CC BY
20
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.387+681.335 В. Н. ШИВРИНСКИЙ
САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
Проведены исследования газоразрядных датчиков, которые показали возможность расширения диапазона и снижения погрешности измерения за счёт изменения напряжения питания релаксационного генератора согласно изменению напряжения пробоя газового промежутка. Такие датчики могут найти применение в быстродействующих измерителях давления повышенной точности.
Ключевые слова: давление, регулирование, релаксационный генератор, электрический разряд.
Газоразрядные датчики 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 датчика (рис. 1) представляет собой релаксационный генератор [1], где в качестве нелинейного элемента используется сам газоразрядный промежуток Р.
Рис. 1. Схема релаксационного генератора: и - напряжение питания;
С - управляющий конденсатор;
Р - электрический разрядник;
Я1, Я2 - сопротивления в цепи заряда и разряда конденсатора С
Датчик работает следующим образом. Конденсатор С запитывается напряжением и и заряжается. Как только напряжение на обкладках конденсатора достигнет напряжения пробоя, произойдёт газовый разряд. При этом за время 11 напряжение на обкладках конденсатора возрастёт до напряжения статического пробоя (Ист), но из-за запаздывания разряд произойдёт в момент 1 = 11 + 1З, где 1З - время запаздывания разряда в разрядном промежутке. За время 1З напряжение на
обкладках конденсатора возрастёт на величину ди, которая и определит погрешность измерения напряжения пробоя в динамическом режиме (Ид). Для исключения влияния напряжения питания на работу электрического разрядника, сопротивление Я выбирается из условия Я] >> Я2.
Схема рис. 1 достаточно проста. Основной её недостаток - изменение частоты разряда с изменением давления, что приводит к изменению условий в разрядном промежутке (например, изменение тока послеразрядной эмиссии) и изменению влияния 1з на выходной сигнал.
Погрешность измерения напряжения пробоя газового промежутка зависит от напряжения питания и давления газа. Напряжение пробоя в динамическом режиме может быть найдено из выражений
1ст + ли, (1)
Ид = и Ид = И
+шИс/Л),
(2)
т. е. погрешность измерения напряжения пробоя обусловлена как временем запаздывания газового разряда, так и скоростью изменения напряжения на обкладках конденсатора. Относительную погрешность измерения напряжения пробоя в динамическом режиме можно представить в виде [2]:
ди/Ист = [1з/(Я:С)][(И - Ист)/Ист].
(3)
© Шивринский В. Н., 2014
Из уравнения (3) следует, что погрешность измерения напряжения пробоя в динамическом режиме можно уменьшить за счёт уменьшения времени запаздывания (уменьшения разброса времени запаздывания газового разряда), увеличения постоянной времени цепи заряда конденсатора и уменьшения разности напряжения питания и напряжения статического пробоя.
Преимущество рассмотренной схемы заключается в том, что количество электричества, протекшее через электрический разрядник, строго дозируется путём подбора ёмкости конденсатора С и сопротивления резистора R2. К недостаткам следует отнести необходимость измерения частоты и напряжения высоковольтного выходного сигнала. К тому же в большинстве известных газоразрядных датчиках давления напряжение питания схемы величина постоянная, поэтому уменьшение влияния разброса времени запаздывания при малой скорости изменения напряжения на электродах разрядника возможно только в ограниченном диапазоне.
Для устранения указанных недостатков автором были разработаны схемы на магнитном усилителе, полупроводниковых приборах [2].
На рис. 2 приведена схема датчика давления с работой разрядника на постоянном токе и с низковольтным выходом [2]. Напряжение питания релаксационного генератора поддерживается с помощью магнитного усилителя (МУ) на уровне, пропорциональном напряжению пробоя в динамическом режиме
Рис. 2. Схема датчика с магнитным усилителем
В датчике имеются два контура управления. Первый контур состоит из магнитного усилителя, нагрузкой которого является высоковольтный трансформатор блока высокого напряжения. Второй контур аналогичен рассмотренной схеме рис. 1. Схема работает следующим образом. При отсутствии управляющего сигнала в обмотке управления магнитного усилителя (нет тока в цепи разрядника Р) напряжение на его выходе начинает нарастать (так как магнитный усилитель инерционное звено, то напряжение на его выходе изменяется не скачком, а постепенно с постоянной времени, зависящей от конструкции магнитного усилителя).
В это же время происходит рост напряжения и на обкладках конденсатора C (разрядника Р). Как только напряжение на электродах разрядника Р достигнет пробойного значения, произойдёт разряд, и через обмотки управления магнитного усилителя пройдёт разрядный ток, напряжение на выходе магнитного усилителя начнёт уменьшаться. Длительность разрядного тока опреде-
ляется параметрами разрядной цепи. Как только разряд прекратится, выходной сигнал ^ых. снова
начнёт возрастать. Процесс повторяется.
Напряжение на входе второго контура поддерживается равным напряжению пробоя в динамическом режиме. Если постоянная времени магнитного усилителя больше постоянной времени зарядной цепи RlC, то скорость нарастания напряжения на разряднике Р к моменту пробоя очень мала, т. е. мало влияние времени запаздывания В случае измерения напряжения на выходе магнитного усилителя отпадает необходимость в оперировании высокими напряжениями.
Результаты испытания датчика по схеме рис. 2 при температуре +20°^ нормальной влажности воздуха, зазора 0,53 мм для алюминиевых электродов приведены на рис. 3. Диапазон измерения на левой ветви (рис. 3, а) зависит от зазора и наибольшего напряжения, которое можно получить с блока высокого напряжения. Измерение давления возможно как на левой, так и на правой ветви кривой Пашена. Чувствительность на левой ветви больше, чем на правой. Но так как при работе на левой ветви необходимо иметь источник более высокого напряжения, то целесообразно использовать правую ветвь, где чувствительность несколько ниже, но не требуется источник высокого напряжения в десятки и даже сотни киловольт.
Как показали экспериментальные исследования, наиболее стабильные характеристики получены для алюминиевых электродов, а также электродов из нержавеющей стали 1Х18Н9Т.
Кроме материала на нестабильность характеристики большое влияние оказывает и состояние поверхности электродов, зависящее от вида механической и термической обработки. Резкое увеличение разброса измеренных напряжений пробоя (при постоянных температуре и давлении) наблюдается для механически полированных электродов.
Разброс напряжений пробоя заметно уменьшается после соответствующей термообработки. Так, для электродов из холоднотянутой малоуглеродистой стали разброс составлял 0,5% (максимальные броски 2%), после вакуумного отжига разброс уменьшился до 0,25%.
В схемах датчиков с магнитным усилителем (рис. 2) 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 датчике [3], функциональная схема которого приведена на рис. 4.
ивык., В
40 34
23 22 16 10
4 6 8 10"2 2 4 6 8 Ю"1?, ммрт.ст.
а)
ивык., В
28
24 20 16 12
0 100 200 300 400 500 Р, ммрт.ст.
б)
Рис. 3. Зависимость выходного напряжения датчика с магнитным усилителем от давления на левой (а) и на правой (б) ветви кривой Пашена
3 2
7 --- 6 -- 8 -- 9
Рис. 4. Датчик давления с гальванической развязкой контура управления высоким напряжением от импульсов в цепи электрического разрядника
мающая электромагнитное излучение при пробое электрического разрядника 1.
Газоразрядный датчик давления работает следующим образом. При включении датчика давления начинает расти напряжение И на выходе высоковольтного блока 5. От этого источника высокого напряжения через резистор 3 заряжается накопительный конденсатор 4. Напряжение на электродах разрядника 1 возрастает. При достижении напряжения пробоя конденсатор 4 разряжается через резистор 2 и межэлектродный промежуток электрического разрядника 1.
\
Газоразрядный датчик давления содержит электрический разрядник 1, размещённый в газовой среде, давление Р которой подлежит измерению, подключённый через резисторы 2, 3 и накопительный конденсатор 4 к выходу высоковольтного блока 5. Выход схемы управления 6 подключён к входам высоковольтного блока 5 и выходного контура 7. К входу схемы управления 6 подключен выход ждущего мультивибратора 8. К входу ждущего мультивибратора 8 подключён выход радиоприёмника 9 электромагнитного излучения газового разряда. К входу радиоприёмника 9 подключена антенна 10, восприни-
Электромагнитное излучение разрядника 1 воспринимается антенной 10 радиоприёмника 9. Продетектированный сигнал с выхода приёмника 9 поступает на вход ждущего мультивибратора 8 и открывает его. Сигнал с выхода ждущего мультивибратора 8 поступает на вход схемы управления 6 высоковольтного блока 5. Под действием этого сигнала напряжение и на выходе высоковольтного блока 5 начинает уменьшаться. Начавшийся газовый разряд на электродах разрядника 1 прекращается. После прекращения газового разряда начинает расти напряжение и на выходе высоковольтного блока 5, и процесс повторяется.
В выходном контуре 7 формируется низковольтное напряжение постоянного тока, пропорциональное пробойному напряжению на электродах разрядника 1, т. е. пропорциональное давлению Р газовой среды, в которой помещён разрядник 1.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шивринский, В. Н. Исследование газоразрядного преобразователя / В. Н. Шивринский // Вестник УлГТУ. - 2002. - №3. - С. 18-22.
2. Шивринский, В. Н. Исследование газоразрядных преобразователей воздушных давлений / В. Н. Шивринский. - Ульяновск : УлГТУ, 2014. - 84 с.
3. Патент 137375 Российской Федерации на полезную модель, МПК 8 О 01 Ь 11/00 (2006.01). Газоразрядный преобразователь давления / В. Н. Шивринский; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет - №2014116001/28; заявл. 21.04.2014; опубл. 10.02.2014, Бюл. №4. - 2 с.
Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.
