Вакуумметры, работающие по методу непосредственной оценки

Полупроводниковый вакуумметр с пределами измерения от 10⁵ до 10-⁴ н/м² сконструирован Вейзе. Увеличение чувствительности и расширение пределов измеренияв этом приборе достигнуты увеличением рабочей поверхности полупроводникового чувствительного элемента. В первом варианте вакуумметра в качестве датчика использовалась трубка диаметром 1 мм и длиной 30 мм при толщине стенки 0,1 мм. В более позднем варианте трубка заменена тонкой полупроводниковой пленкой (рис. 26,а) толщиной 20ц и площадью поверхности 10 см². Полупроводниковая пленка прикреплена электропроводящей пастой к вольфрамовым нитям, которые крепятся в свою очередь на никелевых держателях со стеклянными изоляторами.

Измерения давления производились как по методу непосредственной оценки (последовательная цепь /_тг), так и по методу сравнения, используя мостовую схему, работающую в неравновесном режиме. Первый метод удовлетворял требованиям технической точности измерений благодаря незначительным колебаниям температуры водопроводной воды, которая использовалась для термостатирования датчика. По утверждению автора, дневные •колебания температуры не превышали 1°, а годовые 3°. Использование простейшей цепи /_тг позволяет легко осуществить регулирование давления в системе при помощи реле, включенного последовательно с датчиком.

На рис. 26,6 показано семейство вольт-амперных характеристик полупроводникового датчика при различных давлениях газа. Там же построена вольт-амперная характеристика линейного сопротивления при напряжении на зажимах 77=38 в. Точки пересечения прямой и_г=1г, являющейся вольт-амперной характеристикой резистора г, с вольт-амперными характеристиками датчика U_T = IR_T дают значения тока при каком-либо давлении, как параметра.

При изменении сопротивления резистора г наклон прямой U_r — I_r к оси тока будет тоже изменяться. Следовательно, чувствительность преобразования изменения сопротивления датчика в изменение тока Sdl/dR можно регулировать путем соответствующего выбора величины сопротивления резистора и питающего напряжения. Однако такой путь повышения чувствительности прибора к измеряемой величине приводит одновременно и к повышению чувствительности к помехам.

Градуировочная кривая (рис. 26,в) по форме типична для вакуумметра, основанного на теплопроводности. В диапазоне самой высокой чувствительности — между 1,33 -1 о-¹ и 1,& • 10-2 н/м², т. е. при изменении давления на порядок, величина тока растет от 13 до 81 ма. Ниже 10^-2 н/м² чувствительность падает вследствие того, что длина свободного пробега молекул газа становится соизмеримой с размером колбы. При давлении выше 1 н/м² чувствительность сильно падает, что, как известно, объясняется исчезновением зависимости теплопроводности газа от давления. Однако, как показано на рис. 26,г, имеется область удовлетворительной чувствительности при относительно высоком давлении — порядка атмосферного и несколько ниже. При величине тока 68 ма градуировочная кривая соответствует давлению 10⁵ н/м² и по мере его снижения вплоть до 10³ н/м² ток плавно падает до 9 ма. Причиной такого изменения тока безусловно не является зависимость теплопроводности от давления. Это явление вызвано образованием при относительно высоких давлениях потока газа вдоль полупроводниковой пленки, эффект охлаждения которой зависит от давления.

Наблюдения, проведенные при помощи теневого прибора Теплера, показали, что в диапазоне между 1,33X Х10⁴ и 2,6610⁴ н/м² образуются конвекционные потоки у поверхностей, нагреваемых электрическим током, причем интенсивность охлаждения зависит от ориентации образца в пространстве, что приводит к изменению сопротивления пленки, а следовательно, и к изменению падения напряжения на ней при неизменном токе (рис. 26,5). При горизонтальном расположении пленки (нижняя кривая) интенсивность охлаждения минимальна вследствие того, что одна из ее сторон почти не участвует в переносе тепла. При вертикальном положении пленки на длинном ребре условия ее охлаждения наиболее благоприятны, что на графике соответствует нижней кривой. Если пленка поставлена вертикально на коротком ребре, то эффект ее охлаждения снижается, так как в верхней части пленки охлаждение происходит за счет предварительно подогретого газа. Эта кривая на рис. 26,5 занимает некоторое промежуточное положение по отношению к предыдущим двум. Различие положений кривых уменьшается по мере снижения давления, и при давлении порядка 2,7 10⁴ н/м² кривые совпадают.

Как и следовало ожидать, градуировка этого прибора оказалась в сильной степени зависимой от вида газа. На рис. 26,е приведены градуировочные кривые для воздуха и водорода, которые показывают значительное их расхождение, особенно при высоких давления. Следовательно, если состав газа неизвестен, то как и у всех вакуумметров, основанных на теплопроводности, могут возникнуть значительные ошибки при измерении. С другой стороны, эту зависимость можно использовать для анализа газов.

Положительной особенностью этого вакуумметра вследствие больших токов датчика является возможность управлять мощными выходными приборами и реле.

В работах приводится описание терморезисторного вакуумметра Пирани, принципиальная схема и градуировочная кривая которого изображены на рис. 27.

В этом вакуумметре в качестве измерителя и компенсатора используются терморезисторы в виде бусинок диаметром 0,5 мм с проволочными токовво-дами. Отношение плеч неуравновешенного моста выбрано равным единице. Наличие компенсатора /_т._к снижает влияние колебаний температуры среды. Мост уравновешивается при глубоком вакууме в баллоне с терморезистором /_т. В дальнейшем мерой давления является ток в диагонали моста при нарушении его равновесия. Такой вакуумметр, ро утверждению автора,можно использовать для измерения давлений в пределах от 10-² до 10² н/м².

Описание конструкции и схемы вакуумметра с бусинковым терморезистором в одном плече моста (без компенсатора) приводится в работе.

Температурный режим осуществляется термостатированием водяной рубашки измерительной колбы при 306° К. Вследствие того, что терморезисторы чувствительны к радиации, водяную рубашку рекомендуется покрывать светонепроницаемым материалом.

Говоря о выборе оптимальной рабочей температуры датчика, отмечается, что, если значение максимальной температуры невелико, то большая чувствительность получается при низком давлении, но она снижается при высоких давлениях. Повышение рабочей температуры терморезистора ограничиваетя дрейфом его сопротивления вследствие окисления. Для того чтобы предотвратить или существенно снизить дрейф, терморезистор был покрыт стеклянной оболочкой. Эта мера привела к снижению дрейфа сопротивления до 0,1 °/о в месяц при температуре 573° К.

Влияние ориентации датчика начинало сказываться при давлении выше 6,7 • 10² н/м². Систематически проводимые градуировки показали воспроизводимость показаний прибора порядка 0,1% при давлении от 1 до 10³н/ж², а общая погрешность не превысила 0,5%’. Постоянная времени в этом диапазоне изменялась от 1,5 (при 10³ н/м²) до 2,5 сек (при 1 н/м²).

Интересен также опыт применения терморезисторов косвенного подогрева в качестве датчиков теплоэлектрических вакуумметров. Как известно, изменение температуры терморезистора косвенного подогрева осуществляется при помощи дополнительного нагревателя— обычо проволочного сопротивления, вмонтированного в терморезистор и имеющего тепловой контакт с его рабочей частью.

В описываемом приборе терморезистор эллипсоидовидной формы длиной порядка 1 мм и диаметром 0,2 мм нагревается при помощи вмонтированной в него тонкой металлической нити. При изменении давления от 1,ЗЗХ Х10² до 1,33-10"¹ н/м² температура металлической нити изменяется от 363 до 573° К, ее сопротивление изменяется в 2 раза, а температура в точке соприкосновения тер-морезистора изменяется от 303 до 533° К. Пониженная температура терморезистора объясняется более интенсивным его охлаждением, в том числе и за счет подводящих проводов.

На терморезистор подается напряжение такой величины, чтобы его рабочая точка находилась на линейном участке вольт-амперной характеристики, но чтобы обусловленный приложенным напряжением ток был достаточен для его точного измерения. Ток накала нити стабилизируется при помощи бареттера. Изменение тока накала на 1 % приводит к погрешности измерения давления на 5%. Чувствительный элемент помещается в сосуд Дьюара для стабилизации температуры. Мерой давления является протекающий по терморезистору ток. Чувствительность прибора зависит от температуры. При комнатной температуре в диапазоне давления 13,34-1,33 н/м² величина тока терморезистора изменяется в 16 раз, а в диапазоне 1,33 10²4-1,33 *10“² н/м² в 70 раз. При температуре среды 0 =203° К эти изменения соответственно увеличиваются до 350 и 3 300 раз.

Использование метода непосредственной оценки и отказ от мостовой схемы авторы мотивируют достаточно высокой чув^|ствитель1ностью прибора. С этим можно согласиться лишь частично и только для случая, когда в смежьюе плечо моста не включается терморезистор-компенсатор. В данном случае не используется схема моста и ее основное достоинство, заключающееся в возможности осуществления автоматической температурной компенсации. Последнее мероприятие -всегда полезно, если его техническое выполнение не представляет особых затруднений.