Статическая точность полупроводникового вакуумметра
Статическая точность полупроводникового вакуумметра
Угловое перемещение стрелки прибора co = f(/M) измерительного блока полупроводникового вакуумметра является функцией многих независимых переменных.
Всякие изменения величин, входящих в правую часть уравнения (175), кроме самого параметра р, вызывают погрешности измерения давления. По признаку причин возникновения погрешностей их обычно классифицируют на методические и инструментальные. Выше было отмечено, что к числу методических следует отнести погрешности, возникающие по причине изменения напряжения источника, температуры окружающей среды 0 и температуры поверхности датчика Ts. Все виды методических погрешностей относятся главным образом к датчику.
Наиболее чувствительным к помехам оказывается диапазон, соответствующий вязкостному режиму движения газа.
Обычно размеры и конфигурация датчиков неизменны. Если к тому же измеряется давление газа постоянного состава, то формула (176) принимает более простой вид:
Постоянный коэффициент для данного датчика и определенного состава газа. Предполагается, что изменениями физических параметров газа (теплопроводностью Хт, теплоемкостью cv, ср) в пределах пограничного слоя можно пренебречь. Для датчика, работающего в режиме постоянной температуры, такое допущение вполне обосновано, поскольку небольшие отклонения средней температуры Тт газа в пограничном слое могут вызвать лишь пренебрежимо малые изменения его теплофизических параметров.
В число инструментальных входят погрешности, обусловленные трением подвижных частей в опорах, неточностью изготовления и сборки деталей измерительного прибора, изменением физических свойств и характеристик вспомогательных деталей и датчика под воздействием времени, температуры и внешних магнитных полей.
Аналитический расчет инструментальных погрешностей с учетом всех факторов представляет большие трудности и может быть выполнен лишь приближенно.
Для практических расчетов можно ограничиться следующими составляющими инструментальной погрешности: 6пр— погрешность стрелочного прибора, определяемая его классом точности. Для магнитоэлектрического микроамперметра типа М-24-12 (класс точности 1,0) величина относительной погрешности составляет 1%; 6R— погрешность, обусловленная изменением сопротивления датчика, характеризует качество полупроводникового материала датчика. Периодические изменения сопротивления обоих датчиков в течение двух лет показали их воспроизводимость с точностью не ниже 1%.
Основными составляющими методической погрешности являются 6г, 50, 6т — погрешности, обусловленные соответственно колебаниями напряжения питания, температуры окружающей среды и температуры поверхности термистора в процессе измерений.
Влияние составляющих погрешностей 6г и 5 удобно проанализировать графически. На рис. 34 графически изображены распределения токов и напряжений в плечах измерительного моста в состоянии равновесия, а также при нарушении равновесия под воздействием изменения величины питающего напряжения U (график /) и температуры окружающей среды 0 (график //). Принятые на рис. 34 обозначения ясны из построений.
Имея возможность управлять величиной сопротивления в смежном с датчиком плече г3, правильные показания вакуумметра можно восстановить. Тогда при некотором фиксированном давлении, например при атмосферном, приложенное к мосту напряжение будет равно Uq. Из приведенных на рис. 34 построений видно, что температурная корректировка будет верна и для более низких значений давления, соответствующих вольт-амперным характеристикам датчика b и Ь.
Экспериментальные измерения показали, что при изменении температуры окружающей среды 0 от 293 до 303° К и соответствующей корректировке резисторам г3 заметных изменений статической характеристики вакуумметра во всем диапазоне измерений не наблюдается.
Таким образом, статическая точность вакуумметра существенно будет зависеть от степени сбалансированности моста (коэффициента усиления усилителя) и в некоторой степени от правильного выбора и колебаний питающего напряжения и величины колебаний температуры окружающей среды. Для количественной оценки статической точности прибора в процессе градуировки датчиков, кроме основной зависимости измерены величины токов в плечах моста и ток разбаланса 1Р в его диагонали — на выходе усилителя. Данные измерений показали, что значения токов в диагонали 1Р для обоих датчиков в статическом режиме на три порядка ниже токов в плечах моста. Это дает основание с высокой точностью считать, что 7i = 73 и 72=7Т.
где:
Пользуясь экспериментальными данными тока 1Р и вычисленными AJ7 можно рассчитывать значения сопротивления /вх и мощности Рвх на выходе усилителя. Кроме того, по данным непосредственных измерений методическая погрешность вакуумметра’ (без учета составляющей, вызванной наличием температурных градиентов в теле датчика) может быть определена из следующего выражения:
где:
Для случая, когда теплопроводность датчика — величина постоянная, температура поверхности может быть определена из уравнения (160).
Для снижения погрешности для обоих датчиков соблюдается условие Bi<0,l, откуда во всех диапазонах измерения бт <2,5%:
Погрешность прибора в целом складывается из значений погрешностей его отдельных элементов.
Рассчитанные по этой формуле погрешности вакуумметра при различных давлениях приведены в табл. 3.