Вакуумметр с полупроводниковым датчиком

Идя по пути усовершенствования описанного выше прибора, в разработанной автором схеме вакуумметра вместо металлической нитки R_w использован полупроводниковый датчик /_т (рис. 30). Кроме того, для упрощения схемы, осуществляющей поддержание постоянства сопротивления чувствительного элемента, разработано автоматическое устройство с применением полупроводниковых приборов.

Чувствительный элемент вакуумметра включен в плечо уравновешенного моста, составленного из терморезистора S_т и трех линейных резисторов Г1 = Г2-г₃. Равновесие моста поддерживается регулировкой приложенного к нему напряжения путем изменения величины сопротивления фоторезистора ФС-Д1, включенного последовательно с мостом. Фоторезистор управляется световым потоком от лампочки Л, которая включена на выход двухкаскадного усилителя У, собранного на транзисторах. На вход усилителя подается напряжение разбаланса измерительного моста между зажимами 1 и 2.

Схема работает следующим образом. С изменением сопротивления терморезистора /_т-, вызванным изменением условий теплообмена, появляется напряжение разбаланса моста. Поскольку мост балансируется при предельно низком давлении, то всякое повышение давления в системе приводит к улучшению условий охлаждения датчика и повышению его сопротивления. В этом случае появляется сигнал разбаланса моста с положительным знаком. «Положительный» сигнал воздействует на усилитель таким образом, что величина сопротивлении фоторезистора ФС-Д1 приводит к увеличению приложенного к мосту напряжения и восстановлению баланса.

Если нарушение баланса произошло вследствие снижения давления, то на входе усилителя появляется «отрицательный» сигнал (ток обратной полярности), который запирается диодом типа Д811. В этом случае выходной сигнал и освещенность фоторезистора ФС-Д1 близка к нулю, а баланс моста восстанавливается самопроизвольным остыванием датчика, так как приложенное к мосту напряжение резко снижается. Таким образом, мост при всех давлениях остается почти сбалансированным, а величина сопротивления чувствительного элемента практически постоянной.

Соотношение между общим сопротивлением моста и темновым сопротивлением фоторезистора ФС-Д1 находится в пределах 1 : 100. Если при таком соотношении включить схему в работу, то, несмотря на значительное различие сопротивлений плеч моста, сигнал разбаланса может оказаться слишком малым, чтобы обеспечить начало работы усилителя. Поэтому для увеличения начального падения напряжения на сопротивлениях моста параллельно фоторезистору ФС-Д1 включается линейный резистор Гб- Величина сопротивления этого резистора не должна быть слишком малой, чтобы не загрублять регулирующего действия ФС-Д1 и легко устанавливается экспериментально.

Давление в системе измеряется по отклонению стрелки миллиамперметра, включенного в цепь питания моста от источника U. Величина общего напряжения, приложенного к последовательной цепи моста и фоторезистора, в зависимости от диапазона измеряемого давления должна быть различной. С этой целью в цепь источника U включен резистор г₄, позволяющий в соответствии с диапазоном измерения осуществлять ступенчатую регулировку.

Как известно, эффективным средством температурной компенсации является устройство схемы по типу, описанной в работе, или включение датчика-компенсатора в смежное плечо моста. Оба эти мероприятия связаны с известными техническими трудностями. В данном случае эта проблема решается несколько упрощенно. Перед началом измерений, при фиксированной температуре окружающей среды регулировкой плеча моста г₃ стрелка прибора устанавливается на верхний предел шкалы. Если к моменту начала измерений температура среды не изменится, то отклонение стрелки будет обусловлено только изменением давления (для газа постоянного состава) или изменением состава газа (при постоянном давлении). С изменением температуры окружающей среды 6 необходимо корректировать показания прибора соответствующей регулировкой потенциометра г₃ или введением поправки. Положение регулирующего лимба потенциометра г₃ можно связать со значениями температуры среды 6, тогда температурная компенсация может осуществляться в процессе измерений.

Главная обратная связь, обеспечивая автоматическое поддержание постоянства сопротивления терморезистора в момент измерения, существенно уменьшает величину постоянной времени, что позволяет применять прибор для записи быстро меняющихся давлений.

В связи с особенностью усилителя (величина его коэффициента усиления зависит от знака входного сигнала) в приборе могут возникнуть колебания. С целью гашения этих колебаний и сокращения длительности переходных процессов введена форсирующая гибкая обратная связь, составленная из конденсаторов С₂ и резистора r_Q.

Конструктивное оформление блока «фоторезистор — лампа накаливания», являющегося бесконтактным реостатом в системе автоматического регулирования вакуумметра, показано на рис. 31. На этом же рисунке изображены вольт-амперные характеристики фоторезистора типа ФС-Д1, экспериментально снятые при различных напряжениях питания лампы. Из этих характеристик видно, что наибольшая чувствительность фоторезистора ФС-Д1 наблюдается в области изменения тока лампы накаливания от 100 до 200 ма. Тот факт, что фоторезистор оказывается нечувствительным к изменениям тока лампы накаливания до 100 ма, позволяет использовать в схеме вакуумметра дешевый усилитель постоянного тока с большим дрейфом нуля.

Для компенсации, не зависящей от давления постоянной слагающей потерь энергии излучением с поверхности самого датчика и подводящих к нему проводов, в схему подключены вспомогательный источник питания 7₂ и регулировочный потенциометр г.

Полная схема полупроводникового вакуумметра с питанием от сети переменного тока 220 в изображена на рис. 32. Для стабилизации напряжения U₂ в цепи компенсации используются терморезистор типа ТП-2/2. Спецификация деталей этого прибора вынесена в приложение, а общий вид и градуировочные кривые по воздуху изображены на рис. 33. Кривая /, перекрывающая диапазон 1 • 10⁵-4-1,33« 10³ н/м², и кривая 5, соответствующая давлению ниже 1,33 • 10¹ н/м², относятся к первому датчику. Кривая 2, перекрывающая диапазон 4-10³-г-1,3310¹ н/м², относится ко второму датчику.

Ниже (в табл. 3) приводятся сравнительные данные технических характеристик полупроводникового вакуумметра и стандартного прибора — термопарного вакуумметра типа ВТ-2.

Таблица 3

Наблюдения за прибором в течение нескольких лет показали хорошую воспроизводимость его градуировки и надежность в работе. Основными преимуществами полупроводникового вакуумметра по сравнению со стандартными приборами того же класса являются: более широкий диапазон измеряемых давлений, высокая точность измерений и низкая стоимость. Недостаток прибора заключается в недоработанное™ устройства температурной компенсации.