автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Автоматические измерители расхода и дозаторы газообразных веществ на основе терморезистивных преобразователей

ртб о»

Г> 1

На правах рукописи

Дударов Дмитрий Александрович

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ РАСХОДА И ДОЗАТОРЫ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Московском Государственном Институте Электронной Техники (Техническом Университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Дубовой Н.Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бархоткин В.А.

кандидат технических наук ГостикА.Л.

Ведущая организация: АООТ «НИИМЭ и завод Микрон»

Защита диссертации состоится «_»_ 1998 г.

в _ часов на заседании диссертационного совета

Д.053.02.01 в Московском Государственном Институте Электронной Техники (Техническом Университете) по адресу: 103498, Москва, Зеленоград, МГИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан «__»_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор

Актуальность работы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса в настоящее время является неуклонное развитие широкой автоматизации различных этапов производства, которая осуществляется с применением современных систем автоматизированного управления и контроля, что позволяет поднять технологические процессы на качественно новый уровень.

Развитие новых, современных технологий предъявляет все более жесткие требования к метрологическим характеристикам промышленного оборудования. Это в полной мере относится и к измерителям расхода газов. Особенно актуальна эта проблема в микроэлектронике, одной из самых динамичных и быстроразвивающихся отраслей, ее основная продукция - интегральные

микросхемы (ИМС), являются доминирующими компонентами всей электронной аппаратуры.

Характерной особенностью современного этапа развития микроэлектроники является переход от интегральных схем большой степени интеграции (БИС) к схемам сверхбольшой (СБИС) и, к 2000-му году, ультрабольшой (УБИС) степени интеграции.

Такой стремительный рост интеграции элементов микросхем на кристалле с одновременным ужесточением их параметров обусловливает необходимость существенных изменений в оборудовании, применяемом для производства полупроводниковых ИМС. Прогноз развития

полупроводникового производства и капиталовложений в эту область показывает,, что за пятилетний период объем полупроводникового производства возрастает вдвое, а объем капиталовложений в оборудование - более чем в 2 раза.

Среди используемых технологий в качестве примера можно рассмотреть сухое ионное травление, которое благодаря своей высокой селективности процесса, получению тонкой геометрии .элементов и безопасности для окружающей среды получила достаточно широкое распространение. При .данной технологии изготовления ИМС требуется постоянный контроль и точное дозирование химических реагентов, поступающих к обрабатываемому изделию в газообразном состоянии. Отсутстоиэ же надежных средств контроля й' вь'сскоточпчх

измерителей расхода негативно сказывается не только на качестве ИМС, но и является одним из препятствий на пути широкого внедрения прогрессивных технологий по производству СБИС.

Кроме того, необходимость точного измерения расходов всевозможных газообразных и жидких веществ становится все более актуальной проблемой не только при контроле различных технологических процессов, но и при проведении некоторых НИР и ОКР. Увеличившееся за последние годы число публикаций на эту тему является одним из показателей возросшего интереса к таким измерениям.

Актуальность этой проблемы характеризуют, например, статистические исследования, проведенные специалистами США, которые показали, что по количеству объектов измерения расход занимает пятое место среди измеряемых физических величин.

Разработкой и производством измерителей расхода жидкостей и газов в ФРГ заняты 22 фирмы. В Великобритании ежегодно продается 27 тысяч расходомеров (не считая тех, что используются для бытовых нужд), в Западной Европе -165 тысяч таких приборов, а во всем мире установлено свыше 15 миллионов промышленных расходомеров и свыше 50 миллионов различных измерительных устройств используется только в США для контроля расхода природного газа.

Большое значение имеет и развитие дозаторов газообразных ееществ. Такие устройства необходимы для некоторых процессов микроэлектроники, генной инженерии, систем х<изнеобеспечения в локальных объемах, химической технологии, фармакологии, биотехнологии и т.д. В то же время, данная проблема в настоящее время практически не имеет каких либо современных автоматизированных технических средств. Таким образом, создание современных и точных дозаторов газа является важной и актуальной задачей.

Что касается отечественной электронной

промышленности, то применяющиеся сегодня на многих производственных установках в качестве рабочих средств измерения калориметрические расходомеры типа РРГ имеют погрешность 2-3% и уже не обеспечивают требуемой точности и воспроизводимости технологических процессов. К тому же эти приборы имеют весьма небольшой межповерочный интервал,, так как их параметры

подвержены "дрейфу" вследствие старения,

перекристаллизации и накопления отложений на поверхности чувствительных элементов.

Не лучшим образом обстоит дело и с образцовыми средствами измерения. Так, например, наиболее часто в качестве поверочного средства используется измеритель расхода газов пузырькового типа ИРГП, выпускаемый Иркутским заводом "Эталон". Измерение расхода газа при помощи ИРГП производится с приведенной относительной погрешностью, достигающей 2% на верхней границе диапазона расходов, что соизмеримо с погреш-ностыо поверяемых приборов.

За образцовые устройства при проведении поверочных испытаний рекомендуется применять

грузокольцевые установки типа ГУК и ГИР, разработанные ВНИИРасходометрии, в которых погрешность измерений снижена до 0.35%. Однако, эксплуатация данного вида оборудования (массой 2,5т и занимаемой площадью 33м2) требует специальных помещений с определенными климатическими условиями, и связана с большими Материальными затратами.

Существует два подхода к построению новых средств измерения расхода: а) конструктивно-технологический, основанный на технологическом усовершенствовании элементной базы, характеристик первичных преобразователей, использовании новых материалов и технологий и б) кибернетический, предложенный академиком Петровым Б.Н., основанный на повышении степени автоматизации измерительных устройств, создании но&ых принципов построения и алгоритмов функционирования, использовании перспективных схемотехнических решений. Преимущество такого подхода к построению измерительных устройств перед конструктивно-технологическим определяется высокими техническими (повышение точности, диапазона измерений, быстродействия) и потребительскими (низкая стоимость, удобство эксплуатации) характеристиками.

Таким . образом, создание точных, быстродействующих, автоматизированных и компактных образцовых и рабочих средств измерения малых расходов и дозаторов на основе кибернетического подхода, является достаточно важной и насущной задачей.

Целью работы является исследование меточного способа измерения расхода газов в диапазоне малых потоков и разработка на данной основе принципов построения автоматизированных компактных средств измерения расхода и дозации технологических газов.

Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленной задачи использовались такие методы, как математический аппарат

дифференциального и интегрального исчисления, теория автоматического регулирования, теория разностных схем и численных методов, теория тепломассопереноса, методы дисперсионного анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) Исследован и разработан способ повышения быстродействия терморезистивных датчиков. Исследовано влияние динамики Потока газа на эволюцию тепловой неоднородности в меточном преобразователе-расхода.

2) Создана и исследована математическая модель терморезистивного первичного преобразователя, проведен машинный расчет поведения датчика при контакте с локальной тепловой неоднородностью в потоке газа.

3) Разработаны научные принципы построения автоматического измерителя расхода меточного типа, предложена обобщенная структурная схема и алгоритм функционирования автоматического измерителя расхода.

4) Предложена классификация погрешностей МП с тепловой меткой. Определены доминирующие погрешности теплового меточного измерителя расхода и пути их минимизации, с учетом которых теоретическая оценка суммарной погрешности измерения составила менее 0.5 %.

5) Разработан новый принцип построения дозатора газа на основе метода сравнения с компенсацией погрешности определяемой порогом чувствительности компаратора.

Практическая значимость результатов

проведенных исследований заключается в улучшении основных метрологических характеристик (погрешности, достоверности, уровня автоматизации) рабочих и образцовых средств измерения расходов газа, что, в сбою очередь, будет способствовать повышению воспроизводимости большинства этапов технологического

процесса и положительно влиять на качество конечной продукции микроэлектроники. Разработанные функциональные алгоритмы, а также математические модели и программы расчета основных характеристик меточного преобразователя (МП) позволяют облегчить решение практических задач по конструированию такого типа измерителей расхода.

Достоверность, полученных результатов подтверждается хорошим совпадением теоретически расчитанных и практически полученных данных, что доказывает корректность используемой автором методологии.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются следующие:

- разработка и исследование схемы повышения быстродействия терморезистивного датчика, позволяющая в значительной степени компенсировать инерционность чувствительного элемента;

- разработка научных и технических принципов построения автоматических измерителей расхода, в том числе: создание устройства селекции результатов измерений, существенно повышающее помехоустойчивость измерителя расхода; создание устройства адаптации измерителя расхода к пропаданию метки, позволяющее использовать устройство в автоматическом режиме;

- исследование физических основ явлений тепломассоб-мена при измерении количества вещества и измерении расхода с помощью терморезистивного первичного преобразователя;

- разработка и исследование дозатора газообразных веществ с компенсацией влияния порога чувствительности компаратора, исследование и расчет его основных погрешностей.

Внедрение результатов работы:

Система регистрации метки с тремя датчиками и устройство бесконтактного измерения скорости перемещения пленки ПАВ, позволяющие повысить точность и степень автоматизации процесса фиксации метки, использованы в Измерителе расхода РАМ-3, внедренном в 1998 г. в АООТ «НИИМЭ и завод Микрон», что подтверждено актом внедрения.

На зз'.миту выносятся:

исследования, направленные на обоснование возможности'использования меточного способа измерения расхода газа для создания образцовых прецизионных и рабочих средств измерения;

- способ повышения быстродействия терморезистивкых датчиков построенных на основе мостовой схемы охваченной отрицательной обратной связью;

- теоретический анализ погрешностей автоматического измерителя расхода на основе терморезистивного первичного преобразователя;

схемы построения автоматических меточных измерителей расхода, обобщенная структурная схема и алгоритм функционирования;

- принцип построения и алгоритм функционирования дозаторов газа на основе метода сравнения с компенсацией порога чупствительности компаратора.

Апробация работы. Основные положения

диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались на Межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград) в 1995,1996,1997 и 1998г.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 10 печатных работах (5 статей, 4 тезиса докладов и 1 отчет по НИР),

Диссертация выполнена в рамках плановой госбюджетной тематики научных исследований проводимых в НИЛ УИС МГИЭТ (ТУ). Работа над диссертацией проводилась в плане приоритетных направлений науки и техники, утвержденных Советом Министров Российской Федерации от 21.06.96. №2727п П-8 по темам: "Датчики и преобразователи" и "Исследование тепломассообмена".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и четырех приложений. Работа содержит 204 страницы машинописного текста, в том числе 119 страниц основного текста, 28 рисунков, 2 таблицы, а также 40 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении отмечается актуальность темы диссертации, формулируются общие цели исследования, научное и практическое значение полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе рассмотрены факторы, негативно влияющие на точность измерения и качество работы существующих устройств измерения малых расходов. На основе проведенного обзора и сравнительного анализа существующих методов измерения малых расходов газа выделены наиболее перспективные методы, на основе которых . возможно создание приборов обладающих высокой точностью. Определена также совокупность дополнительных требований, предъявляемых к методам измерения. Предпочтение при выборе метода, позволяющего реализовать поставленные задачи, отдано меточному ; методу измерения расхода. Меточными измерителями расхода называются расходомеры, основанные на измерении времени перемещения метки на определенном участке измерительного трубопровода. Впервые меточный метод был применен проф. Алленом (Allen) (Великобритания) в жидкостных расходомерах, более шестидесяти лет назад. В монографии Кремлевского П.П. меточный метод отнесен к наиболее точным. Измерительные устройства, построенные на основе данного метода, при .неизменных условиях эксплуатации способны производить измерения с погрешностью менее 1%. Меточный метод измерения расхода основа?! на том, что в движущийся по калиброванному сечению трубопровода поток газа инъекгируется метка. Которая под действием потока газа сносится по направлению потока, где на контрольном участке длиной L определяется ее скорость v

посредством измерения времени tL - времени прохождения

контрольного участка между двумя реперными точками: ■ _ £

v ~ , . Исходя из того, что объемный расход газа Q связан

'L

со скоростью потока v через поперечное сечение трубопровода S, можно в первом приближении определить искомую величину: Q = v • S. В то же время, поскольку

геометрические параметры S (площадь поперечного сечения) и L (длина) трубопровода, определяющие контрольный объем, являются постоянными, т.е. V - L-S - const., то измерение расхода по существу сводится к определению

времени ti и, следовательно,

_ L-S Tz-f L К,

где

Kv - коэффициент пропорциональности ме>еду скоростью

потока газа и объемным расходом, К, - коэффициент пропорциональности между временем похождения метки по контрольному участку и объемным расходом.

Выражение для массового расхода будет иметь вид:

л a

Q —-,где

Р - удельная плотность газа.

Таким образом, определяемый расход прямо пропорционален скорости потока газа <2 = /(v) и обратно пропорционален измеряемому промежутку времени Q = <р(0. Анализ возможных вариантов построения меточных измерителей расхода показал, что оптимальными вариантами построения такого измерительного устройства являются варианты с применением оптических и тепловых меток.

Во второй главе проводится анализ достоинств и недостатков существующих вариантов построения меточных расходомеров. На основе данного анализа формулируются основные требования, предъявляемые к современным автоматическим измерителям расхода, и разрабатываются принципы построения и алгоритмы работы автоматических меточных измерителей расхода, удовлетворяющих поставленным требованиям. Разработано устройство адаптации. измерителя расхода к пропаданию метки в измерительном трубопроводе (ИТ), позволяющее возобновлять цикл работы устройства при исчезновении метки и. следовательно, сохранять автоматический режим работы. Разработано устройство селекции измерительной информации, обеспечивающее получение достоверных

результатов измерений при однородном поле скоростей газового потока и позволяющее фиксировать во втором контрольном сечении ИТ именно ту метку, по которой произошел запуск измерителя временного интервала (Рис.1).

* !

газ

Рис. 1. Структурная схема автоматического измерителя расхода с устройством селекции измерительной информации.

Автоматическая селекция результатов измерений и меток осуществляется следующим образом. Сформированная метка движется под действием набегающего потока газа по ИТ и поочередно проходит через датчики 1, 2, 3, расположенные в точках с координатами ,х2 ,х,. При этом на выходах детекторов 4, 5,6, появляются импульсы (рис.2).

х, хг

"3

о —

II

А — т„— 1

а к

«-т,-- ; ч

1 ■ ^

--т,-►

Г -£ 1

Гп г п п п П ,

и<

и .и

и.

истн

Рис. 2. Временные диаграммы работы уечроИсщ селекнпн и адаптации.

Каждый входной импульс детектора 4, поступая на первый вход сметчика 8, увеличивает содержащееся в нем число на единицу. Данное число уменьшается на единицу при поступлении импульса на второй вход счетчика 8 с выхода второго детектора 5. Таким образом, в счетчике 8 содержится число:

где N, и лг, - соответственно число импульсов, поступившее на первый и второй входы счетчика.

На выходах счетчикт 8 появляется информация о его состоянии, представленная двоичным кодом. Логическая же реализация счетчика выполнена так, что информация о младшем разряде этого кода на выход счетчика 8 не поступает.

Таким образом, триггер 9 может оказаться в единичном состоянии только в случае, когда на отрезке с координатами хих2 находится всего одна метка. При этом импульс с выхода триггера 9 поступает на первые входы первого и второго формирователя временного интервала (ФВИ) 12 и 13, где начинается формирование интервала Т0. В момент времени, когда метка проходит точку второго датчика 2, установленного в первом контрольном сечении с координатой х2, сигнал с выхода второго детектора 5, пройдя через первый элемент 11 "И", поступает на второй вход первого ФВИ. Тогда в первом и втором формирователях 12 и 13 фиксируется временной интервал равный • времени прохождения меткой, расстояния от координаты до

координаты х2. Кроме того, начиная с этого момента, в первом ФВИ 12 производится формирование временного интервала . Временной интервал Тх формируется таким

образом, что при любом значении временного интервала выполняется равенство:

где х2 - л*, = . расстояние между первым и вторым

датчиком; ху—х2 ~ - расстояние между вторым и третьим

датчиком при этом: > Ьх.

По окончании первого временного интервала на втором выходе первого ФВИ 12 выделяется импульс, поступающий на второй вход ФВИ 13. Начиная с этого момента, на втором ФВИ 13 формируется фантомный

временной интервал Т2, причем соблюдается следующее

условие: Тг~Тп. Сигнал с выхода второго ФВИ 13 поступает на третий вход элемента "ИЛИ" 10 и первый вход второго элемента "И" 15. На второй вход второго элемента "И" 15 поступает сигнал с выхода третьего детектора 6. Теперь, если момент появления импульса на выходе третьего детектора 6 совпадает с фантомным временным интервалом Т2, то на выходе второго элемента "И" 15 появляется сигнал, который, поступая на второй вход измерителя временного интервала 14, вызывает его останов. Запуск же ИВИ производится при условии единичного состояния триггера 9 в момент появления импульса на выходе второго детектора. Таким образом, в ИВИ фиксируется временной

интервал Ти, соответствующий времени прохождения меткой отрезка - хг, т.е. расстояния между втором (2) и третьим (3) датчиками, установленными соответственно в первом и втором контрольных сечениях ИТ. Из всего вышеизложенного следует, что результат измерения считается достоверным, и в ИВИ 14 зафиксируется

интервал Ти ч если одновременно выполняются неравенства:

Г0.(/с,-0^)<Гя <7;■•(*!+05) (1)

0 < ЛГ, - < 1, (2)

Таким образом, осуществляются оба вида селекции.

Так, при работе предложенного устройства автоматической селекции могут возникать только две

ситуации, связанные с одновременным появлением нескольких меток в ИТ: 1) несколько меток находится на отрезке ИТ между первым и вторым датчиками; 2) несколько меток находится на отрезке ИТ между вторым и третьим датчиками.

В первом случае не выполняется неравенство (2), и отсчет измерительного интервала Т1Г производиться не будет, поскольку триггер 9 остается в единичном состоянии.

Во втором случае фиксирование измерительного интервала Т возможно только при выполнении неравенства (1), т.е. начиная с некоторого момента ' = Т{) -(к} -0.5) до

момента ^ = Т0 •(к] +05). при постоянном расходе газа (? в

момент /" = Г0'Л, в точке установки третьего датчика оказывается именно та метка, по которой производится отсчет временного интервала Т„. Так как измерение Т„ производилось при выполнении условия (2), то расстояние между ближайшими метками должно быть не менее расстояния Ь1—х1-хх - расстояния между первым и вторым датчиками. Следовательно, метка, опережающая измеряемую, появляется л в точке установки третьего датчика во втором контрольном сечении ИТ не позднее,

чем в момент = Ти -Т0, не попадающий п интервал определяемый неравенством. Соответственно, останов измерителя временного интервала 14 под влиянием данной метки ^е производится

Таким образом,, обеспечивается защита от влияния случайных тепловых флуктуации з газовом потоке, что повышает помехозащищенность измерителя и, соответственно, достоверность результатов измерений. Кроме того, во второй главе предложены схема построения и алгоритм функционирования автоматического меточного расходомера на основе трехканальной структуры обработки измерительной информации с устройствами селекции и адаптации. Совокупная реализация предложенных устройств позволяет построить автоматический измеритель расхода с высокой степенью помехозащищенности.

В третьей гласе исследуется структура, взаимосвязь и влияние отдельны* еретавляющих погрешности измерения

расхода газа. Измерение расхода меточным методом

сводится к измерению времени и расстояний Ь и с1. Эти величины являются основными единицами системы СИ, следовательно, построение градуировочной характеристики меточного измерителя расхода может проводиться прямыми

методами измерения ^, Ъ и с1 без привлечения образцовых средств измерения расхода. Таким образом, можно сделать вывод, что меточный метод позволяет достичь наиболее высоких метрологических характеристик. С целью количественного доказательства данного предположения воспользуемся выражением полного дифференциала:

^ЁО.и+ЁО.и+ЁО.н, ^ да дь '■ ■

Подставив выражения для частных производных, получим соотношение для относительной погрешности: АС? 0 Ас/ A¿ А/д

ПоскопькУ современные средства

измерения линейных размеров позволяют без особых трудностей получать результаты с погрешностью 0.01%, а измерение времени производить с погрешностью 0.005% и

менее, то даже при таких условиях (измерения ^, Ь и можно производить и с большей точностью) методическая погрешность измерения расхода составит всего 0.035%.

Проведенный анализ позволил выделить основные группы погрешностей, вносящих основной вклад в суммарную погрешность измерения. Для каждой группы погрешностей были исследованы структура и взаимосвязь, определены законы распределения и количественные характеристики. В результате были выявлены доминирующие погрешности, вносящие наибольший вклад в суммарную погрешность измерения. Для измерителя расхода с тепловой меткой наиболее существенной оказалась динамическая погрешность фиксации тепловой неоднородности. Динамическая погрешность измерений, представляющая собой разность между температурами термопреобразователя (ТП) и измеряемой среды, определятся следующим соотношением:

а • г Ш

где С - полная теплоемкость ТП, У7 - площадь его наружной поверхности, находящейся, в теплообмене с измеряемой средой, ©(/) - температура среды, Г(0-температура ТП, а - коэффициент теплоотдачи. Комплекс

С

т = —- называют показателем или постоянной тепловой а-/7

инерции ТП, она имеет размерность времени.

Так, при ступенчатом изменении температуры,

зависимость времени установления показаний ТП от желаемой

точности ее измерения находится из выражения:

, Т.. -0 / = <£■• 1п ——

Г(О-0

Например, в момент / = 3 • г разность температур ТП и среды составляет 5% первоначальной, при / = 5-г она равна 0.7%. Характерные значения г для миниатюрных ТП составляют 0.4 - 1с, что в пересчете на расстояние, проходимое за это время меткой, дает погрешность порядка 10-20% процентов. Следовательно, можно сделать вывод о необходимости значительного снижения постоянной времени ТП, для уменьшения влияния динамической погрешности на результат измерения.

Четпертзя глава посвящена созданию

быстродействующего термопреобразователя и исследованию процессов теплообмена возникающих в терморезисторе при контакте с локальной тепловой неоднородностью. Рассмотрены и проанализированы основные типы термопреобразователей (термопары, металлические и полупроводниковые терморезисторы) с точки зрения эффективной регистрации тепловой метки в потоке газа, выделены критерии по которым должен определяться оптимальный термодатчик. На основе сргвнительного анализа достоинств и недостатков различных термопреобразователей был выбран полупроводниковый терморезистор, как наиболее полно отвечающий поставленным требованиям. Были рассмотрены следующие методы повышения быстродействия термодатчиков: использование схем коррекции и метод двух термопреобразователей,.анализ их достоинств и недостатков

показал, что ни один из них не может быть эффективно использован для фиксации тепловой метки. Выведены основные формулы и соотношения описывающие зависимость изменения температуры терморезистора от времени при включении его в мостовую схему. Передаточная функция цепи с терморезистором, определяющая динамические характеристики схемы будет иметь следующий вид: А Яг_ Яг.

1°

г/.р + 1 + Ц,

Л© г, Я-ЛГв

Я+ЯТо

где Я - сопротивление, включенное последовательно с

терморезистором, ов- динамический множитель, т< п -

о

электрическая постоянная времени. Приводя данное выражение к каноническому виду, получим:

1¥(р) = -

_ д ят _ ке

Д© тQ^p + [,

Ро'ЯТо

где "е 1

яТп + я яГо + я

Таким образом, терморезистор используемый в качестве термочувствительного элемента, в линейном приближении может быть представлен апериодическим инерционным звеном первого порядка.

Из уравнения передаточной характеристики следует, что значение постоянной времени зависит от динамического множителя £>„, который определяется режимом работы терморезистора, его рассеиваемой мощностью. Однако возможности управления постоянной времени с помощью перемещения рабочей точки по вольтамперной характеристике весьма ограничены. С одной стороны для обеспечения стабильности работы терморезистора нельзя нарушать условие устойчивости (1Чт<К). С другой стороны увеличение рассеиваемой мощности возможно лишь до определенного предела, называемого максимальной рассеиваемой мощностью терморезистора, превышение этого значения

ведет к разрушению. Показано, что более перспективным способом уменьшения постоянной времени терморезистивного датчика является введение в мостовую схему отрицательной обратной связи.

Практически отрицательная обратная связь может быть реализована с помощью цепи, состоящей из усилителя, на вход которого подается напряжение разбаланса А11 измерительной мостовой схемы, а с его выхода сигнал подается в диагональ питания моста. В зависимости от значения ди усилитель изменяет напряжение питания мостовой схемы дим, при этом значения Д1) и Д11м линейно связаны между собой: дим = в-ди, где в - коэффициент связи, включающий в качестве сомножителя коэффициент усиления. Структурная схема мостовой схемы охваченной обратной связью показана на рис. 3. Передаточная функция для цепи с терморезистором, охваченной отрицательной обратной связью, будет иметь вид:

Щ __Р.-ЯГв-(ЯГо+Я)2__

де (т,-р + \)-(ЯТо + Я)2-(\ + 0а) + 2-00-ЯГо-(Я-0-Яг,)'

Или в каноническом виде:

У Д0 Та-р + 1

к =_Ро-Кто

где Л° { + 0 2-Р0-ЯГо-(Я-0-ЯТо)'

г =_ъ._

0 1, 2-Р0-ЯТ0.(Я-С-ЯТ0)-(ЯГо + Я)2-( 1 + Д,)

Рис. 3. Структурная схема цепи ЯтИ с ООС при измерении температуры.

Анализируя выражение для та легко видеть, что значение знаменателя главным образом зависит от (7, значения 11 и КГо - взаимно сокращаются, а значение Д, слишком мало,

чтобы существенно влиять на •

Таким образом, введение отрицательной обратной связи позволяет в значительной степени снизить постоянную времени терморезистивного преобразователя. Обеспечив достаточную глубину обратной связи (С?«100), можно получить терморезистивный преобразователь с постоянной

времени % «0.01с., что значительно повышает его быстродействие, а, следовательно, и точность регистрации тепловой неоднородности.

В пятой главе исследована возможность построения дозатора газа на основе терморезистивного датчика. Исследованы процессы теплообмена терморезистора и газообразной среды при изменении давления последней. Установлены основные зависимости и закономерности. Исследовано влияние изменения давления окружающей среды на коэффициент теплообмена терморезистора. Получена структурная схема мостовой схемы с терморезистором, охваченной обратной связью, описывающая зависимость

изменения сопротивления терморезистора А/?г от изменения коэффициента теплообмена А к (Рис. 4). На основе данной структурной схемы была получена передаточная функция:

1Ук(р)-АНт

К

Д к Гд • р + Г

где

К'а-

й-к-Я

То

2 .£>„•/?,„.(Л-0-/?Го)'

1 + Д.+

лк Оо -г./

(1 + Б с)-к0

*егР + 1

200

1по(1 + Оо)

ЛИ

Мо

1 в ЫоЯ

Яи>+ я

Рис. 4. Структурная схема цепи НтИ с ООС при измерении давления..

Выражение для то имеет тот же вид, что и выражение для

то , рассмотренное в четвертой главе. Следовательно, при использовании терморезистора как датчика давления

газообразной среды, введение отрицательной обратной связи значительно снижает постоянную времени. Терморезистивный

к

преобразователь с постоянной времени га -0.01 с. может быть использован для построения на его основе быстродействующего дозатора газа.

В ходе работы было получено уравнение, описывающее зависимость выходного напряжения терморезисти&ного

преобразователя от коэффициента теплообмена к,

Данное уравнение является функцией преобразования для предложенного дозатора газа:

I -Я

тт НТп

вых оу

^ у

\ То Ко Л

где

А =

1

(Лг. + Л)2

Та

Ку - коэффициент усиления, ¡пто - ток протекающий через

терморезистор при балансе мостовой схемы, К - значение коэффициента теплообмена при балансе мостовой схемы.

Рассмотрены возможные методы построения дозатора на основе терморезистивного датчика, проведен анализ возникающих погрешностей, который показал, что наличие у компараторов порога чувствительности значительно ограничивает возмохиости применения дозаторов газа с использованием компараторов, а также снижает точность этих устройств. Поэтому была предложена схема построения дозатора, позволяющая компенсировать погрешность определяемую порогом чувствительности компаратора.

Суть метода заключается в проведении предварительного сравнения напряжений на компараторе, при этом на инверсный вход подается опорное напряжение, а на прямой -пилообразное. Структурная схема устройства реализующего данный метод представлена на рис. 5, а временные диаграммы, поясняющие работу устройства на рис. 6. В начальный момент устройство управления (УУ) запускает генератор пилообразного напряжения (ГПН), который формирует линейно падающее напряжение. Ключи К1 и К2 в

Емкость с газом

Рис. 5. Газовый дозатор с компенсацией порога чувствительности шмпаратора.

Рис. 6. Временные диаграммы функционирования дозатора газа с компенсацией влияния порога чувствительности компаратора.

это время установлены в такое положение, чтобы на прямой вход компаратора подавалось напряжение V,а на инверсный - напряжение уставки с формирователя опорного напряжения (ФОН) иопор. В момент срабатывания компаратора текущее значение напряжения на ГПН

запоминается в аналоговом запоминающем устройстве (АЗУ), его значение в этот момент равно: изап = иопор+Аи'пор, где ли'пор - пороговое напряжение срабатывания компаратора в момент И.

На втором этапе проводится рабочее сравнение напряжений, только в качестве опорного используется напряжение предварительно запомненное на первом этапе (изап). При этом УУ устанавливает ключи К1 и К2 таким образом, чтобы на прямой вход компаратора подавалось напряжение с АЗУ {изап), а на инверсный вход - напряжение с ТРП (17тр). Рабочее срабатывание компаратора происходит в момент, когда итр= изап-Аи'пор, где Аи'пор - пороговое напряжение компаратора в момент 12.

С учетом выражения для изап, можем записать: 11тр=иопор+Аи пор-Аи'пор. Так как рабочее сравнение проводится сразу после предварительного, то длительность временного интервала между этапами не превышает долей секунд. За это время значение А Шор не может сколь ни будь значимо измениться, следовательно: Аи'пор- Аи'пор. Отсюда получаем: итр=иопор. Это означает, что срабатывание компаратора произойдет точно в тот момент, когда концентраций газа в объеме равна заданной. Таким образом данный метод позволяет существенно повысить точность дозирования за счет компенсации порога чувствительности , компаратора. Проведенный анализ погрешностей дозатора показал, что предложенная схема позволяет практически полностью избавиться от погрешности вызванной порогом чувствительности компаратора. Влияние же остальных факторов (время срабатывания компаратора, АЗУ, ключей и устройства управления, постоянная времени ГПН, постоянная времени запоминающего устройства, количество дозируемого вещества и т.д.) не оказывает существенного воздействия на

значение погрешности дозации. Таким образом, предложенная структурная схема обеспечивает создание точного и быстродействующего дозатора газообразных веществ.

В заключении приведены кратко сформулированные основные выводы, теоретические и практические результаты, полученные в ходе работы над диссертацией.

В прилохзниях представлены программы ■

численных расчетов эволюции локальной тепловой неоднородности о потоке газа и реакции полупроводникового терморезистора на данную неоднородность, расчет инструментальной погрешности определения объема измерительного трубопровода, алгоритмы статистической обработки данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, результаты определения погрешности временного интервала и погрешности, обусловленной смещением точек срабатывания датчиков на измерителе расхода РАМ-3, а также документы о внедрении результатов полученных в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертационной работе решен комплекс взаимосвязанных вопросов, направленных на создание автоматизированных малогабаритных образцовых и рабочих средств измерения малых расходов технологических газов. Показано, что для решения этой задачи наиболее целесообразно использовать меточный метод измерения с тепловой или жидкостной меткой.

2. Исследована структура и дана классификация погрешностей измерителей расхода с тепловой и жидкостной меткой, анализ которой позволил выявить доминирующие составляющие погрешности. Предложены схемотехнические решения для их минимизации и полной или частичной компенсации, на основе которых разработаны структурные схемы автоматических измерителей расхода технологических газов.

3. Рассмотрены и проанализированы различные виды термопреобразователей с точки зрения эффективности регистрации тепловой неоднородности в потоке газа. Выделены критерии по которым должен выбираться термопреобразователь для регистрации тепловой неоднородности. Рассмотрены различные виды схем

повышения быстродействия терморезистивного датчика. Проанализированы достоинства и недостатки каждого метода.

4. Исследована возможность регистрации тепловой неоднородности терморезистивным датчиком охваченным отрицательной обратной связью. Показана зависимость динамической погрешности фиксации тепловой метки от быстродействия термопреобразователя. Предложенные методы повышения быстродействия термопреобразователей значительно снижают постоянную времени и, следовательно, позволяют существенно повысить точность теплового меточного преобразователя.

5. Предложена трехканальная структурная схема построения меточных автоматических измерителей расхода, позволяющая использовать в качестве меток как искусственные, так и стохастические метки.

6. Разработаны алгоритмы преобразования первичной измерительной информации, а также методы автоматической коррекции доминирующих составляющих погрешности и селекции результатов измерения, обеспечивающие суммарную погрешность измерения менее 0.5%. -

7. Исследованы процессы теплообмена терморезистора и газообразной среды при изменении давления последней. Установлены основные зависимости и закономерности.

8. Предложена и исследована структурная схема дозатора газа на основе метода сравнения, проведен анализ его достоинств и недостатков. Предложена новая структурная схема дозатора газа, обеспечивающая автоматическую компенсацию порога чувствительности компаратора.

10. В ходе эксперимента на измерителе РАМ-3 определена относительная погрешность измерения расхода, обусловленная смещением точек фиксирования положения жидкостной метки в зоне срабатывания датчиков, ее значение составило 0,33% и погрешность . измерения временного интервала-<0,01%.

11. Проведенные в данной диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования показали, что меточный способ измерения целесообразно применять в области малых расходов (до 600 л/час) для создания на его основе высокоточных, малогабаритных,

автоматизированных измерителей расхода технологических

газов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1.Дубовой Н.Д., Дударев Д.А. Терморезистивные датчики. Проблемы повышения быстродействия И "Электроника: Наука, Технология, Бизнес" №3-4, М.: "Техносфера". 1997г. с. 47-50.

2.Дубовой Н.Д., Дударев Д.А. Повышение быстродействия терморезистивных датчиков-преобразователей // Научн.-техн. сб. «Наука - оборонному комплексу России» М.:ВИМИ, 1997, с.95-98.

3.Дубовой Н.Д., Дударев Д.А. Особенности использования терморезистивных датчиков для регистрации малых тепловых сигналов II Сб. науч. тр. МГИЭТ. В печати.

4.Дубовой Н.Д., Дударев Д.А. Повышение метрологических характеристик терморезистивных датчиков II Научн.-техн. сб. «Наука - оборонному комплексу России» М.:ВИМИ, 1997, с.60-53.

5.Дударев Д.А. Перспективные газовые меточные расходомеры и дозаторы II "Электроника: Наука, Технология, Бизнес" №56, М.: "Техносфера". 1997г. с. 57-60.

6. Дубовой Н.Д., Дударев Д.А., Портнов Е.М. Структурная оптимизация телемеханических информационно-управляющих комплексов для АСУТП II Тезисы докл. МНТК 'Новые технологии микроэлектроники', УГАТУ, Уфа: 1997, с.100.

7.Дударев Д.А. Исследование проблемы точной регистрации малых тепловых сигналов. Тезисы докл. МНТК 'Микроэлектроника и информатика', МГИЭТ, М.: 1997, с.100.

8. Исследование возможности регистрации сверхмалых информационных сигналов (тепловых и световых) при измерении количества вещества на основе явлений тепломассопереноса, создание специальных устройств фильтрации помех и вычислительных устройств для достоверной обработки.: Отчет о НИР. Ответственный исполнитель: Дудэрзз Д.А. МГИЭТ, № ГР 01960008766, М.: 1997.60с.

9. Дударев Д.А. Оптимизация схем регистрации малых световых сигналов для расходомеров с жидкостной меткой II Тезисы

докл. МНТК 'Микроэлектроника и информатика', МГИЭТ, М.: 1997, с.101.

Ю.Дударев . Д.А. Автоматический дозатор на основе терморезистивного датчика с двойным компарированием // Тезисы докл. МНТК 'Микроэлектроника и инфор?/атика\ МГИЭТ, М.: 1998, с. 120.

Отпечатано в Типографии МИЭТ, Заказ 135, Тираж 80 экз.