Спосіб вимірювання тиску газів

Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний в пристроях вимірювання тиску газів. Відомий спосіб вимірювання тиску газів шляхом визначення інтенсивності теплообміну між елементом, що нагрівається та газом [Патент США №4628503, кл. G01L21/12], в котрому використовують мікроскопічних розмірів елемент, отриманий за допомогою мікроелектронної технології. Через елемент пропускають електричний струм, котрий розігріває його. Потужність, що розсіюється, автоматично підбирають таким чином, що величина розігріву підтримується постійною. Тиск визначають по градуйовочній кривій, котра представляє собою залежність потужності, що розсіюється, від температури розігріву. В якості термочутливого елементу, що нагрівається, використовують металічний терморезистор, змонтований на тонкій діелектричній плівці. Для розширення діапазону вимірюваних тисків в область високих тисків спеціально використовують елемент мікроскопічних розмірів, щоб забезпечити різкий градієнт температури біля його поверхні. Такий спосіб має обмежений діапазон вимірюваних тисків - до кількох атмосфер, через те, що довжина вільного пробігу молекул газу при таких тисках досягає величин 10 ¸ 100нм, а мінімальні розміри елементу визначаються можливостями технології виготовлення і складають ~1мкм. До недоліків цього способу слід віднести незручність та значну похибку при визначені значення тиску по градуйовочному графіку чи таблиці. В якості прототипу вибраний найбільш близький по технічній суті та досягаемому результату спосіб вимірювання тиску газів шляхом визначення теплообміну між нагріваним елементом та газом, в якому через нагріваний елемент пропускають електричний струм в імпульсному режимі з тривалістю імпульсу струму меншою за характерний час встановлення стаціонарного розподілу температури в газі при стрибкоподібній зміні температури нагріваного елементу, вимірюють залежність температури розігріву від розсіюваної потужності і по градуйованій залежності визначають тиск газу [патент України №19035 С1 кл. G01L21/10]. Недоліком цього способу є необхідність градуювання пристрою для його реалізації у всьому діапазоні вимірюваних тисків, незручність та значна похибка при визначені значення тиску по градуйовочному графіку чи таблиці. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб вимірювання тиску газів, в якому шляхом періодичного нагріву елементу за гармонійним законом і вимірювання зсуву фази коливання температури газу на фіксованій відстані від нагріваного елементу, тиск визначають по формулі і забезпечують більш високу точність за рахунок зменшення похибки. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому спосібі вимірювання тиску газів шляхом визначення теплообміну між нагріваним елементом та газом, в якому пропускають електричний струм через нагріваний елемент, новим є те, що пропускання електричного струму проводять в періодичному режимі за гармонійним законом, вимірюють зсув фази коливання температури газу на відстані d від нагріваного елементу по відношенню до фази коливання температури нагріваного елементу, а тиск визначають по формулі p = ATDj 2 / d 2 , (1) де Dj - зсув фази коливань температури на відстані d, Т - період коливань температури, А - константа, котра визначається властивостями газу. Висока точність та зручність методу обумовлена тим, що тиск визначають по формулі, в яку входять величини, що можуть бути виміряні з високою точністю (період Т та зсув фаз коливань Dj ) та константи, що визначаються геометрією (відстань d) та властивостями газу (А), а не по градуйовочній кривій. Принцип вимірювання тиску газів, що пропонується, оснований на залежності швидкості розповсюдження температурних хвиль в газі від тиску. Відомо, що довжина вільного пробігу молекул газу обернено пропорційна числу молекул в одиниці об'єму, тобто густині, котра визначається тиском газу. Оскільки коефіцієнт температуропровідності D визначається довжиною вільного пробігу молекул, то він також має обернено пропорційну залежність від тиску: D~1/p. (2) Якщо температура на поверхні нагріваного елементу змінюється по закону: T(t ) = T0 e jwt , де t - час, w - частота температурних коливань, то на відстані d від поверхні елементу при дифузійному переносі тепла температура газу визначається виразом: - d (w / 2D) ( (w / 2D) ) T(t, d) = T0 e e . Таким чином, в стаціонарному режимі зсув фази температурних коливань визначається виразом: j wt -d Dj = d (w / 2D). (3) Підставляючи в (3) замість D обернену величину - тиск р із (2), отримаємо вираз для тиску (1). Спосіб здійснюється таким чином: Спочатку визначають константу А, якщо вона невідома з попередніх вимірювань. Для цього розміщують в газі з відомим тиском р0 нагріваний елемент, пропускають через нього струм, що змінюється за гармонійним законом I = I 0 (1 + Sin(2 pt / T )) , вимірюють фазу коливань температури нагріваного елемента j та фазу коливань 1 температури газу j 2 на відстані d від нагріваного елемента за допомогою малоінерційного термометра. Після визначення різниці фаз Dj = j 2- j 1 визначають константу А за формулою: А=p0d2/T Dj 2, де Dj - зсув фази коливань температури на відстані d, T - період коливань температури, р0 - відомий тиск газу. Якщо константа А відома, то тиск визначають таким чином: розміщують нагріваний елемент в газ, що досліджується, пропускають через нього електричний струм, що змінюється за гармонійним законом I = I 0 (1 + Sin(2 pt / T )) , вимірюють фазу коливань температури нагріваного елемента j та фазу коливань 1 температури газу j 2 на відстані d від нагріваного елемента за допомогою малоінерційного термометра. Після визначений різниці фаз Dj = j 2- j 1 визначають тиск газу по формулі: р=АТ Dj 2/d2, де Dj - зсув фази коливань температури на відстані d, Т - період коливань температури, А -константа. Приклад конкретного виконання винаходу: Беруть нагріваний елемент, виготовлений по мікроелектронній технології, наприклад за [Патент Росії №2085874 Способ изготовления терморезистивного преобразователя], у вигляді нікельованого плівкового резистору, товщиною 0,15мкм та опором ~1000Ом, розташованого на діелектричній мембрані із Si3N4 товщиною 0,35мкм і аналогічний плівковий нікельований резистивний термометр, розташований на відстані 200мкм від нагріваного елементу. Через нагріваний елемент пропускають електричний струм за законом I=5(1+Sin(2 pt /0,005))мА, (t - в секундах). За допомогою мостової схеми виділяють сигнал, пропорційний зміні температури нагріваного елементу, підсилюють та подають на вхід фазометра. На інший вхід фазометра подають сигнал від резистивного термометра, включеного також в мостову схему. Після вимірювання різниці фаз, тиск визначають по формулі (1). Для отримання максимальної точності в широкого діапазону вимірюваних тисків термометр для регістрації зсуву теплової хвилі має мати мінімальну теплоємність та геометричні розміри при максимальному відношенні площі до об'єму.