ-6-3. Диапазоны измеряемых абсолютных давлений всех указанных вакуумметров лежат в пределах 0,1…4000 Па, а погрешности - от 30% до 250% (в зависимости от модели вакуумметра и пределов измерения).
Основным источником погрешностей теплоэлектрических вакуумметров является непостоянство температуры окружающей среды, поскольку теплоотдача нагретого тела в окружающую газовую среду согласно формуле Ньютона при прочих равных условиях пропорциональна не абсолютной температуре нагретого тела, а разности температур нагретого тела и окружающей среды:
s
где Т - температура поверхности тела;
s
Р - количество тепла, переданное в единицу времени от нагретого до температуры Т тела в окружающую среду с температурой θ;
S - площадь поверхности охлаждения;
к
α - коэффициент теплопередачи для данного тела, учитывающий суммарное действие всех механизмов теплопередачи (конвективный теплоперенос, теплопередача за счет теплопроводности газа, молекулярный теплоперенос и тепловые потери на излучение).
При изменении температуры окружающей среды будет изменяться теплоотдача при неизменном давлении в вакуумной камере при обоих способах измерения, что и будет приводить к погрешности. Понятно, что она будет тем больше, чем больше отношение возможных вариаций температуры окружающей среды к рабочей температуре нагрева чувствительного элемента. С этих позиций выгодно увеличивать рабочую температуру нагреваемого терморезистора. Однако с увеличением рабочей температуры нагреваемого чувствительного элемента увеличивается доля тепла, рассеиваемая посредством излучения, а она не зависит от давления окружающего газа, зато пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры нагретого тела. Это, с одной стороны, ограничивает максимальную рабочую температуру чувствительного элемента, а с другой - затрудняет термокомпенсацию этой погрешности в достаточно широком интервале температур окружающей среды.
к
Используются различные способы термокомпенсации. Большинство из них основано на включении в первичный преобразователь дополнительного не нагреваемого электрическим током терморезистора, фиксирующего изменения температуры газовой среды в вакуумной камере [3-5]. Изменения сопротивления этого дополнительного терморезистора используются для регударования тока нагрева чувствительного к давлению терморезистора таким образом, чтобы обеспечить постоянную разность его температуры нагрева и окружающей среды. Однако в режиме постоянства тока нагрева это осуществить затруднительно, поскольку каждому значению температуры окружающей среды и каждому поддиапазону измеряемых давлений должно соответствовать свое значение стабилизированного тока нагрева. Но даже в этом случае при изменении давления в пределах установленного поддиапазона температура нагрева будет изменяться, а значит, условие постоянства разности температуры нагрева и температуры окружающей среды будет нарушаться. В режиме постоянства температуры нагрева это условие выполнить легче. Но при этом каждому значению температуры окружающей среды должна соответствовать - своя температура нагрева, что достаточно сложно осуществить технически. В частности, этому препятствует нелинейность зависимости сопротивления терморезисторов от температуры, нелинейность зависимости коэффициента теплопередачи α от давления и изменение доли теплоотдачи за счет излучения при разных температурах нагрева. Поэтому при широком диапазоне вариаций температуры окружающей среды полную температурную компенсацию осуществить весьма сложно. Различные варианты схем температурной компенсации предлагаются в [4] и [5]. В [4] помимо основной схемы температурной компенсации, поддерживающей постоянство температуры перегрева нагреваемого терморезистора относительно температуры окружающей среды, вводится дополнительная температурная компенсация, осуществляемая путем вычитания из выходного сигнала напряжения, снимаемого с индивидуально настраиваемой комбинации из термонезависимого сопротивления и двух терморезисторов, одного с линейной зависимостью от температуры, а другого - с квадратичной зависимостью, не нагреваемых проходящим по ним током и имеющих тепловой контакт с окружающей средой. В [5] выходной сигнал формируется в виде разности двух напряжений питания сбалансированного моста, содержащего нагреваемый и компенсационный терморезисторы, при включении в него двух разных комбинаций постоянных резисторов.
Однако если в первом случае [4] за счет экспериментального подбора вида зависимости сопротивления от температуры комбинации термонезависимого, линейно зависящего и квадратично зависящего терморезисторов действительно удается в некотором диапазоне давлений расширить диапазон компенсации температуры окружающего газа, то во втором случае [5] предложенный метод компенсации учитывает лишь линейные эффекты, а потому реальный диапазон компенсации с учетом действия вышеназванных нелинейных эффектов будет невелик. Особенно ограниченной будет термокомпенсация при использовании полупроводниковых терморезисторов с нелинейной температурной характеристикой. Но, учитывая, что этот способ не требует индивидуальной подгонки характеристики преобразования компенсационного термодатчика, примем в качестве прототипа [5]. Его основной недостаток был показан выше и заключается в неполной компенсации влияния вариаций температуры окружающей среды, поскольку в нем не учитываются нелинейные эффекты.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является полное устранение влияния вариаций температуры окружающей среды на показания теплоэлектрического вакуумметра.
Эта задача решается путем измерения мощности теплового рассеяния нагреваемого терморезистора при двух различных фиксированных температурах терморезистора, превышающих максимально возможную температуру окружающего газа, по результатам которых вычисляется дифференциальный коэффициент теплового рассеяния, не зависящий от температуры окружающего газа, по величине которого судят о величине измеряемого давления.
Если нагретым телом является терморезистор, нагреваемый проходящим по нему током и помещенный в разреженный газ, то его коэффициент теплоотдачи при заданной величине давления окружающего газа может быть измерен экспериментально в соответствии с выражением
s
2
1
которое вытекает из (1) при установившемся балансе между подводимой электрической мощностью и рассеянием тепла в окружающую среду. Указанные выше нелинейные эффекты будут приводить к тому, что даже при постоянстве давления значения этого коэффициента, измеренные при разных температурах нагрева Т и окружающего газа θ, окажутся различными, что и будет приводить к погрешностям при определении давления окружающего газа по этим значениям. Кардинальным способом устранения этой погрешности является замена абсолютного коэффициента теплоотдачи дифференциальным коэффициентом теплоотдачи, измеренным при двух фиксированных температурах Т>T>θ:
1
2
1
2
где P и Р - электрические мощности, подводимые к нагреваемому терморезистору при достижении температурного баланса с окружающей средой соответственно при фиксированных температурах Т и Т.
1
2
В этом случае коэффициент  измеряется при фиксированном перепаде температур (фиксирована не только их разность, но и абсолютные значения этих температур), а потому единственным фактором, влияющим на него, остается давление окружающего газа (конечно, при неизменности всех геометрических параметров самого терморезистора и вакуумной камеры). Влияние всех нелинейных эффектов, связанных с необходимостью изменения температуры нагрева терморезистора при изменениях температуры окружающего газа, полностью устраняется. При этом отпадает необходимость измерения температуры окружающего газа, важно лишь, чтобы ее максимально возможное значение было бы ниже фиксированных температур T и Т. Это существенно упрощает и конструкцию первичного преобразователя (в нем остается только один терморезистор, нагреваемый проходящим через него регулируемым током), и устройство электронного блока, и алгоритмы его работы.
T
T
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
0
Измерительная схема теплоэлектрического вакуумметра, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг.1. Она состоит из первичного преобразователя 1, состоящего из терморезистора R и вакуумноплотно соединяемого с вакуумной камерой, в которой необходимо измерять давление остаточного газа, измерительного моста, одна из ветвей которого образована этим терморезистором R и образцовым термонезависимым резистором R, а вторая постоянная ветвь - либо постоянными резисторами R и R, либо постоянными резисторами R и R; операционного усилителя 2, вход которого включен в измерительную диагональ измерительного моста инвертирующим входом к образцовому резистору R, а неинвертирующим - к выходу аналогового коммутатора 3, осуществляющего переключение постоянных ветвей мостовой схемы (R-R или R-R), а выходное напряжение является напряжением питания данной мостовой схемы; аналого-цифрового преобразователя 4, сигнальный вход которого подключен к образцовому сопротивлению R, а выход - к сигнальному входу микропроцессора 5; цифрового индикационного устройства 6 и интерфейсного устройства 7. Первый управляющий выход микропроцессора 5 подключен к управляющему входу аналогового коммутатора 3, второй управляющий выход - к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 4, а сигнальный цифровой выход - к цифровому индикационному устройству 6 и интерфейсному устройству 7, служащему для сопряжения с системой верхнего уровня.
0
1
3
2
4
Возможен вариант и с обратным включением операционного усилителя, при котором его инвертирующий вход подключается к выходу аналогового коммутатора 3, а неинвертирующий - к образцовому резистору R, но при этом выход операционного усилителя должен подключаться к точке соединения резисторов R и R, а точка соединения резисторов R и R заземляется. В обоих случаях операционный усилитель подключается к мостовой схеме таким образом, чтобы изменение напряжения питания мостовой схемы, вызванное ее разбалансом, приводило к ее уравновешиванию за счет изменения тока разогрева терморезистора.
1
2
T
1
1
T
T1
T
1
0
T
1
1
0
T
T1
1
1
1
1
2
3
4
2
1
0
T
T2
2
2
2
Теплоэлектрический вакуумметр работает следующим образом. Вначале микропроцессор 5 с помощью аналогового коммутатора 3 подключает к измерительному мосту плечи, образованные постоянными резисторами R и R. Они подобраны таким образом, чтобы измерительный мост уравновешивался при величине сопротивления терморезистора R, соответствующей первой заданной температуре T. Поскольку в начальный момент температура терморезистора равна температуре в вакуумной камере θ<Т, то величина сопротивления терморезистора R будет больше расчетного значения R, соответствующего балансу измерительного моста, и он окажется разбалансированным (здесь рассматривается случай использования полупроводникового терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом). Напряжение разбаланса мостовой схемы усиливается операционным усилителем 2 и подается на диагональ питания измерительного моста. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя достаточно высок, то его выходное напряжение при разбалансе измерительного моста стремится к максимально возможному значению и через плечи измерительного моста, в том числе и через терморезистор R протекает максимальный ток, под действием которого терморезистор быстро разогревается. Но по мере разогрева его сопротивление приближается к расчетному значению для первой установленной температуры T и напряжение разбаланса мостовой схемы уменьшается, а значит, уменьшается и напряжение питания мостовой схемы, и ток, протекающий через терморезистор. Поэтому его температура устанавливается равной первой расчетной температуре за минимально возможное время. Аналого-цифровой преобразователь 4 циклически (например, с интервалом в 1 с) измеряет падение напряжение на образцовом резисторе R, включенном последовательно с терморезистором R (или на резисторе R, которые будут одинаковы, поскольку напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя равны). Это напряжение будет пропорционально току, проходящему через терморезистор. Микропроцессор 5 сравнивает результаты измерений, получаемые с аналого-цифрового преобразователя за несколько последних циклов, и, если они перестают изменяться, то это означает, что измерительный мост достиг равновесия, а следовательно, терморезистор разогрет точно до температуры T. По измеренному падению напряжения на образцовом сопротивлении R определяется величина тока, протекающего через него и через терморезистор R, она возводится в квадрат и умножается на первое расчетное значение сопротивления R, соответствующее температуре T, которое хранится в памяти микропроцессора. Тем самым определяется электрическая мощность, рассеиваемая на терморезисторе при температуре T:P=. Затем микропроцессор 5 с помощью аналогового коммутатора 3 переключает вспомогательные плечи измерительного моста (вместо R и R подключаются R и R) и совершенно аналогично происходит уравновешивание измерительного моста для второй установленной температуры Т>T. По измеренному значению падения напряжения на образцовом сопротивлении R определяется величина тока, протекающего через терморезистор R, возводится в квадрат и умножается на второе расчетное значение сопротивления R, соответствующее температуре Т, т.е. находится мощность, рассеиваемая на терморезисторе при температуре T:Р=. Затем по формуле
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.
Статическая ошибка следящей системы, обеспечивающей разогрев терморезистора до заданной температуры, сводится к минимуму из-за достаточно большого значения коэффициента усиления операционного усилителя, и к тому же для каждой из двух фиксированных температур она остается постоянной (т.е. является систематической), а потому не влияет на погрешность всего вакуумметра.
Литература:
1. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979. - 504 с.
2. Эшбах Г.Л. Практические сведения по вакуумной технике. М.-Л.: Энергия, 1966. С.105-110.
3. Вакуумметр сопротивления блокировочный дистанционньш ВСБД-1. - Техническое описание и инструкция по эксплуатации.
4. SU №1599688. Теплоэлектрический вакуумметр. 1990.
5. RU №2104507. Теплоэлектрический вакуумметр / Лупина Б.И., 1998.