CC BY
12
УДК 621.387+681.335
В. Н. ШИВРИНСКИЙ
ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОРАЗРЯДНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ
Рассматриваются газоразрядные преобразователи, в которых расширение диапазона и снижение погрешности измерения достигается изменением напряжения питания согласно изменению напряжения пробоя газового промежутка.
Ключевые слова: давление, гальваническая развязка, поразрядное уравновешивание, преобразование, электрический разряд.
Газоразрядные измерительные преобразователи имеют высокое быстродействие, не боятся перегрузок, позволяют измерять давление в широком диапазоне. Принцип их действия основан на зависимости напряжения пробоя газового промежутка от давления газа и расстояния между электродами. Схема преобразователя (рис. 1, а) представляет собой релаксационный генератор [1], где в качестве нелинейного элемента используется сам газоразрядный промежуток.
Конденсатор С запитывается напряжением и и заряжается. Как только напряжение на обкладках конденсатора достигнет напряжения пробоя, произойдёт газовый разряд. При этом за время ^ напряжение на обкладках конденсатора возрастёт до напряжения статического пробоя (ист), но из-за запаздывания разряд произойдёт в момент t = ^ + 1;З, где ^ - время запаздывания разряда. За время ^ напряжение на обкладках конденсатора возрастёт на величину Ди, которая и определит погрешность измерения напряжения пробоя в динамическом режиме (ид).
Погрешность измерения напряжения пробоя в динамическом режиме можно уменьшить за счёт уменьшения времени запаздывания, увеличения постоянной времени цепи заряда конденсатора и уменьшения разности напряжения питания и напряжения статического пробоя.
Для устранения указанных погрешностей автором были разработаны схемы газоразрядных преобразователей на магнитном усилителе, полупроводниковых приборах [1]. Обобщённая структурная схема таких преобразователей представлена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: РНИ - регулируемый низковольтный источник питания; ВБ - высоковольтный
© Шивринский В. Н., 2015
блок; РГ - релаксационный генератор; УФ -устройство, фиксирующее момент пробоя газового промежутка; ип - напряжение питания схемы; и1 - напряжение на выходе РНИ; и -напряжение на выходе ВБ; ипр - напряжение пробоя газового промежутка; иООС - напряжение отрицательной обратной связи; Pd -произведение измеряемого давление газа Р на межэлектродное расстояние d.
Структурная схема содержит два контура управления. Первый контур состоит из регулируемого низковольтный источник питания, нагрузкой которого является блок высокого напряжения. Второй контур аналогичен рассмотренной схеме рис. 1.
При отсутствии напряжение отрицательной обратной связи иООС (нет тока в цепи разрядника) напряжение и1 на выходе регулируемого низковольтный источник питания начинает нарастать. В это же время происходит рост напряжения и на выходе высоковольтного блока и на обкладках конденсатора С. Как только напряжение на электродах разрядника достигнет пробойного значения, произойдёт разряд и устройство, фиксирующее момент пробоя газового промежутка, выработает напряжение
отрицательной обратной связи иооС, напряжение на выходе РНИ начнёт уменьшаться. Длительность разрядного тока определяется параметрами разрядной цепи. Как только разряд прекратится, выходное напряжение РНИ снова начнёт возрастать. Процесс повторяется.
Напряжение и на входе релаксационного генератора (на выходе блока высокого напряжения) поддерживается равным напряжению пробоя в динамическом режиме. Если постоянная времени РНИ больше постоянной времени зарядной цепи R1C, то скорость нарастания напряжения на разряднике к моменту пробоя
Рис. 1. Схема релаксационного генератора (а) и временная диаграмма (б): Р - разрядник; ис - напряжение на конденсаторе С; ист - напряжение статического пробоя; ид - напряжение пробоя в динамическом режиме; Яь - сопротивления в цепи заряда и разряда конденсатора С; Ди - погрешность измерения напряжения пробоя в динамическом режиме
Рис. 2. Обобщённая структурная схема газоразрядных преобразователей
с магнитным усилителем и полупроводниковыми приборами
Рис. 3. Газоразрядный преобразователь с гальванической развязкой контура управления от высоковольтных импульсов в цепи разрядника
очень мала, т. е. мало влияние времени запаздывания ^ В случае измерения напряжения иь на выходе РНИ отпадает необходимость в измерении высокого напряжения.
В схемах преобразователей с магнитным усилителем и на полупроводниковых приборах [1] отсутствует гальваническая развязка контуров управления высоким напряжением от импульсов в цепи электрического разрядника, что может привести к выходу из строя электронной измерительной аппаратуры.
Такая развязка осуществлена в преобразователе [2], функциональная схема которого приведена на рис. 3, где приняты следующие обозначения: 1 - электрический разрядник; 2, 3 -резисторы; 4 - накопительный конденсатор; 5 -высоковольтный блок; 6 - схема управления высоковольтным блоком; 7 - выходной контур; 8 - ждущий мультивибратор; 9 - радиоприёмник; 10 - антенна радиоприёмника; Р - измеряемое давление газовой среды.
При включении питания начинает расти напряжение и на выходе высоковольтного блока. От этого источника высокого напряжения через резистор 3 заряжается накопительный конденсатор 4. Напряжение на электродах разрядника возрастает. При достижении напряжения пробоя конденсатор 4 разряжается
Рис. 4. Газоразрядный преобразователь с поразрядным управлением
через резистор 2 и межэлектродный промежуток электрического разрядника. Электромагнитное излучение разрядника воспринимается антенной радиоприёмника. Продетектированный сигнал с выхода приёмника поступает на вход ждущего мультивибратора и открывает его. Сигнал с выхода ждущего мультивибратора поступает на вход схемы управления высоковольтным блоком. Под действием этого сигнала напряжение и на выходе высоковольтного блока начинает уменьшаться. Начавшийся газовый разряд на электродах разрядника прекращается. После прекращения газового разряда начинает расти напряжение и на выходе высоковольтного блока, и процесс повторяется. В выходном контуре 7 формируется низковольтное напряжение, пропорциональное давлению Р газовой среды, в которой помещён разрядник.
Быстродействие преобразователя зависит от постоянной времени зарядной цепи накопительного конденсатора 4, времени запаздывания газового разряда tз, а также постоянной времени контура управления высоковольтным блоком 5.
На рис. 4 приведена схема газоразрядного преобразователя с поразрядным управлением выходным напряжением высоковольтного блока, где приняты следующие обозначения:
Рис. 5. Временная диаграмма изменения напряжения на электродах разрядника газоразрядного преобразователя с поразрядным управлением
1 - задающий генератор; 2 - модулятор; 3 -высоковольтный трансформатор; 4 - высоковольтный диод; 5 - электрический разрядник, в корпус которого подаётся измеряемое давление Р; 6 - устройство фиксирования момента пробоя газового промежутка; 7 - схема поразрядного управления; 8 - выходной контур.
Задающий генератора вырабатывает зондирующие импульсы, которые поступают на вход модулятора, осуществляющего усиление и амплитудную модуляцию зондирующих импульсов. На управляющий вход модулятора поступает модулирующее напряжение с выхода схемы поразрядного управления. Промодулированные по амплитуде зондирующие импульсы поступают на вход высоковольтного трансформатора, с выхода которого через высоковольтный диод зондирующие импульсы высокого напряжения поступают на электрический разрядник.
Как только амплитуда одного из зондирующих импульсов превысит напряжение пробоя газового промежутка, произойдёт электрический разряд. Момент пробоя газового промежутка фиксируется устройством 6, роль которого может выполнять радиоприёмник. Электрический сигнал с выхода устройства фиксирования момента пробоя газового промежутка поступает на вход схемы поразрядного управления, которая уменьшает напряжение на управляющем входе модулятора таким образом, что начавшийся электрический разряд прекращается. После прекращения газового разряда начинает расти напряжение на выходе схемы поразрядного управления, а значит, и на электродах электрического разрядника, процесс повторяется. Временная диаграмма изменения напряжения на электродах разрядника приведена на рис. 5.
При поразрядном изменении модулирующего напряжения на управляющем входе модулятора
2 амплитуда смежных зондирующих импульсов 9, 10, 11, 12, 13, 14 изменяется на Ли (где i = 10, 11, 12, 13, 14), причём Ли для последующего зондирующего импульса вдвое меньше, чем для предыдущего, и в установившемся режиме
измерения Ли14 < Ли10. Установившийся режим измерения наступает уже после зондирующего импульса 14, т. е. сокращается время определения напряжения пробоя.
Напряжение с выхода схемы поразрядного управления подаётся также в выходной контур, в котором формируется сигнал в виде поразрядного кода, а также низковольтного напряжения постоянного тока, пропорционального напряжению пробоя (ипр) на электродах разрядника, т. е. пропорционального давлению Р газовой среды, в которую помещён электрический разрядник.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шивринский В. Н. Исследование газоразрядных преобразователей воздушных давлений. - Ульяновск : УлГТУ, 2014. - 84 с.
2. Пат. 148666 Российской Федерации на полезную модель, МПК 001Ь 11/00 (2006.01). Газоразрядный преобразователь давления / В. Н. Шивринский; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет - №2014116001/28; заявл. 21.04.2014 ; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34. - 2 с.
3. Заявка на патент Российской Федерации на полезную модель, МПК G01L 11/00 (2006.01). Газоразрядный датчик давления / В. Н. Шив-ринский; заявитель Ульяновский государственный технический университет -№2015109039/28(014305); заявл. 13.03.2015. Решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности (РОСПАТЕНТ) о выдаче патента на полезную модель от 17.04.2015 г.
Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.
Поступила 19.05.2015 г.
