3.5. Датчики давления жидкости и газа

На рис.3.5.1 показан простой датчик давления, использующий принцип сообща­ющихся сосудов. Чаще всего такие датчики применяются для измерения давле­ния газов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U- образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной рту­тью, в результате чего сопротивление в обеих ветвях провода всегда будет про­порционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схе­му моста Уитстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке. Давление, приложенное к одно­му из концов трубки (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе нену­левого сигнала. Чем выше давление в ле­вой части трубки, тем больше сопротив­ление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противополож­ного. Выходное напряжение пропорци­онально разности сопротивлений ΔR в двух плечах моста, незакороченных рту­тью участков провода:

(3.5.1)

Такой датчик обычно калибруется на­прямую в торрах. К сожалению, просто­та является практически единственным его достоинством, потому что он обла­дает целым рядом существенных недо­статков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищен­ностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутны­ми парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детек­тора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении.

Рис.3.5.1. U-образный датчик давления, заполненный ртутью, применяемый для измерения давления газов.

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются ме­ханическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего на­пряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спи­ральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мемб­раны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления. На рис.3.5.2А показан сильфон, преобразующий давление в линейное пере­мещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в элек­трический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорци­ональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диамет­ру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

Рис.3.5.2. А - стальной сильфон, используемый в датчиках давления Servometer Corp., Grove NJ; Б – металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение.

На рис.3.5.2Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линей­ное отклонение. Диафрагма, формиру­ющая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремни­евыми мембранами, методами микротех­нологий.

Мембрана — это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S изме­ряется в Ньютонах на метр (рис.3.5.3Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщи­на мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значе­ниях давления р отклонение центра мембраны z_m и ее механическое напряжение σ_т являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м²):

(3.5.2)

(3.5.3)

где r - радиус мембраны, a g - ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.

Рис.3.5.3. Деформация тонкой пластины (А) и мембраны (Б) под действием давления p.

Для нахождения наименьшей собственной частоты мембраны можно восполь­зоваться следующим соотношением:

(3.5.4)

где ρ — плотность материала мембраны. При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r/g<100, речь уже идет о тонкой пластине (рис.3.5.3А). Если такую пластину закрепить между двумя зажимными кольцами, в системе появит­ся значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и плас­тиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции.

Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линей­но связано с давлением:

(3.5.5)

где Е — модуль Юнга (Н/м²), a ν — коэффициент Пуассона. Максимальное меха­ническое напряжение в пластине тоже является линейной функцией давления:

(3.5.6)

В состав пьезорезистивных датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мем­брана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорцио­нален приложенной силе F. Оба эти элемента могут быть из­готовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком дат­чике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэф­фициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение та­ких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их вы­ходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обла­дают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи темпера­турной компенсации.

Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается меха­ническое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину ΔR.

(3.5.7)

где π_l и π_t - пьзорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направ­лениях, а σ_l и σ_t — напряжения в продольном и поперечном направлениях. Пьезорезистивные коэффициенты определяются ориентацией кремниевого кристалла. Для диффузионного резистора p-типа, имеющего ориентацию <110>, а также для кремниевой квадратной диафрагмы n-типа с ориентацией поверхности <100>, показанных на рис.3.5.4, эти коэффициенты можно найти из аппроксимационного соотношения:

(3.5.8)

Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому на­пряжению, и, следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагают­ся на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений ре­зисторов также будут иметь разные знаки:

(3.5.9)

При включении резисторов в полумостовую схему и при подаче на нее напряже­ния возбуждения Е, выходной сигнал будет равен выражению:

(3.5.10)

Взяв частные производные от V_out, можно найти чувствительность датчика к давлению а_p и его температурный коэффициент b_T:

(3.5.11)

Поскольку коэффициент ∂π₄₄/∂T имеет отрицательное значение, температурная чувствительность также будет отрицательной, что означает, что при увеличении температуры чувствительность падает.

На рис.3.5.5 показана схема еще одного мо­нолитного микродатчика давления, выпускае­мого фирмой Motorola. В этом датчике пьезорезистивный элемент, представляющий собой тензодатчик, формируется методом ионной им­плантации на кремниевой диафрагме. К выво­дам резистора 1 и 3 подводится напряжение воз­буждения. Под прямым углом к направлению тока возбуждения прикладывается давление, вызывающее механическое напряжение диаф­рагмы, которое, в свою очередь, формирует в ре­зисторе поперечное электрическое поле, сни­маемое в виде напряжения с выводов 2 и 4.

Рис.3.5.4. Расположение пьезорезисторов на кремниевой диафрагме.

Та­кой тензодатчик является механическим анало­гом датчика Холла. Использование одного тензоэлемента устраняет необходимость точного согласования четырех тензо и температурночувствительных резисторов, формирующих мост Уитстона, как это было в предыдущей конструкции. Одновременно с этим здесь существенно упро­щены дополнительные цепи, необходи­мые для проведения калибровки и тем­пературной компенсации. Тем не менее схема одноэлементного тензодатчика яв­ляется электрическим аналогом мосто­вой структуры. Балансировка этой схе­мы определяется не точным подбором резисторов, как это было в обычной мо­стовой схеме, а тем, насколько хорошо отрегулировано расположение выход­ных выводов. Для формирования тонкой диаф­рагмы площадью 1мм² используются традиционные травильные реагенты (например, анизотропый раствор гид­разина в воде: N₂H₄*Н₂О). В качестве маскирующих слоев применяется SiО₂, для формирования защитного слоя с ниж­ней стороны подложки —Si₃N₄. Скорость травления при 90°С составляет 1,7мкм/мин. Конечная толщина диафрагмы равняется приблизительно 30мкм.

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной ка­мере, которая может быть как встроенной (рис.6А), так и внешней.

Рис.3.5.5. Схема некомпенсированного пьезорезистивного элемента датчика давления Motorola MPX.

Диффе­ренциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расхо­домерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафраг­мы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонно­го значения.

Рис.3.5.6. Устройство корпусов датчиков: А – абсолютного, Б – дифференциального.

Рис.3.5.7. Примеры корпусов дифференциальных датчиков давления.

Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиков используются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчи­ков, но все они имеют разные корпуса. Например, при изготовлении дифферен­циального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис.3.5.6Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внут­ренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует по­верхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздейство­вать на диафрагму. Корпуса дифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис.3.5.7). В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозион­ными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устрой­ства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов. Для того чтобы не ухудша­лись частотные характеристики системы, воздушная полость датчика почти все­гда заполняется силиконовой мазкой типа Dow Corning DS200. Для всех кремниевых датчиков характерна зависимость их характеристик от температуры. Коэффициент температурной чувствительности таких датчиков, обычно отрицательный, и для получения точ­ных результатов его необходимо компенсировать. Без осуществле­ния температурной компенсации передаточная функция датчика будет выглядеть, как показано на рис.3.5.8А.

Рис.3.5.8. Температурные характеристики пьезорезистивного датчика давления: А – передаточная функция при трех разных температурах; Б – приведенная погрешность для трех значений компенсационных резисторов.

На практике часто достаточно бывает простой температурной компенсации, выполняемой при помощи подключения к датчику последовательного или па­раллельного резистора. Подбирая соответствующее значение резистора, настра­ивают рабочий диапазон выходного напряжения датчика (рис.3.5.8Б). Однако для осуществления более надежной температурной коррекции в широком диапазоне температур необходимо применение более сложных компенсационных цепей, в которых часто используются детекторы температуры. Альтернативой аппаратной коррекции температуры выступает программная. Для этого используется встро­енный детектор температуры, измеряющий температуру датчика давления. Дан­ные обоих датчиков поступают в процессорную систему, где проводится их соот­ветствующая цифровая корректировка.

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меня­ет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих харак­теристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оциф­ровки результатов измерений. В то время как для диафрагм, используемых в пьезорезитивных датчи­ках, необходимо обеспечивать макси­мальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных дат­чиках существенным является переме­щение их центральной части. Диафраг­мы в емкостных датчиках могут быть за­щищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для диф­ференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за не­больших перемещений такой способ за­щиты, к сожалению, работает недоста­точно эффективно, поэтому для них оп­ределяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает мак­симальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова­телей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это осо­бенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески вы­сокого давления.

Рис.3.5.9. Отклонение центральной части планарной и гофрированной диафрагмы одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений.

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, что­бы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда пе­ремещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улуч­шения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовлен­ных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и тол­щины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к суще­ственному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис.3.5.9).

При измерении низких давлений перемещение тонкой пластины или диафрагмы может быть небольшим. Фактически, оно может быть таким маленьким, что тензодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкий выходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в котором отклонение диафрагмы измеряется по ее положению относи­тельно опорной пластины, а не по напряжению внутри материала. Другим спосо­бом решения проблемы измерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчики переменного магнитного сопротивления (ПМС) из­меряют изменение магнитного сопротивления дифференциального трансформа­тора, вызванного перемещением магнитной диафрагмы, возникающего вследствие воздействия на нее внешнего давле­ния. На рис.3.5.10А проиллюстрирована основная идея модуляции магнитного потока. Конструкция, состоящая из Е-образного сердечника и катушки, формиру­ет магнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушный зазор и диафрагму. Маг­нитная проницаемость материала сер­дечника по крайней мере в 1000 раз выше проницаемости воздушного за­зора, поэтому его магнитное со­противление всегда ниже сопротивле­ния воздуха. В связи с этим величина индуктивности всей этой конструкции определяется шириной зазора. При от­клонении диафрагмы величина воз­душного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от направления перемещения, что вызы­вает модуляцию индуктивности. На рис.3.5.11 показана конструк­ция ПМС датчика давления, в котором между двумя половинами корпуса, состоящих из катушки и Е-образного сердеч­ника, размещается магнитно проницаемая диафрагма. Катушки покрыты специ­альным составом, обеспечивающим прочность системы даже при воздействии очень высоких давлений. С двух сторон диафрагмы сформированы узкие рабочие камеры, соединенные с входными портами подачи давления. Рабочий диапазон датчика определяется толщиной диафрагмы, однако полное отклонение диаф­рагмы редко превышает 25...30 мкм, потому такие преобразователи, в основном, применяются для измерения низких давлений. Небольшие поперечные размеры рабочих камер физически защищают мембрану от чрезмерного отклонения в ус­ловиях избыточного давления, поэтому ПМС датчики являются достаточно на­дежными устройствами. При подаче переменного тока возбуждения возникает магнитный поток, захватывающий оба сердечника, воздушные зазоры и диаф­рагму. Таким образом, в состав датчика входят два индуктивных элемента, являю­щихся плечами мостовой схемы (рис.3.5.10Б). Когда на диафрагму действует диф­ференциальное давление, она отклоняется в ту или другую сторону, что приводит к пропорциональному изменению магнитного сопротивления двух воздушных за­зоров. Даже небольшое давление на диафрагму приводит к значительному изме­нению выходного сигнала, намного превышающему уровень шума.

Выходной сигнал ПМС датчика пропорционален магнитному сопротивле­нию плечей индуктивного моста Уитстона, в котором активными элементами яв­ляются индуктивные сопротивления х_1,2. Индуктивность катушки определяется ее геометрией и количеством витков. Если в зону действия магнитного потока поместить материал, обладающий магнитной проницаемостью, то поскольку этот материал имеет низкое сопротивление, часть потока уйдет туда, что приведет к изменению собственной индуктивности катушки.

Рис.3.5.10.Датчик измерения давления по переменному магнитному сопротивлению: А – основной принцип действия, Б – эквивалентная схема.

Индуктивность цепи, а следо­вательно, и ее реактивное сопротивление, обратно пропорциональна магнитно­му сопротивлению, поэтому справедливо следующее выражение: x_1,2=к/d, где к — константа, a d — величина зазора. При возбуждении мостовой схемы высокочас­тотным сигналом ее выходной сигнал модулируется по амплитуде приложенным давлением. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна разбалансу мо­ста, а его фаза соответствует направлению этого разбаланса. На выходе такого датчика иногда ставят демодулятор для получения не переменного, а постоянно­го выходного напряжения.

Рис.3.5.11. Конструкция ПМС датчика для измерения низкого давления: А – схема сборки датчика, Б – устройство датчика.

При измерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазо­на применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В до­полнение к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и неко­торых емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует ис­пользования дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические ме­тоды измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детекти­рования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными яв­ляются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерферен­ции света. Такие преобразователи используют принцип измерения малых пере­мещений Фабри-Перо. На рис.3.5.12 показана упрощенная схема одного из таких датчиков.

Рис.3.5.12. Схема оптоэлектронного датчика давления, использующего принцип интерференции света.

В состав датчика входят следую­щие компоненты: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремни­евой подложке; светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Де­тектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены опти­ческие фильтры Фабри-Перо, имею­щие небольшую разницу по толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые сло­ем из SiО₂, на поверхность которых на­несен тонкий слой алюминия. Оптический пре­образователь похож на емкостной дат­чик давления, описанный в предыдущем разделе, за исключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо, используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сфор­мированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, по­крыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также на­несено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой под­ложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным за­зором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационар­ное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связа­на с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излу­чения меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на из­мерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отражен­ных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяет­ся шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен l/2w.

Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компарато­ром, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину вирту­альной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, со­ответствующим половине средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света, поступающего на детектор. Его выходное напряжение при­меняется при последующей обработке сигналов для получения нормированных ре­зультатов измерений. Поскольку рассматриваемый датчик давления является не­линейным, он обычно встраивается в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его линеаризации. Аналогичные оптические датчики давления реализуются на основе оптоволоконных световодов. Такие дат­чики незаменимы при проведении измерений в труднодоступных зонах, где исполь­зование ВЧ интерферометров невозможно.

При производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компо­нентов, а также в ходе проведения химических и других технологических процес­сов бывает необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении некоторых научных экспериментов, например, в кос­мических исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия дав­ления газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом про­странстве нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.

Вакуум можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регис­трироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут опре­делять очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от традиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно других принципах, которые основываются на некоторых физичес­ких свойствах молекул газов и заключаются в определении числа молекул в за­данном объеме. К таким физическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие.

Вакууметры Пирани — это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. Этот тип измерителей вакуума был разработан первым. В конструкцию само­го простого датчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума зак­лючается в определении количества тепла, теряемого этой пластиной, которое за­висит от давления газа. В основу принципа действия вакууметра Пирани положено открытие Мариана Ван Смолючовски, который установил, что при нагрева­нии объекта его тепловые потери формируются из следующих составляющих:

(3.5.12)

где G_s — теплоотдача в твердые окружающие предметы, G_r — радиационная теп­лопередача, а — площадь нагреваемой пластины, к — коэффициент, характери­зующий свойства газа, а Р_Т — максимальное давление, которое можно измерить данным датчиком.

Рис.3.5.13. А – тепловые потери нагреваемой пластины; Б – передаточная функция вакуумметра Пирани.

Первые два члена представляют собой паразитную теплопро­водность G₀, а третий член соответствует передаче тепла газу G_g. На рис.3.5.13А показано влияние различных факторов на тепловые потери нагреваемой плас­тины. При отсутствии паразитных теплопотерь теплопроводность газа линейно снижается вплоть до абсолютного вакуума. Поэтому при разработке таких уст­ройств всегда стремятся минимизировать факторы, составляющие G₀. Для этого либо используют конструкцию с подвешенной нагреваемой пластиной для уменьшения теп­лового контакта с корпусом датчика, либо применяют дифференциальный метод сниже­ния влияния G₀.

Существует несколько конструкций датчи­ков Пирани, используемых в вакуумной техни­ке. В состав некоторых из них входят две плас­тины, находящиеся при разных температурах. В таких датчиках давление газа определяется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие датчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газа измеряется по величине теплопотерь в окружа­ющие стенки. Для измерения температуры в со­став датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновые терморезисторы. На рис.3.5.14 показан дифференциальный вакуумметр Пирани. Камера датчика разделена на две иден­тичные секции. В одной из секций газ находит­ся при эталонном давлении (например, при 1атм=760торр), а вторая расположена в ваку­умной камере, давление в которой необходи­мо измерить. В каждой камере есть нагревае­мая пластина, которая для уменьшения кондуктивной теплопередачи через окружающие твер­дые предметы подвешена на очень тонких со­единительных элементах. Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем сим­метричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные теплопотери G₀.

.

Рис.3.5.14. Вакуумметр Пирани с термисторами с ОТК, работающими в режиме саморазогрева.

Пластины нагрева­ются при помощи электри­ческих нагревателей. В рас­сматриваемом датчике на­гревательным элементом является термистор с отри­цательным температурным коэффициентом. Сопротивления термисторов равны и имеют сравнительно низкий но­минал, поэтому в них воз­можно протекание процес­са саморазогрева Джоуля. Эталонный термистор S_r включен в схему само­балансирующегося моста, в состав которого входят также резисторы: R_r, R₁ R₂ и ОУ. Мостовая схема автоматически выводит температуру термистора S_r на постоянный уровень T_r, определяемый сопро­тивлениями резисторов моста, на который окружа­ющая температура не оказывает никакого влияния. Отметим, что уравновешивание мостовой схемы осуществляется при помощи цепей как положи­тельной, так и отрицательной ОС, включенных от­носительно ее плечей. Конденсатор С не допускает возникновения в схеме колебательных режимов. То же самое напряжение Е, которое используется для нагрева эталонной пластины, подается на термис­тор S_ν, расположенный на чувствительной пласти­не, через резистор R_ν, равный резистору R_r. Выход­ное напряжение снимается относительно чувстви­тельного термистора и моста. Передаточная функ­ция такого датчика показана на рис.3.5.13Б. Вакуумметрам иногда приходится работать с газами, ко­торые могут загрязнить их чувствительную пласти­ну, поэтому в их состав также должны входить со­ответствующие фильтры.

Ионизационные датчики напоминают вакуумные лампы, ис­пользуемые в качестве усилителей в старых радио­приемниках. Ток ионов между пластиной и нитью накаливания почти линейно зависит от плотнос­ти молекул (давления). Лампы вакуумных датчиков имеют обратное включение: на сетку по­дается высокое положительное напряжение, а пла­стина подсоединяется к низкому отрицательному напряжению. Выходным сигналом ионизационно­го датчика является ток ионов i_p снимаемый с пла­стины, пропорциональный давлению и току элек­тронов i_g на сетке. В настоящее время используется усовершенствованная модель этого датчика, назы­ваемая измерителем Баярда-Алперта. Он обла­дает большей чувствительностью и стабильностью и может измерять более низкие давления. Его прин­цип действия аналогичен предыдущему датчику, но измеритель Баярда-Алперта имеет другую конст­рукцию, в нем пластина заменена на провод, окру­женный сеткой, а нить накаливания катода выне­сена наружу (рис.3.5.15Б).

Рис.3.5.15. Ионизационный вакуумный датчик (А), измеритель Баярда-Алперта (Б), датчик газового сопротивления.

При столкновении молекул газа с подвижным объектом, они теряют свою энер­гию. В этом заключена основная идея датчика с вращающимся ротором. В рассматриваемом датчике (рис.3.5.15В) маленький стальной шарик диаметром 4,5 мм при помощи магнитов удерживается в подвешенном состоянии внутри ваку­умной камеры и при этом вращается с частотой 400 Гц. Магнитный момент шари­ка индуцирует напряжение в расположенных по бокам чувствительных катушках. Молекулы газов, сталкиваясь с шариком, замедляют его скорость вращения. По величине изменения скорости вращения судят о давлении газа в камере:

(3.5.13)

где ρ и а — плотность и радиус шарика, ω^’/ω — относительное изменение скорости вращения, с — средняя скорость молекул газа, α — коэффициент теплового рас­ширения шарика, а Т^’ — температура шарика.