RU2069329C1

RU2069329C1 - Method of determination of gas pressure and device for its implementation

Info

Publication number: RU2069329C1
Authority: RU
Inventors: Николай Петрович Березненко; Юрий Алексеевич Скрипник; Анна Ивановна Химичева
Original assignee: Киевский технологический институт легкой промышленности
Priority date: 1992-08-18
Filing date: 1992-08-18
Publication date: 1996-11-20

Abstract

FIELD: method is intended for determination of pressure of rarefied gases with the help of thermocouples. SUBSTANCE: thermojunction is placed into gas atmosphere, constant current is passed through it, emf is measured and is used to find pressure. In this case first electrodes of thermocouple are deenergized, compensating voltage of opposite polarity is input in series with thermocouple, compensated voltage is adjusted till zero difference of compared voltages is obtained. Constant current is passed through electrodes of thermocouple in direction which causes cooling of thermojunction. Current is smoothly increased to obtain maximum value of difference voltage and first value of difference voltage is measured. Then direction of current is changed to opposite one. Device for implementation of method incorporates measurement bottle joined to space of gas volume where two electrodes made of different materials, their midparts being in electric contact and forming common junction, source of constant voltage, millivoltmeter, two slide-wires, low resistance resistor, operational amplifier and two two-pole switches are located. Like inputs of switches are connected to outputs of first slide-wire via mobile contact, unlike inputs are interconnected. Outputs of switches are connected to input terminals of electrodes which output terminals are linked via low-resistance resistor to forward and inverse inputs of operational amplifier to which output millivoltmeter is connected. Terminals of low-resistance resistor are coupled to output of second slide-wire via mobile contact. Inputs of first and second slide-wires are connected to output of source of constant voltage. EFFECT: provision for increased accuracy due to exclusion of influence of instability of current passed through junction and of instability of temperature of junction and free ends of thermocouple. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения давления разреженных газов с помощью термопар, измеряющих температуру нагретого или охлажденного тела в условиях вакуума. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the pressure of rarefied gases using thermocouples that measure the temperature of a heated or cooled body in a vacuum.

Известен способ определения давления разреженных газов [1] заключающийся в том, что спай термопары, помещенный в исследуемую газовую среду, приводят в тепловой контакт с проволочным нагревателем, пропускают через нагреватель электрический ток, измеряют генерируемую термопарой ЭДС и определяют давление разреженного газа по градуировочной зависимости

где Р давление, Е_макс максимальная ЭДС термопары при минимальном давлении, Е ЭДС термопары при измерении текущего Р, А - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров датчика и температуры окружающей среды.A known method for determining the pressure of rarefied gases [1] is that the junction of thermocouples placed in the test gas medium is brought into thermal contact with a wire heater, electric current is passed through the heater, the emf generated by the thermocouple is measured, and the pressure of the rarefied gas is determined by the calibration dependence

where P is the pressure, E _{max is the} maximum EMF of the thermocouple at the minimum pressure, E is the EMF of the thermocouple when measuring the current P, A is a coefficient depending on the design parameters of the sensor and the ambient temperature.

Устройство для определения давления разреженных газов (термопарный вакуумметр) представляет собой герметизированную колбу цилиндрической формы, в которую вмонтированы электрический нагреватель и термопара. Средняя часть нагревателя и спай термопары находятся в тепловом контакте благодаря металлической перемычке. Применяются термопарные датчики давления двух типов, ЛТ-2 в стеклянном корпусе и ЛГ-4М в металлическом. Рабочий ток нагревателя для каждого из датчиков определяется экспериментально по максимальной ЭДС (10 мВ) при давлении в колбе менее 10 ^-4 мм рт.ст. Диапазон измеряемых давлений находится в интервале значений 5•10^-1 10^-3 мм рт.ст.A device for determining the pressure of rarefied gases (thermocouple vacuum gauge) is a sealed cylindrical flask in which an electric heater and a thermocouple are mounted. The middle part of the heater and thermocouple junction are in thermal contact due to a metal jumper. Two types of thermocouple pressure sensors are used, LT-2 in a glass case and LG-4M in a metal one. The operating current of the heater for each of the sensors is determined experimentally by the maximum emf (10 mV) at a pressure in the flask of less than 10 ^-4 mm Hg. The range of measured pressures is in the range of 5 • 10 ^-1 10 ^-3 mm Hg.

Для расширения диапазона измерений в сторону малых давлений используют способ, основанный на применении форсированного температурного режима путем максимального увеличения рабочего тока через нагреватель. Это позволяет обнаруживать изменения ЭДС термопары при больших разрежениях газа. To expand the measurement range in the direction of low pressures, a method is used based on the use of the forced temperature regime by maximizing the operating current through the heater. This makes it possible to detect changes in the EMF of a thermocouple at large gas rarefactions.

Термопарные измерительные преобразователи давления разреженных газов незаменимы при дистанционных измерениях давления во взрывоопасных и агрессивных средах, где ионизация и электроразряд не допускаются. Thermocouple pressure transmitters of rarefied gases are indispensable for remote pressure measurements in explosive and aggressive environments where ionization and electric discharge are not allowed.

Недостатком известных способов и устройств является большая погрешность измерения (до ±30% ) из-за нестабильности градуировочной характеристики в процессе эксплуатации. Это объясняется сильной зависимостью ЭДС, генерируемой термопарой, от электрической мощности, которая рассеивается в нагревателе, и теплопроводности самого нагревателя, которые изменяются независимо от давления. Так, непостоянство протекающего тока и его зависимость от температуры не позволяют стабилизировать выделяемую мощность и получить однозначную зависимость ЭДС термопары от давления разреженного газа. Отвод тепла от спая термопары за счет теплопроводности нагревателя из корпуса при больших разрежениях, т.е. при малых плотностях газа, становится соизмеримым с теплопередачей от термопары до стенок колбы за счет теплопроводности исследуемого газа, что создает большие погрешности измерения малых значений давления газа. Нарушение теплового контакта между нагревателем и термопарой также снижает точность контроля глубины вакуума. A disadvantage of the known methods and devices is a large measurement error (up to ± 30%) due to the instability of the calibration characteristics during operation. This is explained by the strong dependence of the EMF generated by the thermocouple on the electric power that is dissipated in the heater and the thermal conductivity of the heater itself, which vary independently of pressure. Thus, the inconstancy of the flowing current and its dependence on temperature do not allow to stabilize the allocated power and to obtain an unambiguous dependence of the EMF of the thermocouple on the pressure of the rarefied gas. Heat removal from the junction of the thermocouple due to the thermal conductivity of the heater from the housing at high vacuum, i.e. at low gas densities, it becomes comparable with the heat transfer from the thermocouple to the walls of the flask due to the thermal conductivity of the test gas, which creates large errors in the measurement of small gas pressure values. Violation of the thermal contact between the heater and the thermocouple also reduces the accuracy of controlling the depth of the vacuum.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения давления разреженных газов [2] заключающийся в том, что спай термопары помещают в исследуемую газовую среду, подводят тепло непосредственно к спаю термопары пропусканием через электроды постоянного тока, измеряют генерируемую термопарой ЭДС, по величине которой определяют количество тепла, отводимого от спая через исследуемую среду, и судят о давлении разреженного газа. The closest in technical essence to the invention is a method for determining the pressure of rarefied gases [2] consisting in the fact that the thermocouple junction is placed in the test gas medium, heat is supplied directly to the thermocouple junction by passing through direct current electrodes, the emf generated by the thermocouple is measured, the value of which determines the amount of heat removed from the junction through the test medium, and judge the pressure of the rarefied gas.

Устройство для измерения давления разреженного газа содержит колбу, соединенную с полостью объема эвакуированного газа, в которой размещены два электрода из различных материалов, средние части которых находятся в электрическом контакте и образуют общий спай, источник постоянного напряжения, соединенный через миллиамперметр со входными зажимами электродов, и милливольтметр, подключенный к выходным зажимам электродов. A device for measuring the pressure of a rarefied gas contains a flask connected to the cavity of the volume of evacuated gas, in which two electrodes of various materials are placed, the middle parts of which are in electrical contact and form a common junction, a constant voltage source connected through a milliammeter to the input terminals of the electrodes, and millivoltmeter connected to the output terminals of the electrodes.

Отвод тепла от общего спая термопары, зависящий от давления газа в измерительной колбе, определяют непосредственно по температуре, измеряемой с помощью милливольтметра. The heat removal from the common junction of the thermocouple, depending on the gas pressure in the measuring flask, is determined directly by the temperature measured using a millivoltmeter.

Диапазон измерения разреженных газов обеспечивается от нескольких единиц до 10^-3 мм рт.ст.The range of measurement of rarefied gases is provided from several units to 10 ^-3 mm Hg.

Однако известный способ и устройство не обеспечивают высокой точности измерения давления. Это объясняется влиянием на ЭДС, генерируемую термопарой, непостоянства электрической мощности, которая рассеивается в нагретом спае термопары. С одной стороны, в спае из различных материалов выделяется или поглощается тепло за счет эффекта Пельтье, пропорциональное силе тока. С другой стороны, в электродах термопары выделяется тепло Джоуля, пропорциональное квадрату силы тока. Непостоянство силы тока приводит к перераспределению этих тепловых потоков. Кроме того, суммарное значение рассеиваемой мощности при этом изменяется. На значение ЭДС, которая генерируется термопарой, сильное влияние оказывают неизбежные изменения температуры спая, помещенного в исследуемую среду с изменяющейся температурой, и температуры, и температуры свободных концов, которая зависит от параметров окружающей среды. However, the known method and device do not provide high accuracy pressure measurements. This is explained by the influence on the EMF generated by the thermocouple, the inconstancy of electric power, which is dissipated in the heated junction of the thermocouple. On the one hand, heat is released or absorbed from various materials in the spa due to the Peltier effect, which is proportional to the current strength. On the other hand, Joule heat is generated in the thermocouple electrodes, which is proportional to the square of the current strength. Variability of the current leads to a redistribution of these heat flows. In addition, the total value of the dissipated power in this case changes. The EMF value generated by the thermocouple is strongly influenced by the inevitable changes in the temperature of the junction placed in the test medium with a changing temperature, and the temperature and temperature of the free ends, which depends on the environmental parameters.

Таким образом, в основу изобретения положена задача повышения точности определения давления разреженных газов с помощью подогревной термопары за счет использования для измерения температуры спая термопары только одного вида тепла и исключения влияния на результат измерения нестабильности тока, пропускаемого через спай, и непостоянства температур спая и свободных концов термопары. Thus, the invention is based on the task of increasing the accuracy of determining the pressure of rarefied gases using a heated thermocouple by using only one type of heat to measure the junction temperature of the thermocouple and eliminating the influence on the measurement result of the instability of the current passed through the junction and the inconsistency of the junction and free ends thermocouples.

Поставленная задача решается тем, что в известный способ определения давления газа, заключающийся в том, что спай термопары помещают в исследуемую среду, пропускают через электроды термопары постоянный ток, измеряют генерируемую термопарой ЭДС и определяют по значению ЭДС давление в разреженной среде, согласно изобретению, введены дополнительные операции:
вначале обесточивают электроды термопары,
вводят последовательно с термопарой компенсирующее напряжение противоположной полярности,
регулируют компенсирующее напряжение до получения нулевой разности сравниваемых напряжений,
пропускают постоянный ток через электроды термопары, при этом ток пропускают в направлении, вызывающем охлаждение спая термопары,
плавно увеличивают ток до получения максимального значения разностного напряжения,
измеряют первое значение разностного напряжения,
изменяют направление тока на противоположное, вызывающее нагрев спая термопары,
измеряют установившееся значение второго разностного напряжения противоположной полярности,
вычисляют алгебраическую разность между первым и вторым значениями разностных напряжений,
с учетом полученной разности определяют давление в исследуемой среде по формуле:

где Р измеряемое давление,
α коэффициент Зеебека,
П коэффициент Пельтье,
F площадь поверхности теплообмена термопары,
R суммарное сопротивление электродов,
DU₁ разностное напряжение при охлаждении спая,
ΔU₂ разностное напряжение при нагреве спая,
K коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке.The problem is solved in that in the known method for determining gas pressure, which consists in placing a thermocouple junction in the test medium, direct current passing through the thermocouple electrodes, measuring the emf generated by the thermocouple and determining the pressure in the rarefied medium by the value of the EMF, according to the invention, additional operations:
first de-energize the thermocouple electrodes,
compensating voltage of opposite polarity is introduced in series with the thermocouple,
adjust the compensating voltage until a zero difference of the compared voltages is obtained,
direct current is passed through the thermocouple electrodes, while the current is passed in the direction that causes the thermocouple junction to cool,
smoothly increase the current to obtain the maximum value of the differential voltage,
measure the first value of the differential voltage
reverse the current direction, causing the thermocouple junction to heat up,
measure the steady-state value of the second differential voltage of opposite polarity,
calculate the algebraic difference between the first and second values of the differential stresses,
taking into account the difference obtained, the pressure in the test medium is determined by the formula:

where P is the measured pressure
α Seebeck coefficient,
P Peltier coefficient,
F thermocouple heat exchange surface area,
R is the total resistance of the electrodes,
DU ₁ differential voltage when cooling the junction,
ΔU ₂ differential voltage when heating the junction,
K is the proportionality coefficient determined during calibration.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство, содержащее измерительную колбу, соединенную с полостью объема эвакуированного газа, в которой размещены два электрода из различных материалов, средние части которых находятся в электрическом контакте и образуют общий спай, источник постоянного напряжения и милливольтметр, введены дополнительные элементы:
два реохорда,
низкоомный резистор,
операционный усилитель,
два двухполюсных переключателя.The problem is also solved by the fact that in the device containing a measuring flask connected to the cavity of the evacuated gas volume, in which two electrodes of various materials are placed, the middle parts of which are in electrical contact and form a common junction, a constant voltage source and a millivoltmeter, additional elements:
two reochords
low resistance resistor
operational amplifier,
two bipolar switches.

При этом введенные элементы соединены между собой и с ранее используемыми элементами следующим образом:
одноименные входы двухполюсных переключателей соединены с выходами первого реохорда через его подвижный контакт,
разноименные входы двухполюсных переключателей соединены между собой,
выходы переключателей соединены с входными зажимами электродов,
выходные зажимы электродов через низкоомный резистор соединены с прямым и инверсным входами операционного усилителя,
к выходу усилителя подключен милливольтметр,
зажимы низкоомного резистора соединены с выходами второго реохорда через его подвижный контакт, при этом входы первого и второго реохордов подключены к выходу источника постоянного напряжения.At the same time, the entered elements are interconnected and with previously used elements as follows:
the inputs of the same name of the bipolar switches are connected to the outputs of the first rechord through its movable contact,
opposite inputs of bipolar switches are interconnected,
the outputs of the switches are connected to the input terminals of the electrodes,
the output terminals of the electrodes through a low resistance resistor are connected to the direct and inverse inputs of the operational amplifier,
a millivoltmeter is connected to the amplifier output,
the terminals of the low-resistance resistor are connected to the outputs of the second rechord through its movable contact, while the inputs of the first and second rechords are connected to the output of the constant voltage source.

На чертеже представлена схема устройства для определения давления газа. The drawing shows a diagram of a device for determining gas pressure.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, реохорд 2 с подвижным контактом, двухполюсные переключатели 3 и 4, электроды 5 и 6 из различных материалов с общим спаем 7, измерительную колбу 8, связанную с полостью эвакуируемого объема газа, низкоомный резистор 9, реохорд 10 с подвижным контактом, операционный усилитель 11 и милливольтметр 12. The device contains a constant voltage source 1, reochord 2 with a movable contact, bipolar switches 3 and 4, electrodes 5 and 6 from various materials with a common junction 7, a measuring flask 8 connected to the cavity of the evacuated gas volume, a low resistance resistor 9, reohord 10 with a movable contact, operational amplifier 11 and millivoltmeter 12.

К источнику 1 напряжения через реохорд 2 с подвижным контактом подключены одноименными входами переключатели 3 и 4, при этом их разноименные входы соединены между собой. Выходы переключателей 3 и 4 соединены с входными зажимами электродов 5 и 6, средние части которых соединены между собой и образуют общий спай 7, помещенный в колбу 8. Выходные зажимы электродов через низкоомный резистор 9 соединены с входами операционного усилителя 11, к выходу которого подключен милливольтметр 12. Потенциальные зажимы резистора 9 через подвижный контакт реохорда 10 подключены к выходу источника 1 напряжения. To the voltage source 1 through reochord 2 with a movable contact connected by the inputs of the same name switches 3 and 4, while their opposite inputs are interconnected. The outputs of the switches 3 and 4 are connected to the input terminals of the electrodes 5 and 6, the middle parts of which are interconnected and form a common junction 7 placed in the flask 8. The output terminals of the electrodes are connected through the low-impedance resistor 9 to the inputs of the operational amplifier 11, to the output of which a millivoltmeter is connected 12. The potential clamps of the resistor 9 through the movable contact of the reochord 10 are connected to the output of the voltage source 1.

Способ определения давления газа осуществляется следующим образом. The method of determining gas pressure is as follows.

Спай двух электродов из различных материалов, образующих термопару, помещают в исследуемую газовую среду, давление которой надо определить. Из-за разности температур исследуемой газовой среды, в которой расположен спай термопары и окружающей среды, куда введены свободные концы термопары, возникает термоЭДС. Последовательно с термопарой вводят компенсирующее напряжение противоположной полярности, которое регулируют до получения нулевой разности сравниваемых напряжений. Затем пропускают через электроды термопары электрический ток. При этом напряжение тока выбирают таким, чтобы вызвать охлаждение спая термопары относительно исследуемой среды. В результате поглощения теплоты Пельтье в спае его температура понижается до значения:
T₂=T₁-ΔT₁ (1)
где Т₂ температура охлажденного спая,
ΔT₁ понижение температуры спая относительно исследуемой среды.A junction of two electrodes of various materials forming a thermocouple is placed in the test gas medium, the pressure of which must be determined. Due to the temperature difference of the investigated gas medium, in which the junction of the thermocouple and the environment where the free ends of the thermocouple are inserted, thermoEMF arises. In series with the thermocouple, a compensating voltage of opposite polarity is introduced, which is regulated until a zero difference of the compared voltages is obtained. Then an electric current is passed through the thermocouple electrodes. In this case, the voltage is chosen so as to cause cooling of the junction of the thermocouple relative to the investigated medium. As a result of the absorption of Peltier heat in the junction, its temperature decreases to:
T ₂ = T ₁ -ΔT ₁ (1)
where T _{2 is the} temperature of the cooled junction,
ΔT ₁ decrease in junction temperature relative to the medium under study.

Наряду с поглощением тепла в спае происходит и выделение тепла Джоуля в объеме электродов. Перераспределение выделяющегося тепла в основном осуществляется за счет электродов, имеющих высокую теплопроводность по сравнению с теплопроводностью разреженного газа. Поэтому можно считать, что половина тепла Джоуля из электродов переносится в холодный спай, а половина
к свободным концам термопары, где оно рассеивается в окружающую среду. Таким образом, тепло, поглощаемое холодным спаем термопары в единицу времени

(2)
где П коэффициент Пельтье, зависящий от материалов электродов,
I ток, протекающий через спай термопары,
R суммарное сопротивление электродов.Along with the absorption of heat in the junction, Joule heat is also released in the volume of the electrodes. The redistribution of the heat generated is mainly due to electrodes having a high thermal conductivity compared with the thermal conductivity of a rarefied gas. Therefore, we can assume that half of the Joule heat from the electrodes is transferred to the cold junction, and half
to the free ends of the thermocouple, where it dissipates into the environment. Thus, the heat absorbed by the cold junction of the thermocouple per unit time

(2)
where P is the Peltier coefficient, depending on the materials of the electrodes,
I current flowing through the thermocouple junction,
R is the total resistance of the electrodes.

При плотности газа, соответствующей области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности, так как в передаче тепла от нагретой поверхности к холодной и наоборот участвует много молекул, что приводит к постоянству среднего по объему значения теплопроводности среды. Однако при уменьшении давления газа его плотность, т.е. количество газа или воздуха в замкнутом объеме, уменьшается и, соответственно, возрастает длина свободного пробега молекул газа. Когда средняя длина свободного пробега молекул становится величиной того же порядка, что и расстояние между охлажденным спаем термопары и более теплыми стенками измерительной колбы, теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул, т.е. остаточным давлением в замкнутом объеме, и практически не зависит от средней скорости движения молекул газа, т.е. от температуры. Таким образом, теплопередача к охлажденному спаю термопары определяется теплопроводностью разреженного газа и однозначно характеризует давление исследуемой среды. At a gas density corresponding to the atmospheric pressure region, the thermal conductivity of the gas is practically independent of density, since many molecules participate in the transfer of heat from a heated surface to a cold one and vice versa, which leads to a constant volume-average thermal conductivity of the medium. However, as the gas pressure decreases, its density, i.e. the amount of gas or air in a closed volume decreases and, accordingly, the mean free path of gas molecules increases. When the average mean free path of molecules becomes the same order of magnitude as the distance between the cooled junction of the thermocouple and the warmer walls of the measuring flask, the thermal conductivity of the gas is determined by the number of remaining molecules, i.e. residual pressure in a closed volume, and practically does not depend on the average velocity of gas molecules, i.e. from temperature. Thus, the heat transfer to the cooled junction of the thermocouple is determined by the thermal conductivity of the rarefied gas and uniquely characterizes the pressure of the medium under study.

Тепловой баланс охлажденного спая определяется уравнением

(3)
где η коэффициент теплопередачи от спая термопары к стенкам измерительной колбы,
F поверхность теплообмена спая термопары.The heat balance of the cooled junction is determined by the equation

(3)
where η is the heat transfer coefficient from the junction of the thermocouple to the walls of the measuring flask,
F the heat exchange surface of the junction thermocouple.

Величина тока через спай выбирается из условия получения его максимального охлаждения, когда

(4)
I_o оптимальный по охлаждению ток.The magnitude of the current through the junction is selected from the condition of obtaining its maximum cooling when

(4)
I _o optimal cooling current.

При протекании через спай оптимального тока

(5)
устанавливается в соответствии с выражением (3) максимальное понижение его температуры

(6)
В результате охлаждения спая термоЭДС уменьшается и обуславливает появление разностного напряжения

(7)
где α коэффициент Зеебека, зависящий от материалов электродов. Плавно увеличивают ток через спай до получения максимального значения DU₁.. Затем измеряют первое значение разностного напряжения ΔU₁..When flowing through the junction of the optimal current

(5)
set in accordance with expression (3) the maximum decrease in its temperature

(6)
As a result of cooling the junction, the thermoEMF decreases and causes the appearance of a differential voltage

(7)
where α is the Seebeck coefficient, depending on the materials of the electrodes. Smoothly increase the current through the junction to obtain the maximum value of DU ₁ .. Then measure the first value of the differential voltage ΔU ₁ ..

Затем изменяют направление протекания тока I_o через спай на противоположное. Так как эффект Пельтье обратимый, то при изменении направления тока вместо охлаждения возникает нагрев спая до температуры
T₃=T₁+ΔT₂ (8)
где Т₃ температура разогретого спая,
ΔT₂ повышение температуры спая относительно исследуемой среды. ТермоЭДС, развиваемая подогретой термопарой, увеличивается, а разностное напряжение изменяет свой знак и увеличивается до значения

(9)
С учетом значения тока I_o из выражения (5) имеем:

(10)
Измеряют установившееся значение второго разностного напряжения ΔU₂. По значениям первого и второго разностных напряжений ΔU₁, ΔU₂ вычисляют их алгебраическую разность. С учетом значений (7) и (10) имеем:

(11)
Давление разреженного газа, которое пропорционально коэффициенту теплопередачи от спая термопары, определяют из выражения (11)

(12)
где К коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе калибровки.Then change the direction of the current I _o through the junction to the opposite. Since the Peltier effect is reversible, when the current direction changes, instead of cooling, the junction heats up to the temperature
T ₃ = T ₁ + ΔT ₂ (8)
where T _{3 is the} temperature of the heated junction,
ΔT ₂ rise in temperature of the junction relative to the test medium. The thermoEMF developed by a heated thermocouple increases, and the difference voltage changes its sign and increases to a value

(9)
Given the value of current I _o from the expression (5) we have:

(ten)
The steady-state value of the second differential voltage ΔU _{2 is} measured. The values of the first and second difference voltages ΔU ₁ , ΔU ₂ calculate their algebraic difference. Given the values of (7) and (10), we have:

(eleven)
The pressure of the rarefied gas, which is proportional to the heat transfer coefficient from the junction of the thermocouple, is determined from the expression (11)

(12)
where K is the coefficient of proportionality determined during the calibration process.

Из полученного выражения (12) видно, что давление разреженного газа определяется измеренными значениями разностных напряжений -ΔU₁ и +ΔU₂,, развиваемых компенсированной термопарой, и параметрами самой термопары α, П и R. При этом результат измерения не зависит от значения тока I_o, пропускаемого через спай термопары, температуры исследуемого газа и окружающей среды. Исключение влияния тепла Джоуля на значение теплопередачи от спая термопары через исследуемую среду делает градуировочную характеристику (12) более крутой и однозначной.From the obtained expression (12) it can be seen that the pressure of the rarefied gas is determined by the measured values of the differential voltages -ΔU ₁ and + ΔU ₂ , developed by the compensated thermocouple, and the parameters of the thermocouple α, P and R. Moreover, the measurement result does not depend on the current value I _o passed through the junction of the thermocouple, the temperature of the test gas and the environment. The exclusion of the influence of Joule heat on the value of heat transfer from the junction of the thermocouple through the medium under study makes the calibration characteristic (12) more abrupt and unambiguous.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Электроды 5 и 6 с общим спаем 7 помещены в измерительную колбу 8, которая соединена с полостью эвакуируемого объема газа. Движок реохорда 2 вначале устанавливают в нижнее положение, что исключает протекание тока через входную цепь электродов 5 и 6. В спае 7 генерируется термоЭДС, пропорциональная разности температуры газа, находящегося в колбе, и температуры внешней среды, в которой находятся свободные концы электродов 5 и 6. С помощью движка реохорда 10 компенсируется выходное напряжение электродов 5 и 6 по нулевому показанию милливольтметра 12, измеряющему усиленную разность сравниваемых напряжений. Затем перемещением движка реохорда 2 вверх плавно увеличивается ток, протекающий через спай 7, вызывая его охлаждение. Увеличивают ток через спай до получения максимального показания милливольтметра 12. Фиксируют показания милливольтметра. The electrodes 5 and 6 with a common junction 7 are placed in a measuring flask 8, which is connected to the cavity of the evacuated gas volume. The rechord engine 2 is first set to the lower position, which excludes the flow of current through the input circuit of electrodes 5 and 6. In junction 7, thermoEMF is generated proportional to the difference between the temperature of the gas in the bulb and the temperature of the environment in which the free ends of electrodes 5 and 6 are located Using the rechord engine 10, the output voltage of the electrodes 5 and 6 is compensated for by the zero reading of the millivoltmeter 12, which measures the amplified difference of the compared voltages. Then, by moving the rechord 2 engine upward, the current flowing through junction 7 gradually increases, causing it to cool. Increase the current through the junction to obtain the maximum reading of the millivoltmeter 12. Fix the readings of the millivoltmeter.

Затем переключатели 3 и 4 переводят в нижнее положение, изменяя тем самым направление протекания тока через спай 7. Показания милливольтметра 12 начинают уменьшаться, становятся равными нулю и после этого возрастают, но в другой полярности. Фиксируют установившееся значение милливольтметра 12. Далее вычисляют алгебраическую разность показаний милливольтметра, соответствующих двум положениям переключателей 5, 6, и по формуле (12) определяют давление газа в колбе. Коэффициент K, входящий в формулу (12), определяют в процессе калибровки по известному давлению газа в колбе 8 и параметрам используемой термопары. Then the switches 3 and 4 are moved to the lower position, thereby changing the direction of current flow through the junction 7. The readings of the millivoltmeter 12 begin to decrease, become equal to zero and then increase, but in a different polarity. The steady-state value of the millivoltmeter 12 is recorded. Next, the algebraic difference of the millivoltmeter readings corresponding to the two positions of the switches 5, 6 is calculated, and the gas pressure in the bulb is determined by formula (12). The coefficient K included in formula (12) is determined during calibration by the known gas pressure in flask 8 and the parameters of the thermocouple used.

Определение разности двух показаний молливольтметра исключает влияние дрейфа нуля операционного усилителя 11, что позволяет использовать усилитель с большим коэффициентом усиления и тем самым расширить диапазон измеряемых давлений вплоть до атмосферного с погрешностью не более 0,5% Determining the difference between the two readings of the molyvoltmeter eliminates the influence of zero drift of the operational amplifier 11, which allows the use of an amplifier with a large gain and thereby expand the range of measured pressures up to atmospheric with an error of not more than 0.5%

Claims

1. The method of determining the gas pressure, according to which a thermocouple junction is placed in the measured gas medium, direct current is passed through its electrodes, the emf generated by the thermocouple is measured, characterized in that the thermocouple electrodes are first de-energized, and the compensating voltage of the polarity opposite to the thermocouple EMF is introduced in series with the thermocouple, regulate the compensating voltage until the EMF of the thermocouple is completely compensated, then direct current is passed through the thermocouple in the direction corresponding to the cooling of the thermocouple They gradually increase the current until the maximum thermo-EMF is obtained, measure the first value of the difference between the thermo-EMF and the compensating voltage, then change the direction of the direct current to the opposite one, causing the thermocouple junction to heat up, measure the steady-state second value of the difference between the thermo-EMF and the compensating voltage, and the pressure P in the measured medium is determined according to the expression:

where α is the Seebeck coefficient;
P is the Peltier coefficient;
F is the heat exchange surface area of the thermocouple;
R is the total resistance of the thermocouple electrodes;
DU _{1 the} first value of the voltage difference (when cooling the thermocouple junction);
ΔU _{2 the} second value of the voltage difference (when heating the junction);
K coefficient determined during calibration.

2. A device for determining gas pressure, containing a measuring flask in communication with the measured medium, in which two electrodes of different materials are placed, the middle parts of which are in electrical contact and form a common junction, a constant voltage source and a millivoltmeter, characterized in that it is equipped two rechords, a low-resistance resistor, an operational amplifier and two bipolar switches, with the first and second outputs of the first rechord connected to the first and second inputs respectively of the first switch and to the second and first inputs of the second switch, the outputs of the first and second switches are connected to the corresponding input terminals of the electrodes, the output terminals of which are connected through the low-resistance resistor to the direct and inverse inputs of the operational amplifier, to the output of which a millivoltmeter is connected, the terminals of the low-resistance resistor are connected to the outputs of the second rechord through its movable contact, while the inputs of the first and second rechords are connected to the output of the constant voltage source .