Вакуумметр с металлической нитью

Выше было указано на преимущества приборов, работающих по методу сравнения в равновесном режиме. Практическая реализация этого режима обычно является основным препятствием его использования. Тем не менее предложенное в работе техническое решение этого вопроса отличается простотой и надежностью.

В данном приборе тонкая нагретая платиновая или вольфрамовая проволока R_w, помещенная в вакуумный баллон, является одним из плеч моста (рис. 29). После начальной установки при предельно низком давлении баланс поддерживается при всех давлениях регулирующимся током моста. Любое снижение температуры, которое может быть следствием улучшения теплообмена при повышении давления, восстанавливается увеличением тока и, следовательно, выделяющимся в проволоке теплом.

Очевидным практическим шагом к осуществлению такой автоматической регулировки тока моста является цепь с обратной связью, т. е. создание системы, в которой бы разбаланс моста и его рабочий ток были соответственно входом и выходом одного и того же усилителя. Основными требованиями к такому усилителю являются малый дрейф нуля и низкий уровень выходного сигнала при входе сигнала помехи. В данном случае применен двухкаскадный усилитель постоянного тока, первым каскадом которого является германиевый транзистор. Входное сопротивление транзистора хорошо согласуется с выходным сопротивлением моста. Основной недостаток транзисторных усилителей постоянного тока — их температурная нестабильность — не является в данном случае существенным, поскольку сам датчик давления чувствителен к изменениям окружающей температуры. Фактически действие колебаний температуры среды на характеристики транзистора и датчика противоположны по знаку и приблизительно равны по абсолютной величине, вследствие чего в некоторой мере достигается компенсация. Для того чтобы транзистор работал с эффективно заземленной базой, сопротивление плеч моста выбрано таким:

При возрастании давления увеличивается входной ток транзистора /_е, поскольку температура нагретой проволоки и ее сопротивление R_w снижаются, и, следовательно, потенциал сети лампового триода повышается. Это приводит к увеличению тока моста и повышению температуры проволоки, что способствует восстановлению баланса моста. Полная стабильность температуры могла быть достигнута, конечно, при бесконечно большом коэффициенте усиления усилителя. Однако чрезмерное его увеличение может привести, как известно, к незатухающим колебаниям. В данном случае коэффициент усиления усилителя был порядка 4 000 и выше. При таком сравнительно высоком коэффициенте усиления в схеме прибора возникали незатухающие колебания с частотой порядка 1 гц. Для предотвращения этих колебаний выполнена местная обратная связь, составленная из резисторов Гб и и конденсаторов С и С₂.

При указанных на рис. 29 параметрах схемы прибора и токе моста 20 ма, устанавливаемом резистором Г при нулевом давлении, ток коллектора /_с (приблизительно равный току эмиттера /_е) оказался равным 20 мка, а смещение на сетке лампового триода Л 25 в. Температура чувствительного элемента Т=373° К.

Поскольку прибор работает как усилитель с высоким коэффициентам усиления со 100%-ной обратной связью, его характеристика мало зависит от характеристики усилителя. Например, при изменении напряжения батареи Е от 45 до 25 в или изменении напряжения питания от 250 до 170 в ток моста изменяется только на 1 ма, что эквивалентно изменению давления на величину порядка 1 н/м² при абсолютном значении давления не выше 13,3 н/м² или изменению на величину порядка 20 н/м² при абсолютном давлении ниже 600—700 н/м².

С другой стороны, характеристика прибора зависит от температуры транзистора. Увеличение температуры перехода увеличивает утечку тока коллектора /_с, которая неразличима от изменения входного сигнала. Прямыми измерениями показано, что при изменении температуры среды от 298 до 299° К выходной ток усилителя увеличивается на 0,1 ма, что эквивалентно 0,1 н/м² при нулевом давлении. Сам проволочный датчик давления изменяет свое сопротивление под действием температуры, причем, в диапазоне давлений от нуля до 10² н/м² и выше наблюдаемое уменьшение тока датчика составляет величину от 0,04 до 0,1 ма/град. Таким образом, транзисторная компенсация достаточно корректна при высоких давлениях, но слишком велика при низких давлениях.

Преимущества данного прибора по сравнению с другими подобными, но на переменном токе, очевидны и заключаются в его простоте. Для него не требуется никакой стабилизации напряжения: ни для источника основного питания 250 в, ни для вспомогательного источника 45 в. Другой особенностью этого прибора является простота, с какой можно его использовать в схемах автоматических устройств для регулировки и сигнализации давления; например, путем включения последовательно с мостом обмотки реле.

Недостатком прибора является то, что в нем не решена до конца проблема температурной компенсации. Однако, как рекомендует его автор, величина погрешности, вызванная температурной нестабильностью, может быть на порядок снижена, если для балансировки тока утечки коллектора ввести еще один транзисторный каскад усиления. Другой недостаток заключается в необходимости иметь специальный блок питания с напряжением по постоянному току 250 в, что усложняет прибор и делает его сравнительно дорогим.