CC BY
38
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.387 + 681.335 В. Н. ШИВРИНСКИЙ
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
Приведены структурные метрологические схемы газоразрядных датчиков. Такие датчики могут найти применение в быстродействующих измерителях давления и перемещения повышенной точности.
Ключевые слова: давление, измерение, перемещение, регулирование, 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. Электрическая схема датчика представляет собой релаксационный генератор [2, 3]. В качестве нелинейного элемента используется сам газоразрядный промежуток, реализующий зависимость ипр = ДМ), где ипр - напряжение пробоя газового промежутка; Р - давление газа; d - межэлектродный зазор.
Структурную метрологическую схему релаксационного генератора с газоразрядным датчиком можно изобразить в виде, приведённом на рис. 1, где ПП - предвключённый преобразователь; УС - устройство сравнения; СИЧ - схема измерения частоты; С - управляющий конденсатор релаксационного генератора; СИВН - схема измерения высокого напряжения; ик - компенсирующее напряжение (напряжение на обкладках конденсатора С); и - напряжение питания релаксационного генератора.
Рис. 1. Структурная схема датчика с высоковольтным выходом
Схема работает следующим образом. Конденсатор С релаксационного генератора запитывается напряжением и и заряжается. Как только напряжение Ик на обкладках конденсатора достигнет напряжения пробоя (Ик = Ипр), произойдёт газовый разряд. Конденсатор С разряжается.
© Шивринский В. Н., 2014
Устройством сравнения Ик и Ипр (УС) является сам электрический разрядник.
Достоинствами схемы являются простота устройства и наличие частотного выхода. К недостаткам можно отнести необходимость измерения высокого напряжения и частоты высокого напряжения, нестабильность разряда из-за изменения условий пробоя (изменение частоты ионизации газоразрядного промежутка), ограничение диапазона измерения давления при постоянном напряжении питания, быстрый износ электродов из-за больших токов разряда.
Для устранения указанных недостатков в работе [3] предлагаются схемы на магнитном усилителе, полупроводниковых приборах. Структурная схема датчика с магнитным усилителем представлена на рис. 2, где дополнительно приняты следующие обозначения: БВН - блок высокого напряжения; МУ - магнитный усилитель; ИМУ -напряжение на выходе магнитного усилителя; СИНН - схема измерения низкого напряжения; Ип - напряжение питания магнитного усилителя. С помощью блока высокого напряжения и магнитного усилителя напряжение питания релаксационного генератора поддерживается равным напряжению пробоя в динамическом режиме.
Структурная схема датчика с регулированием напряжения питания полупроводниковыми приборами представлена на рис. 3, где приняты дополнительно следующие обозначения: ЖМВ - ждущий мультивибратор; Кл - полупроводниковый ключ; В - выпрямитель; Тр - трансформатор; И~ - высокое напряжение переменного тока.
С помощью трансформатора и выпрямителя, а также ждущего мультивибратора и полупроводникового ключа напряжение И питания релаксационного генератора поддерживается равным напряжению пробоя в динамическом режиме. Выходной сигнал в схемах рис. 2, 3 может быть снят как с высоковольтной, так и с низковольтной цепи.
Рис. 2. Структурная схема датчика с магнитным усилителем
Рис. 3. Структурная схема датчика с регулированием напряжения питания полупроводниковыми приборами
Ппр УС
ПП
сипэ
ТТк
жмв
Кл
и
С в
и„
Тр
УП
сенн
ХТп
Рис. 4. Структурная схема датчика с изменяемыми параметрами предвключённого преобразователя
Рис. 5. Диаграмма тока послеразрядной эмиссии для алюминиевых электродов в аргоне
Рис. 6. Зависимость числа пробоев от наблюдаемого времени запаздывания для различной степени окисления вольфрамовых электродов
В рассмотренных схемах управление газовым разрядом осуществляется путём изменения меры (компенсирующего напряжения). Иногда целесообразно изменять не только компенсирующее напряжение, но и параметры предвключённого преобразователя. Структурная схема такого газоразрядного преобразователя представлена на рис. 4, где дополнительно приняты следующие обозначения: УП - управляемый преобразователь; СИПЭ - схема измерения перемещения d электродов разрядника. Подобная схема позволяет повысить чувствительность и точность измерения низких давлений в диапазоне, соответствующем произведению Pd вблизи точки перегиба кривой Пашена.
При разработке газоразрядных датчиков необходимо учитывать время запаздывания разряда ^ - время между моментом достижения на электродах напряжения, равного напряжению зажигания разряда, и моментом начала разряда.
Экспериментальные исследования (при одних и тех же условиях опыта) показывают, что ^ не остаётся постоянным, а изменяется в широких пределах. Оно складывается из времени статистического запаздывания зажигания разряда 1;ст (время, в течение которого около катода появится хотя бы один свободный электрон, который положит начало лавине электронов) и времени формирования разряда 1ф, под которым следует понимать время, необходимое для «раскачивания» лавин, время для формирования стримера и время самого пробоя.
Уменьшение 1;ст возможно за счёт ультрафиолетового облучения разрядного промежутка, применения радиоактивного изотопа и специальных материалов электродов, обладающих большой послеразрядной эмиссией. Последнее наиболее приемлемо, т. к. резко уменьшаются размеры датчика, потребляемая энергия. Закон затухания послеразрядной эмиссии гиперболический. Значение тока послеразрядной эмиссии зависит от материала электродов, природы газа, тока предшествующего разряда, его длительности и времени после его окончания.
Диаграмма тока послеразрядной эмиссии для алюминиевых электродов в аргоне приведена на рис. 5 [4]. Ток послеразрядной эмиссии объясняется оседанием положительных ионов на окис-ной плёнке катода и образованием за счёт этого сильного поля в слое, которое за счёт туннельного эффекта будет освобождать электроны из находящихся глубже слоёв металла и за счёт экзо-электронной эмиссии.
На рис. 6 [1] приведена зависимость числа пробоев от наблюдаемого времени запаздывания. Кривая 1 относится к серии из 402
измерений времени запаздывания в случае сильно окисленных электродов из вольфрама; кривая 2 - к аналогичной серии при малоокисленных электродах и кривая 3 - для чистых полированных электродов. По мере увеличения окисления поверхностей среднее время запаздывания уменьшается приблизительно с 200 мкс до 20 мкс. Специальные внешние ионизаторы в этих экспериментах не использовались.
Время формирования разряда 1ф может меняться в значительных пределах в зависимости от условий опыта. В работе [1] экспериментально исследовалось время формирования разряда 1ф в зависимости от давления. Показано увеличение запаздывания при изменении давления от ~20 до 500 мм рт. ст. (при напряжении близком к пробивному), причём по мере увеличения перенапряжения примерно до 2% при всех использовавшихся давлениях время запаздывания уменьшается до 1 мкс.
Представленные структурные метрологические схемы позволяют рассматривать существующие газоразрядные датчики давления с единых позиций и применять для их расчёта, анализа и синтеза методы, которые используются в теории автоматических измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мик, Дж. Электрический пробой в газах / Дж. Мик, Дж Крэгс. - М. : Иностранная литература, 1960. - 483 с.
2. Шивринский, В. Н. Самонастраивающийся газоразрядный датчик давления / В. Н. Шивринский // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2014. - №3. -С. 45-48.
3. Шивринский, В. Н. Исследование газоразрядных преобразователей воздушных давлений / В. Н. Шивринский. - Ульяновск : УлГТУ, 2014. - 84 с.
4. Paetow, H. Über die als Nachwirkung von Gasentladungen an den Elektroden auftretende spontane Elektronen Emission und die Feldelektronenemission an dünnen Isolatorschichten / H. Paetow // Zeitschrift für Physik. - 1939. - Bd. 3, Nr. 11-12. - S. 770-790.
Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.
