CS260691B1 - Zapojení membránového vakuoměru - Google Patents

Abstract

^Zapojení sestává ze vstupních svorek, napětové svorky, kondenzátorů, termistoru, analogového multiplexeru, odporů, RO multivibrátoru, logického multiplexeru, vratného čítače, indikátoru nuly, bloku řízení, bloku indikace, převodníku p/U a výstupních svorek vzájemné propojených. Zapojení se nemění pro různé rozsahy měřených tlaků, změní se .pouze konstanta v programu bloku řízení. Rovněž tak lze volit přesnost měření v závislosti na jeho rychlosti nebo volit rozsah teplot, ve kterém je membránový vakuoměr teplotně kompenzován.

Description

Vynález řeší zapojení membránového vakuoměru.

Membránový vakuoměr je elektromechanické zařízení na měření vakua. Jeho mechanická část -měrka - sestává z membrány a z jedné nebo dvou pevných elektrod. Membrána, obvykle spojená se společným bodem zapojení, tvoří jeden polep kondenzátoru, pev né elektrody potom druhé polepy kondenzátoru. Průhybem membrány vlivem změn tlaku se kapacita kondenzátorů mění. Pevné elektrody jsou obvykle řešeny jako vnitřní - měřicí a vnější (obvykle ve tvaru mezikruží) - kompenzační. Kompenzační kapacity se využívá pro kompenzaci teplotních dilatací - změn vzdálenosti mezi pevnými elektrodami a membránou. Měřená hodnota, úměrná tlaku, je tedy dána změnou diference kapacity měřicí a kompenzační. I přes toto uspořádání je však zmíněná diference závislá na teplotě.* v

Vliv závislosti je třeba vyloučit nebo alespoň potlačit vhodnou volbou materiálů, vhodnou technologií, aktivním termostatováním měrky nebo kompenzačními obvody v elektrické části zařízení nebo, což je nejobvyklejší, kombinací těchto metod.

Těrnio stát ování měrky je účinný způsob potlačení teplotní závislosti/>4® není příliš vhodný pro provozní měrky. Vyžaduje totiž poměrně dlouhou dobu náběhu, což je pro praktické použití v technologických zařízeních nevýhodné. Používá se proto hlavně u přesných vakuoměrů pro etalonová měření. Odpovídajících výsled ků volbou vhodných materiálů a technologií při výrobě měrky do2

260 691 sáhuje pouze firma MKS - Baratron. Cena jejích měrek je však velmi vysoká.

Kromě toho, že měrky jsou teplotně závislé, diference kapacit není lineární funkcí tlaku. Tato lineární závislost je ovšem u měřicích přístrojů obvykle požadována. Linearizace se provádí většinou v elektrické části vakuoměrů.

Pro měření diference měřicí a kompenzační kapacity měrky se vesměs používají analogové metody. Tyto metody jsou ale použitelné jen tehdy, jsou-li vlastnosti měrky (teplotní závislosti, linearita) typické. To opět klade značné nároky na výrobu měrek. Při značných výrobních tolerancích měrek je použití analogových způsobů měření a kompenzací velice náročné nebo přímo nemožné (např. při nemonotónních teplotních závislostech). Kalibrace a cejchování měrek jsou náročné jak časově, tak i požadavkem na vysokou kvalifikaci pracovníků. Přesnost zařízení je výrazně závislá na lidském činiteli. Použití analogových nastavovacích prv ků (pro nastavení nuly, zesílení, linearity, teplotní kompenzace atd.) vyžaduje použití kvalitních výrobků (bez přechodových odporů, časově i teplotně stabilních, odolných proti otřesům), nebot především na nich závisí přesnost a stabilita celého zařízení.

. Popsané nevýhody odstraňuje zapojení membránového vakuoměru podle tohoto vynálezu. Sestává ze vstupních svorek, napětové svorky, kondenzátorů, termistoru, analogového multiplexeru, odporů, RC multivibrátoru, logického multiplexeru, vratného Čítače, indikátoru nuly, bloku řízení, bloku indikace, převodníku p/U a výstupních svorek. Jeho podstatou je, že první vstupní svorka je spojena s prvním vstupem analogového multiplexeru, druhá vstupní svorka je spojena s druhým vstupem analogového multiplexeru, mezi třetí vstup analogového multiplexeru a společný vodič je zapojen první kondenzátor, mezi čtvrtý vstup analogového multiplexeru a společný vodič je zapojen druhý kondenzátor, přičemž mezi čtvrtý vstup a pátý vstup analogového multiplexeru je zapojen termistor. První výstup analogového multiplexeru je opojen s druhým vstupem RC multivibrátoru, druhý výstup analogového multiplexeru je opojen s prvním vstupem RC multivibrátoru, přitom mezi první vstup a druhý vstup RC multivibrátoru

260 691 je zapojen druhý odpor a mezi napětovou svorky a první vstup RC multivibrátoru je zapojen první odpor. Výstup RS^ multivibrátoru je spojen s prvním vstupem logického multiplexeru. Výstup logického multiplexeru je spojen s prvním vstupem vratného citace. Hromadný výstup vratného citace je spojen s hromadným vstupem indikátoru nuly. Výstup indikátoru nuly je spojen se vstupem bio· ku řízení. První výstup bloku řízení je spojen s šestým vstupem analogového multiplexeru, druhý výstup bloku řízení je spojen se sedmým vstupem analogového multiplexeru, třetí výstup bloku řízení je spojen s druhým vstupem logického multiplexeru, čtvrtý výstup bloku řízení je spojen s třetím vstupem logického multiplexeru, pátý výstup bloku řízení je spojen s druhým vstupem vratného čítače, šestý výstup bloku řízení je spojen s třetím vstupem vratného čítače, sedmý'výstup bloku řízení je spojen s prvním vstupem bloku'indikace a zároveň s prvním vstupem převodníku p/U, osmý výstup bloku řízení je spojen s druhým vstupem bloku indikace a zároveň s druhým vstupem převodníku p/U, devátý výstup bloku řízení je spojen s třetím Vstupem bloku indikace a zároveň š třetím vstupem převodníku p/U a s třetí výstupní svorkou, hromadný desátý výstup bloku řízení je spojen s hromadným čtvrtým vstupem bloku indikace a zároveň s hromadnou čtvrtou výstupní svorkou. Hromadný výstup bloku indikace je spojen s hromadnou první výstupní svorkou. Výstup převodníku p/U je spojen s druhou výstupní svorkou.

Výhodou tohoto zapojení, je, že přesnost a stabilita měření je závislá jen na omezeném počtu součástek - na prvním a druhém kondenzátoru a termistoru. Tyto součástky nemusí mít přesnou hod notu, ale musí být stabilní. Další výhodou je, že zapojení neobsahuje žádné nastavovací prvky, což opět zvyšuje stabilitu a přesnost měření, ale také umožňuje jednoduchými prostředky provádět cejchování celého zařízení. Rovněž je výhodné, že se zapojení nemění pro různé rozsahy měřených tlaků, změní se pouze kon stanta v programu bloku řízení. Rovněž pouhou změnou konstanty v programu bloku řízení je možné, volit přesnost měření, ovšem v závislosti na rychlosti měření. Stejným obvodovým řešením se tak dají realizovat přesné vakuoměry s delší dobou odezvy nebo naopak rychlé vakuoměry s nižší přesností pro provozní aplikace. Stejně tak pouhou změnou konstanty v programu bloku řízení je možné' volit rozsah teplot, ve kterém je membránový vakuoměr teplotně kompenzován. Při individuálním cejchování vakuoměrů umož- 4 260 691 ňuje popsané zapojení realizovat membránové vakuoměry i s měrkami, které by při použití dosud, známých metod měření kapacit byly nepoužitelné (netypické nelinearity, s teplotní závislostí se změnou znaménka apod·).

Konkrétní příklad zapojení membránového vakuoměru podle tohoto vynálezu je znázorněn v blokovém schématu na připojeném výkresu.

Zapojení sestává z první vstupní svorky 11. druhé vstupní svorky 12. napětové svorky U^, prvního kondenzátoru C_K, druhého kondenzátoru C^, termistoruanalogového multiplexeru 2, prvního odporu R“ druhého odporu Rg, RC multivibrátoru 3, logického multiplexeru £, vratného čitáce g, indikátoru 6 nuly, bloku χ řízení, bloku 8 indikace, převodníku g p/U, hromadné první výstupní svorky 13. druhé výstupní svorky 14. třetí výstupní svorky 15 a hromadné čtvrté výstupní svorky 16.

První vstupní svorka 11 je spojena s prvním vstupem 21 analogového multiplexeru 2, druhá vstupní svorka 12 je spojena s druhým vstupem 22 analogového multiplexeru 2, mezi společný vodic a třetí vstup 23 analogového multiplexeru 2 je zapojen první kondenzátor 0&. Mezi společný vodič a čtvrtý vstup 24 analogového multiplexeru 2 je zapojen druhý kondenzátor C^, přičemž mezi čtvrtý vstup 24 analogového multiplexeru 2 a pátyvstup 25 analogového multiplexeru 2 je zapojen termistor R^. První výstup 28 analogového multiplexeru 2 je spojen s druhým“vstupem 32 RC multivibrátoru g, druhý výstup 29 analogového multiplexeru 2 je spojen s prvním vstupem 31 RC multivibrátoru g. Přitom mezi první vstup 31 RC multivibrátoru g a druhý vstup 32 RC multivibrátoru g je zapojen druhý odpor Rg. Mezi napětovou svorku U_R a první vstup 31 RC multivibrátoru g je zapojen první odpoFR^. Výstup 33 RC multivibrátoru g je spojen s prvním vstupem 4T~logického multiplexeru £. Výstup 44 logického multiplexeru 4. je spojen s prvním vstupem 51 vratného čítače g. Hromadný výstup 54 vratného čitače g je spojen s hromadným vstupem 61 indikátoru g nuly. Výstup 62 indikátoru 6 nuly je spojen se vstupem 701 bloku £ řízení. První výstup 702 bloku χ řízení je spojen s šestým vstupem 26 analogového multiplexeru 2. Druhý výstup 703 bloku χ řízení je spojen se sedmým vstupem 27 analogového multiplexeru 2.

- 5 260 691

Třetí výstup 704 bloku £ řízení je spojen s druhým vstupem 42 logického multiplexeru £. Čtvrtý výstup 703 bloku £ řízení je spojen s třetím vstupem 43 logického multiplexeru £. Pátý výstup 706 bloku χ řízení je spojen s druhým vstupem £2 vratného čitaoe £. Šestý výstup 707 bloku £ řízení je spojen s třetím vstupem 53 vratného čitače £. Sedmý výstup 708 bloku χ řízení je spojen s prvním vstupem 81 bloku 8 indikace a zároveň s prvním vstupem 21 převodníku 2. p/U· Osmý výstup 709 bloku χ řízení je spojen s druhým vstupem 82 bloku 8 indikace a zároveň s druhým vstupem 22 převodníku £ p/U. Devátý výstup 710 bloku χ řízení je spojen s třetím vstupem 83 bloku 8 indikace a zároveň s třetím vstupem 93 převodníku £ p/U a s třetí výstupní svorkou ££. Hromadný desátý výstup 711 bloku X řízení je spojen s hromadným čtvrtým vstupem 84 bloku 8 indikace a zároveň s hromadnou čtvrtou výstupní svorkou 16. Hromadný výstup 85 bloku 8 indikace je spojen s hromadnou první výstupní svorkou 13. Výstup 94 převodníku 2. P/U je spojen s druhou výstupní svorkou 14»

K první vstupní svorce 11 a druhé vstupní svorce 12 jsou připojeny elektrody měrky. Membrána měrky je spojena se společným bodem (zemí). První kondenzátor G^ je určen k autokalibraci zařízení, druhý kondenzátor s termistorem R^ slouží k měření teploty. Šestý vstup 26 a sedmý vstup 27 analogového multiplexeru 2 jsou adresové vstupy. Frekvence RG multivibrátoru £ je závislá na velikosti prvního odporu R^ a druhého odporu Rg a na velikosti připojené kapacity. Logickými signály na šestem vstupu 26 a sedmém vstupu 27 analogového multiplexeru 2 je možné k prvnímu výstupu 28 analogového multiplexeru 2 připojit bud první měřicí elektrodu měrk^ nebo druhou měřioí elektrodu měrky nebo první kondenzátor Ctného druhý kondenzátor C^,. Při propojení druhého kondenzátoru 0^ s prvním výstupem 28“~analogového multiplexeru 2 se zároveň Termistor R^ propojí mezi prvním výstupem 28 a druhým výstupem 29 analogového multiplexeru 2, tzn. paralelně k druhému odporu R₂· Výstup 33 RG multivibrátoru £ generuje pulsy, které jsou přivedeny na první vstup 41 logiokého multiplexeru £. Na druhý vstup 42 logického multiplexeru £ se přivádí pulsy, generované blokem χ řízení na třetím výstupu 704 bloku χ řízení. Třetí vstup 43 logiokého multiplexeru £ je adresový vstup. První vstup 51 vratného čitače £ je hodinový vstup,

- 6 260 691 druhý vstup 52 vratného čítače 2 je nulovací vstup a třetí vstup 22 vratného citace 5. slouží k řízení směru čítání. Indikátor 6 nuly indikuje logickým signálem na svém výstupu 62 vynulování vratného čitače 5,. Stav výstupu 62 indikátoru 6 nuly je závislý na kombinaci logických signálů na hromadném vstupu 61 indikátoru 6. nuly. První vstup 81 bloku 8 indikace a první vstup 91 převodníku 2 p/U jsou hodinové vstupy. Druhý vstup 82 bloku 8 indikace a druhý vstup 92 převodníku 9. p/U jsou nulovací vstupy. Třetí vstup 83 bloku 8 indikace a třetí vstup 93 převodníku 9 p/U jsou přepisovací vstupy vnitřních vyrovnávacích pamětí jak v bloku 8 indikace, tak i v převodníku 9 p/U. Signály na hromadném čtvrtém vstupu 84 bloku 8 indikace slouží k ovládání indikačních prvků v bloku 8 indikace, jako je indikace překročení mezních stavů - rozsahů teploty, tlaku, poruchových stavů atd. Výstupní svorky 22» lá» 12» lá slouží k připojení externích zařízení k membránovému vakuoměru, např. nadřazeného počítače, analogového úrovňového spínače, výnosného panelu indikace atd.

Na hromadné první výstupní svorce 13 jsou datové logické signály, úměrné naměřenému tlaku. Platnost dat je potvrzena logickým signálem na třetí výstupní svorce 15,. Na hromadné čtvrté výstupní svorce 16 jsou generovány logické signály o stavu membránového vakuoměru, např. překročení tlakového rozsahu, teplotního rozsahu, zkratu membrány, indikace havarijních stavů atd. Na druhé výstupní svorce 14 je generován analogový signál, úměrný naměřenému tlaku.

Ve fázi kalibrace je první kondenzátor Cg připojen k prvnímu výstupu 28 analogového multiplexeru 2. Velikost prvního odporu a druhého odporu R₂ a kapacity prvního kondenzátoru Cg určuji“frekvenci RC multivíbrátoru 2· Vratný čitaó 2 0^e vynulován. Poté jsou pulsy, generované RC multivibrátorem 2 přivedeny po dobu tg na první vstup 51 vratného čitače 5. Doba tg je určena signálem na třetím vstupu 43 logického multiplexeru £. Počet pul· sů, napočítaných vratným čítačem 5 je úměrný velikosti prvního odporu R.j, druhého odporu R^, kapacity prvního kondenzátoru Cg a době tg. Při stabilní době tg a stabilní hodnotě prvního kondenzátoru Cg je funkcí velikosti prvního odporu R^ a druhého odporu R₂. Toho je využito při autokalibraci zařízení. Po skončení doby tg se přepne směr čítání vratného čitače 2 ^a rovněž se

- 7 260691 na první vstup 51 vratného čitače 5. připojí pomocí logického multiplexeru £ třetí výstup 704 bloku ]_ řízení, který generuje pulsy tak dlouho, dokud není vratný čitač 2 vynulován, což je hlášeno bloku χ řízení pomocí indikátoru 6 nuly signálem na prvním vstupu 701 bloku 2. řízení. Počet generovaných pulsů je uložen do paměti bloku χ řízení.

Ve fázi měření teploty jek prvnímu výstupu 28 analogového multiplexeru 2 připojen druhý kondenzátor Cq, a mezi první výstup 28 a druhý výstup 29 analogového multiplexeru 2 je připojen termistor Rg,, měřící teplotu měrky. Frekvence RC mul ti vibrátoru 2 je potořřTdána hodnotami prvního odporu R^, druhého odporu R₂, termistoru Rq, a druhého kondenzátoru C^7~Po dobu jsou pulsy generované RC multivibrátořem 2 přivedeny na první vstup 51 vratného čitače 2» který byl předem vynulován. Číslo ve vratném čítači 5 je tedy úměrné velikosti prvního odporu Rq, druhého odporu R₂, termistoru Rq,, kapacity druhého kondenzátoru Cq, a době tq.· PřiHconstantních hodnotách prvního odporu Rq, druhého”odporu R₂, druhého kondenzátoru Cq, a tq. je úměrné hodnotě termistoru Rq, a” tedy teplotě. Obdobně^jako ve fázi kalibrace je toto číslo uloženo do paměti bloku 7 řízení.

V další fázi se připojí k prvnímu výstupu 28 analogového multiplexeru 2 první vstupní svorka 11 _r a rám i jeúna elektroda měrky. Frekvence RC multivibrátoru 2 je dána hodnotami prvního odporu Rq, druhého odporu R₂ a kapacitou jedné elektrody měrky. Vratný cxtač 5 je vynulován? Poté se k prvnímu vstupu 51 vratného citace 2 připojí logickým multiplexerem £ výstup 33 RC multivibrátoru 2 P° dobu t_Qq. Nato se k prvnímu výstupu 28 analogového multiplexeru £ připojí druhá vstupní svorka 12, a tím i druhá elektroda měrky. Frekvence RC multivibrátoru 3 je úměrná hodnotě prvního odporu Rq, druhého odporu R₂ a hodnotě kapacity druhé elektrody měrky.T vratného čitače 2~~se přepne směr čítání. Logickým multiplexerem £ jsou pulsy z výstupu 33 RC multivibrátoru 2 přivedeny po dobu t_c2 na první vstup 51 vratného čitače 2· Ve vratném čítači 5 obdržíme číslo, úměrné rozdílu kapacit elektrod měrky. Poté je na první vstup 51 vratného čitače 2 logickým multiplexerem £ připojen třetí výstup 704 bloku 7 řízení, který generuje pulsy tak dlouho, dokud není vratný Čitač 2 vynulován, obdobně jako ve fázi kalibrace a měření teploty. Počet pulsů, úměrný diferenci kapacit elektrod měrky, a tím i tlaku, je uložen do paměti bloku χ řízení.

260 691

Blok 7 řízení provede nyní výpočet skutečné hodnoty tlaku korekcí naměřeného tlaku v závislosti na naměřené hodnotě tlaku, naměřené teplotě a změřené kalibrační hodnotě. Přitom má v paměti uloženou prvotní kalibrační hodnotu, získanou při prvotním cejchování vakuoměru. To znamená, že naměřené hodnoty teploty a tlaku jsou vynásobeny konstantou, úměrnou poměru okamžité kalibrační hodnoty a prvotní kalibrační hodnoty. Tím je kompenzován např. vliv změny prvního odporu R^, druhého odporu R^, změny RG multivibrátoru 3, s časem i teplotou.

Po provedení korekčních výpočtů vynuluje blok 7 řízení svým osmým výstupem 709 blok 8 indikace a převodník 9 p/U. Potom blok 7. řízení na svém sedmém výstupu 708 generuje takový počet pulsů, který je úměrný skutečné hodnotě tlaku. Tento počet pulsů je zapsán do vnitřních pamětí bloku 8 indikace a převodníku 9, p/U. Poté svým devátým výstupem 710 blok 2 řízení přepíše tuto hodnotu do vyrovnávací paměti bloku 8 indikace i do vyrovnávací paměti převodníku 9 p/U. Na zobrazovacích prvcích bloku 8 indikace se objeví správný údaj měřeného tlaku a tím i na hromadné první výstupní svorce 13. Rovněž na výstupu 94 převodníku 9 p/U se objeví správný analogový signál, a tím i na druhé výstupní svorce 11· Překročení měřicích rozsahů tlaku a teploty, havarijní stavy apod. generuje blok 2. řízení na svém hromadném desátém výstupu 711.

Blok 2 řízení ovládá svým prvním výstupem 702 a svým druhým výstupem 703 adresový šestý vstup 26 a sedmý vstup 2£ analogového multiplexeru 2, svým čtvrtým výstupem 703 řídí adresový třetí vstup 43 logického multiplexeru 4» svým pátým výstupem 706 ovládá nulovací druhý vstup 32 vratného čítače 5 a svým šestým výstupem 707 ovládá,na třetím vstupu 33 přepínání směru čítání vratného čítače 5,. Blok 2 řízení je výhodně řešen pomocí mikroprocesoru 8748, resp. 8035.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   260 691

   Zapojení membránového vakuoměru, sestávající ze vstupních svorek, napštové svorky, kondenzátorů, termistoru, analogového multiplexeru, odporů, RC multivibrátoru, logického multiplexeru, vratného čitače, indikátoru nuly, bloku řízení, bloku indikace, převodníku p/U a výstupních svorek, vyznačen, é tím že první vstupní svorka (11) je spojena s prvním vstupem (21) analogového multiplexeru (2), druhá vstupní svorka (12) je spojena s druhým vstupem (22) analogového multiplexeru (2), mezi třetí vstup (23) analogového multiplexeru (2) a společný vodič je zapojen první kondenzátor (C_K), mezi čtvrtý vstup (24) analogového multiplexeru (2) a společný vodič je zapojen druhý kondenzátor (C,p}, přičemž mezi čtvrtý vstup (24) analogového multiplexeru (2) a pátý vstup (25) analogového multiplexeru (2) je zapojen termistor (Rgi), první výstup (28) analogového multiplexeru (2) je spojen s druhým vstupem (32) RC multivibrátoru (3), druhý výstup (29) analogového multiplexeru (2) je spojen s prvním vstupem (31) RC multivibrátoru (3), přičemž mezi první vstup (31) RC multivibrátoru (3) a druhý vstup (32) RC multivibrátoru (3) je zapojen druhý odpor (Rg) a mezi napětovou svorku (U_R) a první vstup (31) RC multivibrátoru (3) je zapojen první odpor (R-j), výstup (33) RC multivibrátoru (3) je spojen s prvním vstupem (41) logického multiplexeru (4), výstup (44) logického multiplexeru (4) je spojen s prvním vstupem (51) vratného čitače (5) , hromadný výstup (54) vratného čitače (5) je spojen s hromadným vstupem (61) indikátoru (6) nuly, výstup (62) indikátoru (6) nuly je spojen se vstupem (701) bloku (7) řízení, první výstup (702) bloku (7) řízení je spojen s šestým vstupem (26) analogového multiplexeru (2), druhý výstup (703) bloku (7) řízení jě spojen se sedmým vstupem (27) analogového multiplexeru (2), třetí výstup (704) bloku (7) řízení je spojen s druhým vstupem (42) logického multiplexeru (4g čtvrtí/ výstup (Ý0^7Blaku (7) řízení je spojen s třetím vstipeti^Q^) logického nttri.tip]|exeru rm vstu(4), pátý výstup (706) bloku £7) SízgftjL je-spojen di_ pem (52) vratného čitače (5), še3^ýn výjstup (707) bloku Í7) řízeni je spojen s třetím vstupem ij?B) -Vrgtného ,citaci (5) J sedmy výstup (708) bloku (7) řízení je spojen s prvním vstupem (81)

   260 691 bloku (8) indikace a. zároveň s prvním vstupem (91”) přeVodftSku· (9) p/U, osmý výstup (709) bloku (7) řízení je spojen s druhým vstupem (82) bloku (8)' indikace a zároveň s druhým vstupem (92) převodníku (9) p/U, devátý výstup (710) bloku (7) řízení je spojen s třetím vstupem (83) bloku (8) indikace a zároveň s třetím vstupem (93) převodníku (9) p/U a. s třetí výstupní svorkou (15), hromadný desátý výstup (711) bloku (7) řízení je spojen s hromadným čtvrtým vstupem (84) bloku (8) indikace a zároveň, s hromadnou čtvrtou výstupní svorkou (16), hromadný výstup (85) bloku (8) indikace je spojen s hromadnou první výstupní svorkou (13) a výstup (94) převodníku (9) p/U je spojen s druhou výstupní svorkou (14)·