Устройство измерения давления газа

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению давления газа в диапазоне низкого и среднего вакуума и давления выше атмосферного в промышленных и лабораторных условиях для контроля технологических процессов, исследованиях и управления устройствами автоматики АСУ ТП. Сущность: устройство содержит датчик давления газа - кварцевый резонатор с колебаниями изгиба, генератор резонатора, преобразователь ток-напряжение, усилитель первичного сигнала, источник опорного напряжения, блок компенсации температурной погрешности измерения, блок цифровой обработки сигнала, содержащий АЦП, ПЗУ, микроконтроллер, цифровой индикатор. Дополнительно содержит блок с настраиваемым точечным светодиодным индикатором измеряемых значений. При этом генератор резонатора построен на основе КМОП инверторов, преобразователь ток-напряжение содержит интегрирующую RC-цепочку, падение напряжения на которой является первичным сигналом, а усилитель первичного сигнала содержит инструментальные усилители и дифференциальный усилитель, выполняющие нелинейное преобразование первичного сигнала по кусочно-линейной зависимости. Технический результатом, при реализации заявленного решения, выступает оптимизация схемы формирования и преобразования первичного сигнала, упрощения процедуры настройки уровня выходного сигнала, настройки компенсации температурной погрешности, снижение погрешностей измерения. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения давления газа в диапазоне среднего и низкого вакуума и при давлениях выше атмосферного на основе использования, изменения импеданса кварцевого резонатора камертонного типа при изменении давления газа. В известных устройствах измерения давления газа с помощью кварцевого резонатора камертонного типа и резонаторов с колебаниями изгиба. Измерения осуществляют по изменению резонансной частоты кварцевого резонатора, при работе резонатора в схеме автогенератора [Пат. US 4959999], по изменению добротности или времени затухания свободных колебаний резонатора, при так называемом ударном возбуждении резонатора [Пат. DE 4040601] и по изменению импеданса кварцевого резонатора или тока протекающего через резонатор на резонансной частоте, который в свою очередь пропорционален амплитуде колебаний кварца, при этом кварцевый резонатор работает в схеме с внешним генератором настроенном на частоту резонанса кварца или в схеме автогенератора в которой кварцевый резонатор включен в колебательный контур и является элементом положительной или отрицательной связи усилителя [M. Hirata et al. "Design and testing of a quartz friction vacuum gauge using a self-oscillating circuit", J. Vac. Sci. Technol. A(5), pp. 2396 (1987); Пат. DE 3641842; JPH 03235030; JPH 06137977; JP 2008164541]. При измерении давления газа с использованием метода измерения изменения импеданса кварцевого резонатора основной инструментальной погрешностью является погрешность связанная с изменением температуры преобразователя. Известна электрическая схема преобразователя, измеряющего, ток протекающий через резонатор и используемая в устройстве измерения давления газа с кварцевым резонатором камертонного типа [M. Hirata et al. "Design and testing of a quartz friction vacuum gauge using a self-oscillating circuit", J. Vac. Sci. Technol. A(5), pp. 2396 (1987)]. Известный преобразователь представляет собой устройство, обеспечивающее малый уровень возбуждения резонатора и является автогенератором, содержащим непосредственно в колебательном контуре усилитель-преобразователь ток-напряжение. Дополнительно известный преобразователь содержит фазосдвигающую резистивно-емкостную цепь, электронные ключи, управляющие подачей напряжения возбуждения резонатора, драйвер электронных ключей, состоящий из компаратора и инвертора. Однако в известной электронной схеме устройства измерения давления газа не описаны элементы настройки, усиления и смещения выходного сигнала, настройки компенсации температурной погрешности, вторичного преобразования сигнала и индикации измеряемых значений. Известная схема является автогенератором с встроенными в колебательный контур драйвером электронных ключей, ключами, преобразователем ток-напряжение, фазовращателем. Входные и выходные параметры каждого из этих компонентов оказывают влияние на параметры колебательного контура и на измеряемый сигнал, создавая дополнительные погрешности, в том числе и температурно-зависимые.

Известно устройство измерения давления газа на основе измерения импеданса или амплитуды колебаний кварцевого резонатора с возможностью поддержания определенной температуры резонатора [Пат. DE 3641842], содержащее, кварцевый резонатор, блок измерения, усилитель, выпрямитель, регулятор температуры, процессор и индикатор измеряемых значений давления газа. Однако в известном устройстве не представлена конструкция и работа блоков генератора, формирования и усиления первичного сигнала, настройки смещения выходного сигнала и настройка компенсации температурной погрешности.

Известен вакуумметр на основе кварцевого резонатора с измерением импеданса резонатора в зависимости от давления газа с возможностью коррекции измеряемого сигнала в зависимости от химического состава газа, а именно, индивидуальных значений вязкости и молярной массы газа [JPH 03235030], содержащий кварцевый резонатор, блок генератора, преобразователь ток-напряжение, усилитель, выпрямитель, инвертор, усилитель с регулировкой напряжения смещения выходного сигнала от 0 до 10 В, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), драйвер дешифратора и цифровой индикатор измеряемых значений давления. Однако в известном вакуумметре не рассматривается устройство и работа генератора, преобразователя тока в напряжение, блока усилителя и усилителя с регулировкой смещения, а также температурная компенсация выходного сигнала.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство измерения давления газа с использованием кварцевого резонатора с измерением импеданса и стабилизацией температуры резонатора пленочным нагревателем [JP 2008164541], содержащее кварцевый резонатор камертонного типа, блок преобразования ток-напряжение, выпрямитель, усилитель, источник опорного напряжения (ИОН), стабилизатор напряжения, блок подстройки смещения выходного сигнала, частотомер, аттенюатор, делитель частоты, блок управления нагревателем, датчик температуры, АЦП, ПЗУ, процессор и дисплей для отображения результатов измерения. В известном устройстве используется кварцевый резонатор с расположенным на его поверхности пленочным нагревателем. Однако данное устройство, так же, как и аналоги, не содержит описания состава и работы электронных схем блоков генератора, формирования первичного сигнала, преобразователя ток-напряжение, подстройки смещения выходного сигнала, настройки компенсации температурной погрешности, а так же не содержит аналогового усилителя с нелинейным преобразованием сигнала и точечного светодиодного индикатора с настройкой напряжения порогов срабатывания светодиодов.

Задача изобретения - оптимизация схемы формирования и усиления первичного сигнала, снижение инструментальных погрешностей измерения и преобразования, расширение функциональных возможностей устройства, оптимизация техники настройки и коррекции выходного сигнала. Эта задача решается путем использования настраиваемого точечного светодиодного индикатора, а так же, формирования первичного сигнала как падения напряжения на нагрузочном резисторе в цепи питания генератора с кварцевым резонатором и использования инструментальных усилителей, дифференциального усилителя, терморезисторов и резисторов подстройки смещения выходного сигнала, коэффициентов усиления инструментальных усилителей и чувствительности терморезисторов.

Схема предлагаемого устройства измерения давления газа представлена на рис. 1, и содержит блок автогенератора 1 на основе КМОП (комплементарные транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник) микросхемы 2 с шестью попарно соединенных инверторами INV1-INV2, INV3-INV4, INV5-INV6, с кварцевым резонатором (Кв1) и резистором обратной связи R1, нагрузочный резистор R2, сглаживающего пульсации тока конденсатор С1, источник опорного напряжения 3, линейный стабилизатор напряжения 4, блок смещения выходного напряжения и компенсации температурной погрешности 5, состоящей из подстроечных резисторов R3, R4, R6, R7 и терморезисторов R5, R8, блок нелинейного усиления 6 первичного сигнала падения напряжения на нагрузочном резисторе R2, состоящий из инструментальных усилителей ИУ1, ИУ2, резисторов подстройки R9, R10 коэффициента усиления инструментальных усилителей, дифференциального усилителя ОУ1, блок точечной светодиодной индикации 7 состоящий из компараторов ОУ2, ОУ3, ОУ4, ОУ5, подстроечных резисторов R11, R12, R13, R14 для настройки напряжения срабатывания компараторов и светодиодов HL1, HL2, HL3, HL4, блок цифровой обработки сигнала и индикации 8, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 10, микроконтроллера 11 и цифрового индикатора 12. Вывод 13 предназначен для использования преобразованного аналогового сигнала в качестве управляющего при подключении к внешним устройствам.

Предлагаемое устройство измерения давления газа работает следующим образом. Ток потребления генератора собранного на микросхеме 2 определяется сопротивлением электронных компонентов и сопротивлением кварцевого резонатора. При этом данный генератор работает на частоте последовательного резонанса, что соответствует минимальному значению сопротивления кварцевого резонатора. Изменение сопротивления резонатора связанное с диссипацией энергии колебаний в газе за счет трения, определяется изменением активной составляющей импеданса резонатора. Таким образом, общее сопротивление генератора или ток во внешней цепи питания пропорционален активной мощности рассеяния кварцевым резонатором за счет трения в газе. Мощность рассеяния пропорциональна давлению газа. Ток в цепи питания генератора создает падение напряжения на последовательно включенном нагрузочном сопротивлении R2. Сигнал падения напряжения на резисторе R2 является первичным сигналом, и поступает на один из входов инструментальных усилителей ИУ1 и ИУ2 в схеме с параллельным включением инструментальных усилителей рис. 1, а в схеме с последовательным включением инструментальных усилителей рис. 2, только на вход ИУ1. Коэффициент усиления ИУ1 меньше коэффициента ИУ2 и устанавливаются внешними резисторами соответственно R10 и R9. На вторые входы инструментальных усилителей подается напряжение смещения выходного сигнала с подстроечных резисторов R3 и R6. Последовательно с резисторами R3 и R6 включены параллельно соединенные терморезисторы R5, R8 с подстроечными резисторами R4, R7. С помощью терморезисторов производится компенсация температурной погрешности смещения входного сигнала, а с помощью подстроечных резисторов R4, R7 производится настройка чувствительности терморезисторов. Выходные сигналы инструментальных усилителей подаются на вход дифференциального усилителя ОУ1, с единичным коэффициентом усиления, выполняющего роль вычитателя, в параллельной схеме включения рис. 1, а при последовательной схеме рис. 2 выходной сигнал инструментального усилителя ИУ1 дополнительно подается на вход ИУ2. Выходной сигнал дифференциального усилителя ОУ1 передается на АЦП 9 блока цифровой обработки сигнала 8 и на один из входов компараторов ОУ2, ОУ3, ОУ4, ОУ5 блока точечного светодиодного индикатора 7. На второй вход компараторов подается напряжение смещения сигнала, с помощью подстроечных резисторов R11, R12, R13, R14 блока 7 устанавливающих пороги срабатывания компараторов, которые соответствуют значениям измеряемого давления. Сигнал с выхода АЦП 9 последовательно поступает на ПЗУ 10, микроконтроллер 11 и цифровой индикатор значения измеряемого давления 12.

Инструментальные усилители и дифференциальный усилитель выполняют нелинейное усиление первичного сигнала на основе кусочно-линейного преобразования. Сигнал на выходе блока преобразования 6 для схем с параллельным и последовательным включением инструментальных усилителей можно представить в формульном виде:

- в диапазоне значений входного первичного сигнала Uвх>Uсм2 для параллельной схемы включения инструментальных усилителей, выходной сигнал блока 6 равен:

Uвых.пар=K1(Uвх±UR8ΔT°C);

для последовательной схемы:

Uвых.посл=К1(Uвх±UR8ΔT°С);

- в диапазоне Uвх<Uсм2 для параллельной схемы включения, выходной сигнал блока 6 равен:

Uвых.пар=К1(Uвх±UR8ΔT°С)-К2(Uвх±UR5ΔT°C);

для последовательной схемы:

Uвых.пар=К1(Uвх±UR8ΔT°С)-К1К2(Uвх±UR5ΔT°C);

где: К1 и К2 - устанавливаемые коэффициенты усиления инструментальных усилителей; UR8ΔT°С и UR5ΔT°С - падение напряжения, создаваемое терморезисторами R8 и R5 в цепи смещения выходного сигнала и термокомпенсации - блок 5;

Uвх - напряжение первичного сигнала.

Источник опорного напряжения 3 обеспечивает питание генератора 1, блока резисторов подстройки напряжения смещения и термокомпенсации 5, инструментальных и дифференциального усилителя блока 6 и подстроечных резисторов блока светодиодной индикации. Линейный стабилизатор напряжения 4 питает компараторы блока 7 и блок цифровой обработки сигнала и индикации 8.

Устройство измерения давления газа, содержащее кварцевый резонатор, генератор, преобразователь ток-напряжение, усилитель, устройство смещения выходного напряжения, устройство компенсации температурной погрешности, датчик температуры, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), микроконтроллер, цифровой индикатор, источник опорного напряжения (ИОН), стабилизатор напряжения, отличающийся тем, что дополнительно содержит точечный светодиодный индикатор с резисторами настройки напряжения срабатывания светодиодов, компараторов напряжения и светодиодами, при этом генератор кварцевого резонатора содержит шесть инверторов микросхемы КМОП структуры, соединенных попарно, один резистор обратной связи и кварцевый резонатор, преобразователь ток-напряжение содержит нагрузочный резистор и конденсатор, при этом конденсатор включен параллельно нагрузочному резистору, а резистор включен в цепь питания генератора последовательно, усилитель первичного сигнала падения напряжения на нагрузочном резисторе содержит два инструментальных усилителя с резисторами подстройки коэффициента усиления и один дифференциальный усилитель, устройство смещения выходного сигнала и компенсации температурной погрешности содержит две схемы подстройки сигнала, каждая из которых содержит подстроечный резистор смещения выходного сигнала, соединенный последовательно с параллельно соединенными терморезистивным датчиком и резистором подстройки чувствительности терморезистивного датчика, при этом один из входов каждого инструментального усилителя соединен с выходом схемы подстройки смещения и температурной компенсации сигнала, а второй вход инструментальных усилителей соединен с первичным выходным сигналом падения напряжения на нагрузочном резисторе, выходы инструментальных усилителей являются входами дифференциального усилителя в параллельной схеме, и выход первого инструментального усилителя является входом дифференциального усилителя и входом второго инструментального усилителя в последовательной схеме включения, а выход дифференциального усилителя является входом для АЦП и компараторов светодиодного точечного индикатора.



 

Похожие патенты:

Использование: измерение давления газа в области низкого и среднего вакуума в диапазоне 0,001-1000 Торр, для измерения адсорбции и конденсации компонентов газа на твердой поверхности вне зависимости от изменения давления и плотности газа.Сущность: в предлагаемом устройстве используются два термочувствительных кварцевых резонатора камертонного типа и полупроводниковый термодатчик.

Изобретение относится к технике измерения среднего и низкого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 0,1 до 105 Па. .

Изобретение относится к технике измерения среднего и низкого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 0,1 до 105 Па. .

Изобретение относится к технической физике и позволяет повысить достоверность контроля вакуума внутри бесштенгельного баллона высокочастотного гармоникового кварцевого резонатора.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения влияния внешних деформаций. .

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить быстродействие способа..В исследуемый газ на расстоянии друг от друга, не превышающем длину свободного пробега молекул газа, вводят молекулярные пучки, один из которых (Н) имеет постоянную плотность частиц вдоль оси распространения, a другой (М) модулирован по плотности с помощью устройства 5 и отклонен на угол скрещивания .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению давления газа в диапазоне низкого и среднего вакуума и давления выше атмосферного в промышленных и лабораторных условиях для контроля технологических процессов, исследованиях и управления устройствами автоматики АСУ ТП. Сущность: устройство содержит датчик давления газа - кварцевый резонатор с колебаниями изгиба, генератор резонатора, преобразователь ток-напряжение, усилитель первичного сигнала, источник опорного напряжения, блок компенсации температурной погрешности измерения, блок цифровой обработки сигнала, содержащий АЦП, ПЗУ, микроконтроллер, цифровой индикатор. Дополнительно содержит блок с настраиваемым точечным светодиодным индикатором измеряемых значений. При этом генератор резонатора построен на основе КМОП инверторов, преобразователь ток-напряжение содержит интегрирующую RC-цепочку, падение напряжения на которой является первичным сигналом, а усилитель первичного сигнала содержит инструментальные усилители и дифференциальный усилитель, выполняющие нелинейное преобразование первичного сигнала по кусочно-линейной зависимости. Технический результатом, при реализации заявленного решения, выступает оптимизация схемы формирования и преобразования первичного сигнала, упрощения процедуры настройки уровня выходного сигнала, настройки компенсации температурной погрешности, снижение погрешностей измерения. 2 ил.

Наверх