CC BY
72
Солодимов И.А.
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ СИСТЕМНЫЙ ВАКУУММЕТР
Во многих отраслях промышленности используются технологические процессы, протекающие при пониженных давлениях. К ним можно отнести вакуумную плавку в металлургии, вакуумную сушку, вакуумное распыление металлов в электронной промышленности, различные процессы в пищевой и фармацевтической промышленности. Ужесточение требований к качеству продукции привело к необходимости количественной оценки низкого давления.
Измерение низкого давления осуществляется вакуумметрами. В технической промышленности широко используются вакуумметры типа ВИТ-2П, ВМБ-8, разработанные в середине прошлого столетия и в настоящее время снятые с производства. Эти вакуумметры являются аналоговыми приборами, которые характеризуются низкой точностью измерения, большой дополнительной погрешностью от температуры. Устаревшая элементная база существующих вакуумметров не позволяет автоматизировать процесс измерения вакуума и управлять откачкой воздуха, сопрягать с современными средствами регистрации и обработки измерительной информации - персональными компьютерами, ноутбуками и т. д.
В настоящее время на кафедре «Радиотехника» Пензенского государственного университета совместно с кафедрой «Микросистемотехника» Санкт-Петербургского технического университета ведутся работы по созданию микропроцессорного системного вакуумметра нового поколения. Вакуумметры типа ВИТ-2П работают с вакуумметрическими лампами типа ПМТ-2 и ПМТ-4М, для которых характерны низкая точность, большие габаритные размеры и хрупкая конструкция (см. рисунок 1.а).
а) датчик ПМТ-2; б) тепловой микроэлектронный датчик Рисунок 1. Термопарные датчики вакуума
Используемый в разрабатываемом приборе миниатюрный тепловой датчик вакуума (см. рисунок 1.б) отличается более высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых давлений (от 0 до 100 кПа) . В зависимости от размера используемого кристалла, на котором располагается чувствительный элемент датчика, изменяется диапазон измеряемого давления и чувствительность. Компактность чувствительного элемента позволяет размещать на подложке элементы вторичной цепи преобразования, тем самым не только получать унифицированный выходной электрический сигнал, но и ввести компенсацию погрешности датчика в непосредственной близости от чувствительного элемента.
Принцип работы датчика заключается в следующем. На подложке располагается тонкопленочный нагреватель и термопарный преобразователь. Через нагреватель проходит постоянный ток. Чем ниже измеряемое давление, тем меньше выходное напряжение термопарного преобразователя. Измеряя выходное напряжение термопарного преобразователя, можно судить о давлении в системе.
Процесс откачки воздуха во многих технологических процессах протекает при повышенных температурах. Это делается либо с целью вывода растворяемых в разрабатываемом изделии газов, либо с целью повышения скорости протекания процессов. Температура в рабочем объеме вакуумных установок может достигать значительных величин (до 500 °С и выше). Высокая температура эксплуатации ламповых вакуумметрических датчиков приводит к значительной дополнительной погрешности. В разрабатываемом приборе с целью компенсации дополнительной погрешности был введен канал измерения температуры, где в качестве датчика температуры используется безинерционная кабельная термопара.
Структурная схема разрабатываемого вакуумметра приведена на рисунке 2:
Рисунок 2. Структурная схема вакуумметра
Вакуумметр содержит два канала: канал измерения вакуума и канал измерения температуры. С помощью
микропроцессора (МП) и ЦАП задается режим тока нагревателя. Преобразователь напряжения в ток (ПНТ) преобразует выходное напряжение ЦАП в ток. Выходной сигнал с термопары датчика вакуума (ДВ) усиливается нормирующим усилителем (НУ1), преобразуется в код с помощью АЦП1, который поступает на МП. Выходной сигнал датчика температуры (ДТ) в качестве которого используется кабельная безинерционная термопара типа КТХК, усиливается НУ2, преобразуется в код с помощью АЦП2, который поступает на МП.
Нелинейность градуировочной характеристики ДВ не снижает погрешности измерения давления, так как используется МП и энергонезависимая память (ЭМП), в которую занесены индивидуальные градуировочные коэффициенты функции преобразования ДВ.
В основе вакуумметра лежит микросхема типа АБиС816. Наличие в одном кристалле АБиС шестнадцатиразрядных двоичных ЦАП и АЦП и микропроцессора позволило не только значительно снизить массогабаритные размеры прибора, но и повысить точность измерения за счет уменьшения влияния паразитных параметров.
Вакуумметр обеспечивает электронную регистрацию результатов измерения в ЭМП объемом не менее 1 Гбайт и передает ее по каналам цифровой информации, как в синхронном, так и в асинхронном режимах, что позволяет встраивать вакуумметр в различные автоматизированные системы управления технологическими процессами.
Полученные технически характеристики:
Диапазон измерения давления, кПа 0 - 100
Диапазон измерения температуры, °С 0 - 500
Предел допускаемой погрешности измерения давления, % не более, ± 1,0
Предел допускаемой погрешности измерения температуры, °С ± 1,0
Объем энергонезависимой памяти, Гбайт 1
