ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, ВЛАЖНОСТИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ГАЗА

Заявляемое устройство относится к области вакуумметрии, влагометрии газов и неселективного газового анализа при давлениях газа отличающихся от атмосферного, и может быть использовано для измерения абсолютного давления газа, влажности, молекулярной массы газов и средней молекулярной массы газовых смесей в промышленных и лабораторных условиях, на объектах транспортировки газов, для контроля вакуумных и газораспределительных устройств, в устройствах автоматического контроля газонапуском, контроля технологических процессов плазмохимического осаждения пленок в вакууме, определение степени высушивания при сублимационной и вакуумной сушки, контроля дегазации вакуумных устройств.
Известные методы измерения абсолютной и относительной влажности в вакууме (Пат. JP 2006170875), измерения относительного изменения состава газа по изменению его относительной плотности (относительно давления газа) (Пат. JP 2009059483) и измерения изменения концентрации одного из компонентов в двухкомпонентной газовой смеси (Пат. 2001330543) реализуются с помощью отдельных приборов, измеряющих абсолютное давление, плотность и влажность газа. Однако известные реализации перечисленных методов связаны с большими габаритами приборов и весом оборудования, а также в случаях подключения приборов в разных точках контролируемого объема газа снижается точность измерения конкретного параметра т.к. плотность, давление, температура и влажность газа являются зависимыми параметрами.
Известен анализатор общего давления, плотности газа и парциального давления паров воды в низком вакууме (Пат. RU 2556288; «Анализатор общего давления, влажности и интегральной молекулярной массы газа в диапазоне низкого вакуума», Коваленко В.В., Материалы IX научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технологии», М.: НОВЕЛЛА. 2014 г., 387 с.), содержащий мембранный датчик абсолютного давления газа, датчик плотности газа в виде кварцевого резонатора камертонного типа, сорбционно-емкостный датчик влажности, электронную схему измерения и индикации. Однако в известном анализаторе не оговорена конструкция первичного преобразователя, форма корпуса, расположение датчиков и схемы измерения относительно корпуса и термокомпенсирующего элемента, что влияет на точность измерения и технологичность изготовления прибора.
Известен первичный преобразователь сигналов датчиков (Пат. CN 203908583), содержащий плату, на которой расположены резистивный датчик температуры, мембранный датчик абсолютного давления газа, сорбционно-емкостный датчик влажности и электронная схема обработки сигналов датчиков. Однако данный преобразователь не имеет датчика чувствительного к плотности или молекулярной массе газа и не является конструктивно законченным устройством т.к. не имеет корпуса, элементов защиты от внешних помех и элемента ввода анализируемого газа.
Наиболее близким к заявляемому преобразователю, является первичный преобразователь кварцевого камертонного манометра (Пат. US 4995263), предназначенный для измерения давления газа в низком и среднем вакууме. Известный первичный преобразователь состоит из разборного корпуса, состоящего из двух частей. Нижняя часть корпуса совмещена с фланцевым вакуумным вводом, в которой, в свою очередь, с помощью герметика закреплен кварцевый резонатор камертонного типа в металлическом корпусе с отверстием для прохода газа, также в этой части корпуса расположена электронная плата преобразования сигнала датчика и термодатчик соединенный с общим корпусом преобразователя для компенсации температурной погрешности сигнала кварцевого резонатора. Верхняя часть корпуса является крышкой, которая, в свою очередь, содержит контактный разъем для передачи сигнала от электронной схемы первичного преобразователя. Однако известный преобразователь имеет ряд функциональных и конструктивных недостатков:
- отсутствуют датчик абсолютного давления газа мембранного типа и датчик влажности, что не допускает измерение плотности и влажности газа.
- не оговорены материалы и способы крепления кварцевого резонатора и термодатчика к корпусу преобразователя, которые должны обеспечивать наименьшее термосопротивление между корпусом и данными компонентами.
- более сложная в изготовлении конструкция корпуса преобразователя, в которой не предусмотрен простой демонтаж датчиков из общего корпуса в виде разборной части, что, в свою очередь, не допускает их быстрой замены в случае загрязнения и поломки.
Задачей предлагаемой полезной модели является оптимизация конструкции первичного преобразователя с целью уменьшения и компенсации инструментальных погрешностей измерения, связанных с изменением температуры, без уменьшения функциональных и технических параметров устройства. Предлагаемая конструкция первичного преобразователя давления, влажности и молекулярной массы решает эту задачу. Это достигается за счет компактного расположения всех датчиков и электронной схемы измерения относительно друг друга и измеряемого объекта, непосредственно в держателе на вакуумном вводе и внутри единого разборного металлического корпуса.
Конструкция предлагаемого преобразователя показана на рис. 1. Заявляемый преобразователь состоит из стандартного кварцевого резонатора 1 в металлическом корпусе с отверстием для прохода газа, мембранного датчика абсолютного давления газа 2, сорбционно-емкостного датчика влажности 3, резистивного датчика температуры 4, электронной схемы измерения 5, дискообразного держателя датчиков 6, резинового вакуумного уплотнения 7, фланцевого вакуумного ввода с резьбовым соединением 8, крепежной гайки 9 для крепления к внешнему корпусу прибора или внешнему устройству 12, основного корпуса 10, крышки основного корпуса 11, неэлектропроводящего герметика 13, используемого для крепления датчика влажности и датчика общего давления, металлического припоя 14, используемого для крепления кварцевого резонатора и датчика температуры к держателю 6.
Устройство работает следующим образом. Измерение влажности газа проводится сорбционно-емкостным датчиком 3 за счет изменения его электрической емкости и изменения диэлектрической проницаемости пленочного покрытия селективного к парам воды при их адсорбции на пленочном покрытии датчика.
Мембранный датчик 2 измеряет абсолютного давления газа не зависящее от рода газа или его молекулярной массы. Принцип измерения данного датчика основан на измерении прогиба упругой мембраны под действием давления газа. Прогиб мембраны регистрируется встроенным тензодатчиком. Выходной сигнал датчика пропорционален абсолютному давлению:
где: n - количество молекул в единице объема;
k - постоянная Больцмана;
Т - температура газа.
Таким образом, выходной сигнал мембранного датчика U(P) пропорционален абсолютному давлению Р.
Принцип измерения кварцевого камертонного датчика основан на зависимости коэффициента трения или силы трения колеблющихся плеч камертона резонатора от плотности газа:
где: М - молекулярная масса газа;
R - газовая постоянная.
Сила трения при колебаниях в газе плеч резонатора измеряется по изменению резонансной частоты Δω резонатора, которая пропорциональна изменению плотности газа:
0
где: ω - начальная резонансная частота кварцевого резонатора;
0
ρ - плотность кварца.
Выходной сигнал кварцевого резонатора U(ρ) пропорционален плотности газа.
Выходной сигнал датчика температуры 4, пропорциональный данному значению температуры U(T), используется для компенсации температурной погрешности выходного сигнала кварцевого резонатора, температурной погрешности выходного сигнала сорбционного датчика и погрешности связанной с температурным изменением плотности и давления анализируемого газа.
Для получения сигнала, пропорционального молекулярной массе газа при различных давлениях и температурах, во вторичном преобразователе с помощью электронных инструментальным методов, производится преобразование первичных сигналов мембранного датчика, кварцевого резонатора и датчика температуры в выходной сигнал пропорциональный молекулярной массе U(M) по алгоритму, представленному в виде формулы 4), вытекающей из выражения 2):
После преобразования выходной сигнал молекулярной массе газа, также как и сигналы влажности и давления газа индицируются во вторичном преобразователе, который как минимум содержит схемы или блоки питания, вторичного преобразования сигналов датчиков и индикаторы измеряемых параметров давления, влажности и молекулярной массы.