RU175121U1 - Первичный преобразователь пьезорезонансно-вязкостного вакуумметра - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области вакуумметрии и предназначена для измерения давления газа в диапазоне от 0,1 до более чем 101 000 Па. Сущность полезной модели заключается в том, что в первичном преобразователе сигнала в качестве датчика используется стандартный кварцевый резонатор камертонного типа в цилиндрическом корпусе с отверстием для прохода газа. Корпус резонатора в свою очередь используется для крепления резонатора в блоке. Первичный преобразователь выполнен в виде единой разборной металлической конструкции, содержащей фланцевый вакуумный ввод, корпус преобразователя, крышку корпуса, прижимную гайку, термодатчик, электронную схему генератора и формирователя первичного сигнала. Технический результат: технологичность и удешевление изготовления устройства, в том числе, за счет доступности стандартных кварцевых резонаторов, повышение эффективности термокомпенсации выходного сигнала преобразователя за счет минимизации контролируемого по температуре объема, более эффективная защита от электромагнитных и электростатических помех электронной схемы преобразователя. 3 ил.

Description

Устройство относится к области вакуумметрии и предназначено для измерения общего давления газа в диапазоне ОД - более 101 ООО Па и может применяться для измерения давлений разряженных газов и газов с давлением более атмосферного в составе прибора и как отдельный блок в промышленных и лабораторных условиях, в автоматических системах управления (АСУ) вакуумных устройств, в системах аварийного отключения, управлением вакуумно-технологическими процессами.

Известные вакуумметры содержат обычно датчик и блок электронной обработки сигналов с индикатором показаний, при этом по конструкции они разделяются на моноблочные и с выносным блоком датчика или выносным блоком датчика с первичным преобразователем. В моноблочных вакуумметрах датчик, преобразователь сигналов и индикатор, расположены в едином корпусе. Например, широкодиапазонный вакуумметр (Televac (USA). Руководство по эксплуатации вакуумметра СС-10; http://www.televac.ru) первичный преобразователь которого выполнен в виде единого блока с фланцевым вакуумным вводом и содержит два датчика: инверсно-магнетронный с холодным катодом, с измерением в диапазоне высокого вакуума и пьезорезонанснно-вязкостный кварцевый датчик с измерением в диапазоне среднего и низкого вакуума. Однако в данном вакуумметре используется специальный кварцевый резонатор большого размера, что наряду со сложной конструкцией блока увеличивает стоимость изготовления и использования вакуумметра особенно в тех случаях когда требуется замена кварцевого резонатора.

Известен комбинированный вакуумметр (Пат.4995264 США) для измерения давлений газов в диапазонах низкого и среднего вакуума с возможностью компенсации погрешности связанной с составом газа или молекулярной массой газа. Блок первичного преобразователя известного вакуумметра содержит в общем корпусе фланцевый вакуумный ввод, электронную схему преобразователя, терморезистивный вакуумный датчик и пьезорезонансный кварцевый датчик. Однако в известном преобразователе используется специальный кварцевый резонатор камертонного типа и его крепление к блоку выполнено за основание резонатора с выводами электродов, с помощью электроизоляционного клея, что делает данную конструкцию неразборной, уменьшает эффективность термокомпенсации, особенно при неравномерном нагреве и увеличивает сложность и стоимость изготовления устройства.

Известен пьезорезонансный вакуумметр (Μ. Ono, М. Hirata, К. Kokubun, Η. Murakami, F. Tamura, Η. Hojo, Η. Kawashima, Η. Kyogoku, "Desing and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a controller", J. Vac. Sci. Technol. A. 3 (3), pp.1746-1749 (1985)), содержащий выносной блок со стандартным резонатором и отдельный блок обработки и индикации. Однако в данном приборе резонатор закреплен отдельно от корпуса блока, не рассматривается расположение термокомпенсирующих элементов и схемы генератора. Наиболее близким к заявляемому устройству является комбинированный широкодиапазонный вакуумметр (Пат. 4747311 США), содержащий ионизационный вакуумный датчик, используемый для измерения в диапазоне высокого вакуума и пьезорезонансный кварцевый датчик для измерения в области низкого и среднего вакуума. Кварцевый резонатор, используемый в данном вакуумметре имеет защитный корпус с отверстием для прохода газа и закреплен в блоке за счет выводов электродов резонатора. В корпусе вакуумметра расположена электронная схема обработки сигналов двух датчиков и индикатор показаний. Однако в известном вакуумметре не оговорена возможность использования стандартных кварцевых резонаторов. Электронная схема обработки сигнала и индикатор, расположенные в блоке, содержат все электронные элементы преобразования и обработки первичного сигнала, что увеличивает размер блока и в свою очередь снижает точность контроля температуры пьезорезонансного датчика и температурно-чувствительных элементов электронной схемы, тем самым уменьшает эффективность компенсации температурной погрешности первичного сигнала пьезорезонансного датчика. Таким образом, конструкция известного вакуумметра не является оптимальной в отношении компенсации температурной погрешности, технологичности и стоимости изготовления, а так же возможности замены пьезорезонансного датчика.

Задача предлагаемой полезной модели является снижение инструментальных погрешностей и затрат на изготовление и эксплуатацию прибора за счет использования стандартного кварцевого резонатора, оптимального способа его крепления и уменьшения размера преобразователя первичного сигнала.

Низкочастотные кварцевые резонаторы камертонного типа с колебаниями изгиба по длине являются электронными компонентами широко используемыми в электронных устройствах для стабилизации опорной частоты различных генераторов. (Справочник по кварцевым резонаторам/ Андросова В.Г., Банков В.Н., Дикиджи А.Н. и др.; Под ред. П.Г. Позднякова. - М.: Связь, 1978.-288 с). Массово производятся и доступны в магазинах электронных комплектующих по низкой цене (10- 20 p/шт.) (http://www.quartzl.ru Каталог магазина «Кварц». Радиодетали.). Диапазон резонансных частот данных резонаторов составляет 30-150 кГц. Наиболее распространенными являются так называемые «часовые» резонаторы с резонансной частотой 32768 Гц, применяемые для генерирования сигналов с периодом колебаний 1 секунда, в приборах измерения реального времени. Стандартный кварцевый резонатор камертонного типа 1 (рис. 1), содержит внешние проволочные выводы 2 электродов резонатора 6 для соединения с внешней электрической цепью, заливочную керамическую массу 3 для соединения и крепления кварцевого камертонного резонатора 6 с металлическим основанием 4, металлический корпус цилиндрической формы 7 соединенный вакуумплотно с основанием 4, кварцевый камертон 6 с напыленными, пленочными электродами 5.

Принцип измерения предлагаемого пьезорезонансно-вязкостного преобразователя основан на изменении динамического сопротивления или импеданса резонатора при демпфировании колебаний в газе за счет вязкого или молекулярного трения (Μ. Ono, М. Hirata, К. Kokubun, Η. Murakami, Η. Hojo, Η. Kawashima, Η. Kyogoku, "Quartz friction vacuum gauge for pressure range from 0,001 to 1000 Torr", J. Vac. Sci. Technol. A. 4 (3), pp.1728-1731 (1986)). Основными инструментальными погрешностями преобразователя являются температурная погрешность резонатора и температурно-чувствительных элементов электронной схемы, погрешность, связанная с электромагнитными и электростатическими помехами и погрешность, связанная с неконтролируемым изменением емкости системы резонатор - линия соединения -генератор, в частности при смещении резонатора относительно генератора или внешних воздействиях на эту систему. Температурная погрешность резонатора связана с фундаментальной зависимостью импеданса резонатора от температуры и ее компенсируют с помощью термодатчиков или изготавливая резонатор с менее термозависимым кристаллографическим срезом (Пат. ЕР 0233054). Остальные погрешности компенсируются или устраняются соответственно с применением термодатчиков, экранированием и оптимизацией конструкции прибора.

Конструкция с закрепленным в металлическом фланцевом вакуумном вводе стандартным кварцевым резонатором, и используемая в предлагаемом первичном преобразователе показана на рис.2 и состоит из стандартного кварцевого резонатора 1 вставленного в отверстие металлического фланцевого вакуумного ввода 10 и закрепленного легкоплавким металлическим припоем 9 по диаметру корпуса резонатора. В корпусе резонатора имеется отверстие для прохода газа 8.

Конструкция заявляемого первичного преобразователя пьезорезонансно-вязкостного вакуумметра показана на рис.3 (обведена пунктирной линией). Предлагаемый первичный преобразователь рис.3 состоит из стандартного кварцевого резонатора 1 с отверстием в корпусе для прохода газа, закрепленного с помощью металлического легкоплавкого припоя 9 в вакуумном фланцевом вводе 10, навинчивающегося на фланцевый ввод корпуса преобразователя 12, навинчивающейся на корпус преобразователя крышки 13, навинчивающейся на вакуумный ввод гайки 11 для крепления к корпусу прибора или другому основанию 16, схемы генератора и формирователя первичного сигнала постоянного тока 14, расположенной внутри корпуса 12, термодатчика 15 припаянного легкоплавким металлическим припоем 9 к фланцевому вакуумному вводу 10.

Предлагаемый первичный преобразователь сигнала может использоваться в качестве блока в пьезорезонансно-вязкостном вакуумметре, в котором имеется вторичный преобразователь, содержащий как минимум усилитель сигнала, линеаризатор сигнала и индикатор показаний. Возможно использовать предлагаемый преобразователь, дополненный усилителем, в качестве управляющего элемента автоматики или АСУ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При изменении давления газа внутри вакуумного ввода изменяется импеданс резонатора, что приводит к изменению тока первичного выходного сигнала, сформированного электронной схемой генератора и формирователя сигнала. При изменении температуры преобразователя, эффективной компенсации температурной погрешности резонатора и электронной схемы формирователя сигнала, способствуют относительно большие размера и масса металлического блока преобразователя имеющего большую теплоемкость и теплопроводность. В данном случае блок преобразователя выполняет функцию термостата или термостабилизатора, уменьшая температурные градиенты внутри блока. При этом расположения резонатора, электронной схемы и термодатчика таково, что они находятся на минимальном расстоянии друг от друга, а крепление резонатора и термодатчика к металлическим элементам блока осуществлено с помощью металлического припоя, имеющего также большую теплопроводность, что в сумме увеличивает точность контроля температуры резонатора и блока в целом. При наличии внешних электромагнитных и электростатических помех, расположение чувствительных элементов - резонатора и схемы генератора внутри металлического блока, является наиболее эффективным решением экранирования от данного вида помех. При работе прибора линия соединения генератора с резонатором очень чувствительна к механическим вибрациям и смещениям, так как, она также имеет емкостью и индуктивностью, изменение которых влияет на эквивалентные параметры резонатора. Для устранения подобных случайных помех линию соединения резонатора и генератора делают как можно короче. В предлагаемом устройстве линия соединения максимально минимизирована.

Дополнительным преимуществом конструкции предлагаемого преобразователя является возможность ее относительно быстрой разборки для замены резонатора, схемы или очистки внутренних поверхностей вакуумного ввода от загрязнений.

Claims (1)

1. Первичный преобразователь пьезорезонансно-вязкостного вакуумметра, содержащий кварцевый резонатор, электронную схему преобразования сигнала, вакуумный ввод, отличающийся тем, что используется стандартный кварцевый резонатор в металлическом корпусе с отверстием для прохода газа, цилиндрический корпус которого используется для крепления резонатора в вакуумном вводе с помощью металлического припоя, а блок первичного преобразователя выполнен в виде разборной конструкции, содержащей вакуумный ввод, корпус преобразователя, крышку корпуса, гайку крепления к корпусу прибора, электронную схему генератора и формирователя первичного сигнала постоянного тока и термодатчик, закрепленный с помощью металлического припоя на вакуумном вводе.

Images