ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВАКУУММЕТР
THERMAL-CONDUCTIVITY VACUUM GAUGE

5
Изобретение относится к технике измерения среднего и низкого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 0,1 до 10 Па.
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.
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.
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.
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.
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.
T1
T2
T1
Э1
1
2
T2
Э2
3
4
Э1
1
Э2
3
Э1
Э2
Измерительная схема теплоэлектрического вакуумметра приведена на чертеже. Она состоит из двух первичных преобразователей 1 и 2, состоящих из терморезисторов R и R, вакуумно-плотно соединяемых с вакуумной камерой, в которой необходимо измерять давление остаточного газа; двух мостовых схем (одна из ветвей первого моста образована терморезистором R и образцовым термонезависимым резистором R, а вторая постоянная ветвь - постоянными резисторами R и R, соответственно одна из ветвей второго моста образована терморезистором Rи образцовым термонезависимым резистором R, а вторая постоянная ветвь - постоянными резисторами R и R); операционного усилителя 3, вход которого включен в измерительную диагональ первой мостовой схемы инвертирующим входом к образцовому резистору R, неинвертирующим - к резистору R, 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, а неинвертирующим - к резистору R, а выходное напряжение является напряжением питания данной мостовой схемы; аналогового коммутатора 5, обеспечивающего попеременное подключение эталонных резисторов мостовых схем R и R 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.
Э1
Э2
T1
1
T2
2
1
2
T1
T2
T1
T2
1
2
Э1
Э2
T1
T2
1
2
Э1
T1
T1
1
Э2
T2
T2
2
Теплоэлектрический вакуумметр работает следующим образом. Микропроцессор 7 с помощью аналогового коммутатора 5 попеременно подключает к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя 6 образцовый резистор R из первой мостовой схемы и образцовый резистор из второй мостовой схемы R. Сопротивления резисторов в плечах первой мостовой схемы подобраны так, чтобы мостовая схема уравновешивалась при величине сопротивления терморезистора R, соответствующей первой заданной температуре Т, а сопротивления в плечах второй мостовой схемы - так, чтобы мостовая схема уравновешивалась при величине сопротивления терморезистора R, соответствующей второй заданной температуре T. Поскольку в начальный момент температуры терморезисторов равны температуре в вакуумной камере θ<T, Т, то величина сопротивлений терморезистора Rи Rбудет 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 и R протекает максимальный ток, под действием которого терморезисторы быстро разогреваются. По мере разогрева их сопротивления приближаются к расчетным значениям для установленных температур T и T, 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 и R, включенных последовательно с соответствующими терморезисторами Rи R. 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 T, а второй - до температуры Т. 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 расчетное значение сопротивления R, соответствующее температуре Т, которое хранится в памяти микропроцессора. Тем самым определяется электрическая мощность, рассеиваемая на терморезисторе при температуре . Аналогично 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 расчетное значение сопротивления R, соответствующее температуре Т, которое хранится в памяти микропроцессора. Тем самым определяется электрическая мощность, рассеиваемая на втором терморезисторе при температуре  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.
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.
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 дистанционный ВСБД-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.
4. SU №1599688. Теплоэлектрический вакуумметр. 1990.
5. RU №2104507. Теплоэлектрический вакуумметр / Лупина Б.И., 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.
7. Кузьмин В.В. Вакуумные измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1992.