RU175121U1

RU175121U1 - PRIMARY CONVERTER OF A PIEZER RESONANT VISCOUS VACUUM METER

Info

Publication number: RU175121U1
Application number: RU2016122640U
Authority: RU
Inventors: Юлия Александровна Солдатова; Евгений Александрович Зевакин; Валерий Владимирович Коваленко
Original assignee: Юлия Александровна Солдатова
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2017-11-21

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.The utility model relates to the field of vacuum gauges and is intended to measure gas pressure in the range from 0.1 to more than 101,000 Pa. The essence of the utility model is that in the primary signal converter, a standard tuning fork type quartz resonator in a cylindrical housing with a gas passage is used as a sensor. The resonator housing, in turn, is used to mount the resonator in the block. The primary converter is made in the form of a single collapsible metal structure containing a flanged vacuum inlet, a converter housing, a housing cover, a clamping nut, a temperature sensor, an electronic circuit of a generator and a primary signal shaper. Technical result: manufacturability and cheaper manufacturing of the device, including due to the availability of standard quartz resonators, increasing the efficiency of thermal compensation of the output signal of the converter by minimizing temperature-controlled volume, more effective protection from electromagnetic and electrostatic interference of the electronic circuit of the converter. 3 ill.

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.The device belongs to the field of vacuum gauges and is intended to measure the total gas pressure in the range OD - more than 101 000 Pa and can be used to measure the pressures of discharged gases and gases with a pressure more atmospheric as part of the device and as a separate unit in industrial and laboratory conditions, in automatic systems control system (ACS) of vacuum devices, in emergency shutdown systems, control of vacuum-technological processes.

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.Known vacuum gauges usually contain a sensor and an electronic signal processing unit with an indicator of indications, while by design they are divided into monoblock and with a remote sensor unit or a remote sensor unit with a primary converter. In monoblock vacuum gauges, the sensor, signal converter and indicator are located in a single housing. For example, a wide-range vacuum gauge (Televac (USA). Operation manual for the SS-10 vacuum gauge; http://www.televac.ru) the primary transducer of which is made as a single unit with a flanged vacuum inlet and contains two sensors: inverse magnetron with a cold cathode, with a measurement in the high vacuum range and a piezoresonance-viscous quartz sensor with a measurement in the range of medium and low vacuum. However, this vacuum gauge uses a special large quartz resonator, which, along with the complex design of the unit, increases the cost of manufacturing and using the vacuum gauge, especially in cases where a quartz resonator is required to be replaced.

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.Known combined vacuum gauge (US Pat. 4995264) for measuring gas pressures in the low and medium vacuum ranges with the ability to compensate for errors associated with the composition of the gas or molecular weight of the gas. The primary converter unit of the known vacuum gauge comprises in a common housing a flange vacuum input, an electronic circuit of the converter, a thermoresistive vacuum sensor and a piezoresonant quartz sensor. However, in the known converter, a special tuning fork type quartz resonator is used and its fastening to the block is made at the base of the resonator with electrode leads, using electrical insulating adhesive, which makes this design non-separable, reduces the thermal compensation efficiency, especially during uneven heating, and increases the complexity and cost of manufacturing the device.

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.A piezoresonance vacuum gauge is known (Μ. Ono, M. Hirata, K. 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)) comprising a remote unit with a standard resonator and a separate processing and display unit. However, in this device, the resonator is fixed separately from the block body; the location of the thermocompensating elements and the generator circuit are not considered. Closest to the claimed device is a combined wide-range vacuum gauge (US Pat. No. 4,747,311) containing an ionization vacuum sensor used for measuring in the high vacuum range and a piezoresonant quartz sensor for measuring in the low and medium vacuum region. The quartz resonator used in this vacuum gauge has a protective case with a hole for the passage of gas and is fixed in the block due to the conclusions of the resonator electrodes. An electronic circuit for processing the signals of two sensors and an indication indicator are located in the vacuum gauge case. However, the known vacuum gauge does not stipulate the possibility of using standard quartz resonators. The electronic signal processing circuit and the indicator located in the block contain all the electronic elements for converting and processing the primary signal, which increases the block size and, in turn, reduces the accuracy of the temperature control of the piezoresonance sensor and temperature-sensitive elements of the electronic circuit, thereby reducing the efficiency of temperature error compensation the primary signal of the piezoresonance sensor. Thus, the design of the known vacuum gauge is not optimal in relation to the compensation of temperature error, manufacturability and manufacturing cost, as well as the possibility of replacing the piezoresonance sensor.

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.The objective of the proposed utility model is to reduce instrumental errors and costs for the manufacture and operation of the device through the use of a standard quartz resonator, the optimal method for attaching it and reducing the size of the primary signal converter.

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.Low-frequency tuning-fork type quartz resonators with bending vibrations in length are electronic components widely used in electronic devices to stabilize the reference frequency of various generators. (Reference on quartz resonators / Androsova V.G., Banks V.N., Dikidzhi A.N. et al .; Edited by P.G. Pozdnyakov. - M.: Communication, 1978.-288 p). Massively produced and available in electronic components stores at a low price (10-20 p / pc.) (Http://www.quartzl.ru Quartz store catalog. Radio parts.). The resonant frequency range of these resonators is 30-150 kHz. The most common are the so-called “clock” resonators with a resonant frequency of 32768 Hz, used to generate signals with a 1-second oscillation period in real-time measuring devices. A standard tuning fork type quartz resonator 1 (Fig. 1), contains external wire leads 2 of the resonator electrodes 6 for connecting to an external electric circuit, a ceramic pouring mass 3 for connecting and attaching a quartz tuning fork resonator 6 with a metal base 4, a cylindrical metal housing 7 connected vacuum tight with base 4, quartz tuning fork 6 with sprayed, film electrodes 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.The measuring principle of the proposed piezoresonance-viscous transducer is based on a change in the dynamic resistance or impedance of the resonator during vibration damping in a gas due to viscous or molecular friction (On. Ono, M. Hirata, K. 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)). The main instrumental errors of the converter are the temperature error of the resonator and temperature-sensitive elements of the electronic circuit, the error associated with electromagnetic and electrostatic interference and the error associated with uncontrolled changes in the capacitance of the resonator-connection line-generator system, in particular when the cavity is displaced relative to the generator or external influences to this system. The temperature error of the resonator is associated with the fundamental dependence of the resonator impedance on temperature and is compensated with the help of temperature sensors or by manufacturing a resonator with a less thermally dependent crystallographic slice (Pat. EP 0233054). The remaining errors are compensated or eliminated, respectively, using thermal sensors, shielding and optimization of the design of the device.

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.The design with a standard quartz resonator fixed in a metal flange vacuum inlet and used in the proposed primary converter is shown in Fig. 2 and consists of a standard quartz resonator 1 inserted into a hole of a metal flanged vacuum inlet 10 and fixed by fusible metal solder 9 along the diameter of the resonator body. In the housing of the resonator there is an opening for the passage of gas 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.The design of the inventive primary transducer of a piezoresonance-viscous vacuum gauge is shown in Fig. 3 (circled by a dotted line). The proposed primary converter Fig. 3 consists of a standard quartz resonator 1 with a hole in the gas passage fixed with a metal fusible solder 9 in a vacuum flange inlet 10, screwed onto the flange inlet of the converter housing 12, screwed onto the cover converter housing 13, screwed onto vacuum input of nut 11 for fastening to the housing of the device or another base 16, the circuit of the generator and the driver of the primary DC signal 14 located inside the housing and 12, the temperature sensor 15 soldered by fusible metal solder 9 to the flange vacuum inlet 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.The proposed primary signal converter can be used as a block in a piezoresonance-viscous vacuum gauge, in which there is a secondary converter containing at least a signal amplifier, a signal linearizer and an indication indicator. It is possible to use the proposed converter, supplemented by an amplifier, as a control element of automation or ACS.

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.The proposed device operates as follows. When the gas pressure inside the vacuum inlet changes, the resonator impedance changes, which leads to a change in the current of the primary output signal generated by the electronic circuit of the generator and signal conditioner. When the temperature of the converter changes, effective compensation of the temperature error of the resonator and the electronic circuit of the signal conditioner is facilitated by the relatively large size and mass of the metal block of the converter having a high heat capacity and thermal conductivity. In this case, the converter unit performs the function of a thermostat or thermostabilizer, reducing temperature gradients inside the unit. In this case, the arrangement of the resonator, the electronic circuit, and the temperature sensor is such that they are at a minimum distance from each other, and the resonator and the temperature sensor are attached to the metal elements of the block using a metal solder, which also has high thermal conductivity, which in total increases the accuracy of controlling the temperature of the resonator and block as a whole. In the presence of external electromagnetic and electrostatic interference, the location of the sensitive elements - the resonator and the generator circuit inside the metal block is the most effective solution for shielding from this type of interference. When the device is operating, the line connecting the generator to the resonator is very sensitive to mechanical vibrations and displacements, since it also has a capacitance and inductance, the change of which affects the equivalent parameters of the resonator. To eliminate such random interference, the line connecting the resonator and generator is made as short as possible. In the proposed device, the connection line is minimized as much as possible.

Дополнительным преимуществом конструкции предлагаемого преобразователя является возможность ее относительно быстрой разборки для замены резонатора, схемы или очистки внутренних поверхностей вакуумного ввода от загрязнений.An additional advantage of the design of the proposed converter is the possibility of its relatively quick disassembly for replacing the resonator, circuitry or cleaning the internal surfaces of the vacuum inlet from contamination.

Claims

A piezoresonance-viscous vacuum gauge primary transducer comprising a quartz resonator, an electronic signal conversion circuit, a vacuum inlet, characterized in that a standard quartz resonator is used in a metal casing with a gas passage, the cylindrical casing of which is used to mount the resonator in a vacuum inlet using metal solder and the primary converter unit is made in the form of a collapsible design containing a vacuum inlet, a converter housing, a housing cover a mustache, a nut fastening to the body of the device, an electronic circuit of the generator and driver of the primary DC signal, and a temperature sensor fixed with a metal solder to the vacuum inlet.