УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2018 года по МПК G01L21/16 

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 U_вх>U_см2 для параллельной схемы включения инструментальных усилителей, выходной сигнал блока 6 равен:

U_{вых.пар}=K1(Uвх±U_R8ΔT°C);

для последовательной схемы:

U_{вых.посл}=К1(Uвх±U_R8ΔT°С);

- в диапазоне U_вх<U_см2 для параллельной схемы включения, выходной сигнал блока 6 равен:

U_{вых.пар}=К1(Uвх±U_R8ΔT°С)-К2(Uвх±U_R5ΔT°C);

для последовательной схемы:

U_{вых.пар}=К1(Uвх±U_R8ΔT°С)-К1К2(Uвх±U_R5ΔT°C);

где: К1 и К2 - устанавливаемые коэффициенты усиления инструментальных усилителей; U_R8ΔT°С и U_R5ΔT°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.

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.

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.