RU2627544C2 - Piezo resonant-viscous vacuum gauge - Google Patents

Piezo resonant-viscous vacuum gauge Download PDF

Info

Publication number
RU2627544C2
RU2627544C2 RU2015141536A RU2015141536A RU2627544C2 RU 2627544 C2 RU2627544 C2 RU 2627544C2 RU 2015141536 A RU2015141536 A RU 2015141536A RU 2015141536 A RU2015141536 A RU 2015141536A RU 2627544 C2 RU2627544 C2 RU 2627544C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
impedance
temperature
resonators
measuring
Prior art date
Application number
RU2015141536A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015141536A (en
Inventor
Валерий Владимирович Коваленко
Евгений Александрович Зевакин
Original Assignee
Валерий Владимирович Коваленко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Владимирович Коваленко filed Critical Валерий Владимирович Коваленко
Priority to RU2015141536A priority Critical patent/RU2627544C2/en
Publication of RU2015141536A publication Critical patent/RU2015141536A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2627544C2 publication Critical patent/RU2627544C2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: measuring the gas pressure in the low and medium vacuum in the range of 0.001-1000 Torr for measuring adsorption and condensation of the gas components on the solid surface, regardless of changes in pressure and density of the gas. Essence: two heat-sensitive quartz resonators of the tuning-fork type and a semiconductor sensor are used in the proposed device. The resonator impedance is measured, depending on the gas pressure, the resonator frequency is measured, depending on temperature changes and the temperature measurement by the temperature sensor. The device contains electronic units for measuring impedance and frequency of the resonators, units for compensating the temperature and adsorption errors of the resonator impedance change signals and the adsorption errors of the resonator frequency change, a unit of transforming the resonator impedance change signals, depending on the gas pressure and the changes in the attached mass, the adsorption resonator mass. Displaying the gas pressure value and the relative change of the attached mass on the resonator is made using digital indicators.
EFFECT: expanding the gauge measurement range, decreasing the signal measurement errors of the resonator impedance changes depending on the gas pressure, expanding the functional capabilities.
2 dwg

Description

Заявляемое устройство относится к средствам измерения вакуума и может быть использовано для контроля и измерения давления газа в области низкого и среднего вакуума в диапазоне 0,001-1000 Торр, а также для относительных измерений адсорбции компонентов газа на поверхности резонатора.The inventive device relates to measuring vacuum and can be used to control and measure the gas pressure in the low and medium vacuum in the range of 0.001-1000 Torr, as well as for relative measurements of the adsorption of gas components on the surface of the resonator.

Известен пьзорезонансно-вязкостный вакуумметр (М. Ono, М. Hirata, K. Kokubun. Н. Murakami, F. Tamura, Н. Hojo, Н. Kawashima, Н. 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 кварцевый резонатор камертонного типа, расположенный в выносном блоке, блок электронной обработки и измерения сигнала изменения импеданса резонатора, стрелочный индикатор и элементы подстройки и контроля точности измеряемого сигнала в низком и высоком вакууме. Датчик и измерительный блок данного вакуумметра находятся в разных корпусах, блок индикации выполнен в виде стрелочного индикатора, также в приборе нет температурной и адсорбционной компенсации погрешности измерений, что ограничивает его аналитические и эксплуатационные возможности.A piezoresonance-viscous vacuum gauge is known (M. Ono, M. Hirata, K. Kokubun. N. Murakami, F. Tamura, N. Hojo, N. Kawashima, N. 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 tuning fork type quartz resonator located in a remote unit, an electronic processing unit and measuring a resonator impedance change signal, arrow indicator and elements for adjusting and controlling the accuracy of the measured signal in low and high vacuum. The sensor and measuring unit of this vacuum gauge are in different cases, the display unit is made in the form of a dial indicator, and the device also has no temperature and adsorption compensation for measurement errors, which limits its analytical and operational capabilities.

Известны пьезорезонансно-вязкостный вакуумметр (Пат. JP 03235030 Япония, Пат. JPH 06137977 Япония), содержащие кварцевый резонатор, электронные блоки обработки сигнала изменения импеданса резонатора, включающие в себя блок преобразования тока резонатора в напряжение, блоки программной подстройки выходного сигнала с учетом молекулярной массы - плотности газа и вязкости газа, программной настройки с учетом размеров резонатора, блоки цифровой индикации. Однако в данных вакуумметрах используется температурная компенсация погрешности сигнала только с помощью отдельного датчика температуры и нет компенсации погрешности неконтролируемой адсорбции веществ на резонаторе.Known piezoresonance-viscous vacuum gauge (Pat. JP 03235030 Japan, Pat. JPH 06137977 Japan), containing a quartz resonator, electronic units for processing the signal of the change of the impedance of the resonator, including a unit for converting the resonator current into voltage, blocks for adjusting the output signal taking into account the molecular weight - gas density and gas viscosity, software settings taking into account the size of the resonator, digital indication blocks. However, in these gauges, temperature compensation of the signal error is used only with the help of a separate temperature sensor and there is no compensation for the error of uncontrolled adsorption of substances on the resonator.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в (Т. Kabayashi. Н. Hojo, М. Ono. "Pressure measurement from 1 atm to 0,01 Pa using a quartz oscillator", Vacuum 44 (5-7), pp. 613-616 (1993)), содержащее температурно-чувствительный кварцевый резонатор камертонного типа, датчик температуры, блоки обработки и индикации измеряемого сигнала. Однако в данном вакуумметре нет возможности компенсировать адсорбционную погрешность изменения импеданса резонатора.Closest to the claimed is the device described in (T. Kabayashi. N. Hojo, M. Ono. "Pressure measurement from 1 atm to 0.01 Pa using a quartz oscillator", Vacuum 44 (5-7), pp. 613 -616 (1993)), containing a temperature-sensitive quartz resonator of the tuning fork type, a temperature sensor, processing units and indications of the measured signal. However, in this vacuum gauge there is no way to compensate for the adsorption error of the change in the resonator impedance.

Принцип работы предлагаемого пьезорезонансно-вязкостного вакуумметра основан на зависимостях изменения импеданса кварцевого резонатора ΔZ и резонансной частоты Δω термочувствительного камертонного резонатора изгибных колебаний от изменения давления газа ΔP, изменения температуры ΔT и изменения присоединенной массы mадс (адсорбированной массы вещества на поверхности резонатора).The principle of operation of the proposed piezoresonance-viscous vacuum gauge is based on the dependences of the change in the impedance of the quartz resonator ΔZ and the resonant frequency Δω of the thermosensitive tuning fork resonator for bending vibrations on changes in gas pressure ΔP, changes in temperature ΔT, and changes in the attached mass m ads (adsorbed matter mass on the resonator surface).

Для стандартных коммерчески-доступных кварцевых резонаторов камертонного типа с характерными размерами 5×1,5×0,3 мм и резонансными частотами 30-60 кГц изменения импеданса описываются следующими зависимостями (K. Kokubun, М. Hirata. Н. Murakami, Y. Toda, M. Ono, "A bending and stretching mode crystal oscillator as a friction vacuum gauge", Vacuum 34 (8-9), pp. 731-735 (1984). K. Kokubun, M. Hirata. M. Ono, 11. Murakami, Y. Toda, "United formula describing the impedance dependence of a quartz oscillator on gas pressure", J. Vac. Sci. Technol. A. 5 (4), pp.2450-2453 (1987)). В диапазоне давлений газа от 0,1-1 Торр и выше импеданс определяется вязким трением в газе:For standard commercial-grade tuning fork type quartz resonators with characteristic dimensions of 5 × 1.5 × 0.3 mm and resonant frequencies of 30-60 kHz, the impedance changes are described by the following relationships (K. Kokubun, M. Hirata. N. Murakami, Y. Toda , M. Ono, "A bending and stretching mode crystal oscillator as a friction vacuum gauge", Vacuum 34 (8-9), pp. 731-735 (1984). K. Kokubun, M. Hirata. M. Ono, 11 Murakami, Y. Toda, "United formula describing the impedance dependence of a quartz oscillator on gas pressure", J. Vac. Sci. Technol. A. 5 (4), pp. 2450-2453 (1987)). In the gas pressure range from 0.1-1 Torr and higher, the impedance is determined by viscous friction in the gas:

Figure 00000001
Figure 00000001

где ΔF - сила трения; η - вязкость газа; R - характерный размер тела; ρ - плотность газа; ω - частота колебаний резонатора; u - скорость смещения колеблющейся части резонатора. В области молекулярного трения при давлениях газа от 0,1-1 Торр и ниже импеданс резонатора определяется молекулярным трением в газе:where ΔF is the friction force; η is the viscosity of the gas; R is the characteristic body size; ρ is the gas density; ω is the oscillation frequency of the resonator; u is the displacement rate of the oscillating part of the resonator. In the field of molecular friction at gas pressures from 0.1-1 Torr and below, the resonator impedance is determined by molecular friction in the gas:

Figure 00000002
Figure 00000002

где М - молекулярная масса газа; R0 - газовая постоянная; Т - температура. Зависимость импеданса резонатора от температуры определяется многими факторами в том числе технологией изготовления и используемым кристаллографическим срезом кварца (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., Пат. ЕР 0233054). Для термочувствительных резонаторов, используемых в предлагаемом приборе, импеданс увеличивался при увеличении температуры линейно в диапазоне 10-30°С.where M is the molecular weight of the gas; R 0 is the gas constant; T is the temperature. The temperature dependence of the resonator impedance is determined by many factors, including manufacturing technology and the crystallographic cut of quartz (Reference on quartz resonators / Androsova V.G., Banks V.N. Dikidzhi A.N. et al .; edited by P.G. Pozdnyakova. - M .: Communication, 1978.-288 p., Pat. EP 0233054). For heat-sensitive resonators used in the proposed device, the impedance increased linearly in the range of 10-30 ° C with increasing temperature.

Адсорбция на резонаторе приводит к увеличению импеданса камертонного резонатора. Экспериментально установлена линейная зависимость ΔZ от адсорбированной массы mадс. Резонансная частота камертонного резонатора увеличивается линейно при уменьшении давления газа (K. Kokubun, М. Hirata, М. Ono. Н. Murakami, Y. Toda. "Frequency dependence of a quartz oscillator on gas pressure", J. Vac. Sci. Technol. A. 3 (6). pp. 2184-21 87 (1985)). Диапазон давления, в котором происходит изменение резонансной частоты кварца, составляет от 0,1-1 до 760 Торр и выше.Adsorption on the resonator leads to an increase in the impedance of the tuning fork resonator. A linear dependence of ΔZ on the adsorbed mass m ads was established experimentally. The resonant frequency of the tuning fork resonator increases linearly with decreasing gas pressure (K. Kokubun, M. Hirata, M. Ono. N. Murakami, Y. Toda. "Frequency dependence of a quartz oscillator on gas pressure", J. Vac. Sci. Technol A. 3 (6). Pp. 2184-21 87 (1985)). The pressure range in which a change in the resonant frequency of quartz is from 0.1-1 to 760 Torr and above.

Изменение резонансной частоты от температуры для термочувствительных резонаторов, используемых в данном устройстве, было линейно в диапазоне 10-30°С и составляло примерно 1 Гц/°С. Частота уменьшается при увеличении температуры.The change in the resonant frequency from temperature for the thermosensitive resonators used in this device was linear in the range of 10-30 ° C and amounted to about 1 Hz / ° C. The frequency decreases with increasing temperature.

Резонансная частота кварца уменьшается при увеличении его массы. Для используемых кварцевых резонаторов присоединение массы за счет адсорбции или конденсации резонансная частота уменьшается линейно. (Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.).The resonant frequency of quartz decreases with an increase in its mass. For the quartz resonators used, the mass addition due to adsorption or condensation, the resonant frequency decreases linearly. (Malov, V.V., Piezoresonance Sensors. - 2nd ed., Rev. And add. - M.: Energoatomizdat, 1989. - 272 p.).

Принцип измерения давления или плотности газа и адсорбированной массы на резонаторе основывается на представлениях о силе, действующей на тело при его колебаниях в среде. Сила, действующая на колеблющееся тело в среде, направленная против движения тела, состоит из диссипативной и инерционной составляющих (Ландау Л. Лифшиц Е.М.; Теоретическая физика: Уч. пособ. в 10 т. Т.VI. Гидродинамика. - 4-е изд. стер. – М.: Наука. Гл. ред. Физ. - мат.лит., 1988 г. - 736 с.)The principle of measuring the pressure or density of the gas and the adsorbed mass on the resonator is based on the concept of the force acting on the body during its oscillations in the medium. The force acting on an oscillating body in the medium, directed against the movement of the body, consists of dissipative and inertial components (Landau L. Lifshits E. M .; Theoretical Physics: Teacher. 10 vol. T.V. Hydrodynamics. - 4- e ed. ster. - M .: Nauka. Ch. ed. Phys. - mat. lit., 1988 - 736 p.

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где ρтела - плотность тела (или масса колеблющейся части кварцевого резонатора или адсорбированного вещества - mадс); ρср - плотность среды (плотность или давление газа - Р); А - амплитуда колебаний резонатора; u - скорость движения колеблющейся части резонатора.where ρ of the body is the density of the body (or the mass of the oscillating part of the quartz resonator or adsorbed substance is m ads ); ρ cf - the density of the medium (density or gas pressure - P); A is the oscillation amplitude of the resonator; u is the velocity of the oscillating part of the resonator.

Сила трения пропорциональна импедансу резонатора. Масса резонатора состоит из массы самого кварца и присоединенной массы адсорбированных веществ.The friction force is proportional to the impedance of the resonator. The mass of the resonator consists of the mass of quartz itself and the added mass of adsorbed substances.

Амплитуда колебаний резонатора А пропорциональна току через резонатор. При стабилизации тока (I=const) через резонатор, импеданс пропорционален напряжению в колебательном контуре или на резонаторе, по закону ОмаThe oscillation amplitude of resonator A is proportional to the current through the resonator. When stabilizing the current (I = const) through the resonator, the impedance is proportional to the voltage in the oscillating circuit or on the resonator, according to Ohm's law

Figure 00000007
Figure 00000007

В предлагаемом приборе используются два резонатора со стабилизированными токами I1 и I2 и соответственно с разной, но стабилизированной амплитудой колебаний кварцев. Соответственно измеряются два сигнала изменения импеданса с разной чувствительностью к плотности газа ρср (или давлению газа Р) и разной чувствительностью к плотности резонатора ρтела (или присоединенной, адсорбированной массе массе mадс), формула (6). Данные сигналы для двух резонаторов можно записать в виде системы двух линейных уравненийIn the proposed device, two resonators are used with stabilized currents I 1 and I 2 and, accordingly, with different but stabilized oscillation amplitudes of quartz. Accordingly, two impedance changes are measured with different sensitivity to gas density ρ cf (or gas pressure P) and different sensitivity to resonator density ρ of the body (or attached, adsorbed mass of mass m ads ), formula (6). These signals for two resonators can be written as a system of two linear equations

Figure 00000008
Figure 00000008

В заявляемом устройстве данная система уравнений решается инструментальным методом с использованием операционных усилителей с масштабируемыми коэффициентами а1, b1, а2, b2, где входными переменными являются сигналы ΔZ1, ΔZ2, а выходными переменными сигналы Р и mадс. Таким образом осуществляется компенсация погрешности измерения давления газа, связанная с неконтролируемой сорбцией или десорбцией веществ на поверхности резонатора.In the claimed device, this system of equations is solved by the instrumental method using operational amplifiers with scalable coefficients a 1 , b 1 , 2 , b 2 , where the input variables are signals ΔZ 1 , ΔZ 2 , and the output variables are signals P and m ads. Thus, the compensation of the error in measuring gas pressure is carried out, associated with uncontrolled sorption or desorption of substances on the surface of the resonator.

Компенсация температурной погрешности в диапазоне давлений от 0,1 Торр и выше осуществляется с помощью термодатчика, механически контактирующего с корпусами резонаторов. В диапазоне давлений от 0,1 Topp и ниже компенсация температурной погрешности проводится с помощью измерения резонансной частоты колебаний температурно-чувствительных резонаторов.Compensation of the temperature error in the pressure range from 0.1 Torr and higher is carried out using a temperature sensor mechanically in contact with the resonator bodies. In the pressure range from 0.1 Topp and below, temperature error compensation is carried out by measuring the resonant frequency of oscillations of temperature-sensitive resonators.

Заявляемый пьезорезонансно-вязкостный вакуумметр состоит из трех основных функциональных блоков, показанных на рис. 1 пунктирной линией: блока датчиков - I, блока обработки и преобразования сигналов - II и блока индикации - III. Блок датчиков I (см. рис. 1) содержит закрепленные на фланцевом вводе 5 два кварцевых резонатора 1 в стандартных металлических корпусах 2 цилиндрической формы размером 3 мм (диаметр) на 10 мм (длина) с отверстиями для прохода газа 3, термодатчик 4, механически контактирующий с корпусами резонаторов.The inventive piezoresonance-viscous vacuum gauge consists of three main functional blocks shown in Fig. 1 dashed line: the sensor unit - I, the processing unit and signal conversion - II and the display unit - III. Sensor block I (see Fig. 1) contains two quartz resonators 1 mounted on a flange inlet 5 in standard metal cases 2 of a cylindrical shape 3 mm in diameter (10 mm) by 10 mm (length) with openings for gas passage 3, thermal sensor 4, mechanically in contact with the resonator bodies.

Сигналы датчиков поступают в основной блок II, который содержит в свою очередь блоки автогенераторов 6, 7, блоки стабилизаторов тока резонаторов 8, 9, блоки измерения резонансной частоты кварцев 10, 11, блоки измерения импеданса резонаторов 12, 13, блок преобразования сигнала термодатчика 14, блоки линеаризации сигнала изменения импеданса от давления газа 15, 16, блоки температурной компенсации сигнала изменения импеданса резонатора от давления газа 17, 18, блоки компенсации ошибки измерения резонансной частоты, связанной с адсорбцией 19, 20, блок 21 преобразования сигналов изменения импеданса резонаторов в сигналы, связанные с изменением присоединенной массы на резонаторе (адсорбцией) и давлением газа, блока подстройки сигнала давления в зависимости от молекулярной массы или плотности газа 22.The signals of the sensors enter the main unit II, which in turn contains the blocks of self-oscillators 6, 7, the blocks of the current stabilizers of the resonators 8, 9, the blocks for measuring the resonant frequency of the quartz 10, 11, the blocks for measuring the impedance of the resonators 12, 13, the signal conversion block of the temperature sensor 14, blocks of linearization of the signal of the change in the impedance of the gas pressure 15, 16, blocks of temperature compensation of the signal of the change of the impedance of the resonator of the gas pressure 17, 18, blocks of compensation of the error in measuring the resonant frequency associated with adsorption 19, 20, block 21 pre the formation of signals of changes in the impedance of resonators into signals associated with a change in the attached mass at the resonator (adsorption) and gas pressure, a block for adjusting the pressure signal depending on the molecular weight or density of the gas 22.

Блок индикации III состоит из цифрового индикатора давления газа 23 и цифрового индикатора относительного значения присоединенной массы 24.Display unit III consists of a digital gas pressure indicator 23 and a digital indicator of the relative value of the connected mass 24.

На рис. 2 показан в увеличенном виде блок датчиков пьезорезонансно-вязкостного вакуумметра с расположением температурного датчика относительно резонаторов. На рис. 2 показаны: металлический фланцевый вакуумный ввод 5; температурный датчик 4, контактирующий с корпусами резонаторов 2, и электрические контакты резонаторов 25.In fig. 2 shows an enlarged view of the piezoresonance-viscous vacuum gauge sensor unit with the location of the temperature sensor relative to the resonators. In fig. 2 shows: metal flanged vacuum inlet 5; a temperature sensor 4 in contact with the bodies of the resonators 2, and the electrical contacts of the resonators 25.

Предлагаемый пьезорезонансно-вязкостный вакуумметр работает следующим образом. Автогенераторы 6, 7 (см. рис. 1) возбуждают генерацию колебаний на резонансной частоте ω кварцев в автоколебательном режиме. Стабилизаторы тока 8, 9 стабилизируют ток в колебательном контуре резонаторов. Постояннотоковые сигналы напряжения U(ΔZ) и U(Δω), связанные соответственно с изменениями импеданса ΔZ при изменении давления газа и изменением резонансной частоты Δω при изменении температуры термочувствительных резонаторов, формируются в блоках 10, 11, 12 и 13. При этом, как было показано выше, изменение сигналов импеданса связано также с изменением температуры резонаторов и изменением массы кварцев. Выходные сигналы указанных блоков зависят от давления Р, температуры Т и адсорбционной массы mадс. Формируемый сигнал тепературно-частотными блоками 10 и 11 равен изменению выходного напряжения изменения резонансной частоты кварца, связанного с изменением его температуры и массы в области давлений от 0,1 Торр и ниже U(Δω(Т, mадc). Блоком 14 формируется сигнал изменения температуры, измеренный датчиком 4. Выход данного блока соединен с входом блоков термокомпенсации 17, 18. Выходной сигнал блоков 10 и 11 поступают на вход блоков компенсации адсорбционной погрешности 19 и 20 соответственно. Формируемый блоками 19 и 20 сигнал U(Δω(T)) представляет собой сумму сигналов блоков 10, 11 и блока 21, связанную с измерением адсорбционной массыThe proposed piezoresonance-viscous vacuum gauge operates as follows. Self-oscillators 6, 7 (see Fig. 1) excite oscillation generation at the resonant frequency ω of quartz in a self-oscillating mode. Current stabilizers 8, 9 stabilize the current in the oscillatory circuit of the resonators. The constant current voltage signals U (ΔZ) and U (Δω), respectively associated with changes in the impedance ΔZ with a change in gas pressure and a change in the resonant frequency Δω with a change in the temperature of thermosensitive resonators, are generated in blocks 10, 11, 12, and 13. Moreover, as was As shown above, a change in impedance signals is also associated with a change in the temperature of the resonators and a change in the mass of quartz. The output signals of these blocks depend on the pressure P, temperature T and adsorption mass m ads. The generated signal by the temperature and temperature blocks 10 and 11 is equal to the change in the output voltage of the resonance frequency of the quartz associated with a change in its temperature and mass in the pressure range from 0.1 Torr and below U (Δω (T, m ads ). Block 14 generates a change signal temperature measured by the sensor 4. The output of this unit is connected to the input of the thermal compensation units 17, 18. The output signal of the blocks 10 and 11 are fed to the input of the adsorption error compensation units 19 and 20. The signal U (Δω (T)) generated by blocks 19 and 20 represents with me the ummah of the signals of blocks 10, 11 and block 21, associated with the measurement of adsorption mass

Figure 00000009
Figure 00000009

Преобразование (9) проводится в диапазоне давлений газа 0,1-0,001 Торр, в котором частота резонаторов изменяется только за счет адсорбции и изменения температуры и не зависит от давления газа.Transformation (9) is carried out in the range of gas pressures of 0.1-0.001 Torr, in which the frequency of the resonators changes only due to adsorption and temperature changes and is independent of gas pressure.

Формируемый блоками 12, 13 сигнал изменения импеданса резонаторов U(ΔZ(Р, Т, mадс) поступает на вход блоков линеаризации 15, 16, где проводится его линеаризация. Выход блоков линеаризации соединен с блоками термокомпенсации 17, 18. В блоках термокомпенсации проводится компенсация температурной погрешности сигналов изменения импеданса резонаторов. Термокомпенсация в диапазоне давлений от 0,1 Торр и выше проводится с использованием выходного сигнала блока 14, а в диапазоне от 0,1 Торр и ниже с использованием выходного сигнала блоков 19, 20. Выходной сигнал и преобразование в блоках 17, 18The signal of the resonator impedance change U (ΔZ (P, T, m ads )) generated by blocks 12, 13 is fed to the input of linearization blocks 15, 16, where it is linearized. The output of linearization blocks is connected to thermal compensation blocks 17, 18. Compensation blocks are made in thermal compensation temperature error of resonator impedance change signals Thermal compensation in the pressure range from 0.1 Torr and higher is carried out using the output signal of block 14, and in the range from 0.1 Torr and lower using the output signal of blocks 19, 20. The output signal cash and conversion in blocks 17, 18

U(ΔZ(Р, mадс))=U(ΔZ(P, T, mадс))-U(Δω(Т)) - для Р от 0,1 Торр и ниже;U (ΔZ (P, m ads )) = U (ΔZ (P, T, m ads )) - U (Δω (T)) - for P from 0.1 Torr and below;

U(ΔZ(Р, mадc))=U(ΔZ(Р, Т, mадc))-U(T) - для Р от 0,1 Торр и выше.U (ΔZ (P, m adc )) = U (ΔZ (P, T, m adc )) - U (T) - for P from 0.1 Torr and higher.

Выходы блоков 17,18 являются входами блока 21, в котором производится преобразование данных сигналов в два сигнала - сигнал импеданса резонаторов, пропорциональный изменению давления газа U(ΔZ(Р)), и сигнал изменения импеданса, пропорциональный изменению присоединенной массы U(ΔZ(mадс))The outputs of blocks 17.18 are the inputs of block 21, in which these signals are converted into two signals — the resonator impedance signal proportional to the change in gas pressure U (ΔZ (P)) and the impedance change signal proportional to the change in the connected mass U (ΔZ (m ads ))

Figure 00000010
Figure 00000010

Система уравнений (10) аналогична системе уравнений (8), рассмотренной выше. Выход преобразователя 21, связанный с изменением присоединенной массы, является входом цифрового индикатора относительных значений адсорбционной массы 24. Выход преобразователя 21, связанный с давлением газа, последовательно соединен с блоком компенсации молекулярной массы газа 22, и блоком цифровой индикации 23, отображающим давление газа.The system of equations (10) is similar to the system of equations (8) considered above. The output of the transducer 21, associated with a change in the attached mass, is the input of a digital indicator of the relative values of the adsorption mass 24. The output of the transducer 21, associated with the gas pressure, is connected in series with the molecular weight compensation unit of the gas 22 and the digital display unit 23 displaying the gas pressure.

Первичный формируемый сигнал пьезорезонансно-вязкостного вакуумметра является сигналом изменения плотности газа, а не давления, поэтому показания прибора зависят от молекулярной массы газа, и с помощью блока 22 устанавливается коэффициент усиления сигнала, соответствующий молекулярной массе газа.The primary generated signal of a piezoresonance-viscous vacuum gauge is a signal of a change in gas density, not pressure, therefore, the readings of the device depend on the molecular weight of the gas, and using block 22, a signal gain corresponding to the molecular weight of the gas is set.

Преимуществом предлагаемого вакуумметра является уменьшение температурной и сорбционной погрешностей измерения импеданса резонаторов и связанное с этим повышение точности и расширение диапазона измерения давления газа, а также возможность проведения измерений адсорбционной способности компонентов газа.The advantage of the proposed vacuum gauge is the reduction of temperature and sorption errors in measuring the impedance of the resonators and the associated increase in accuracy and expansion of the measurement range of gas pressure, as well as the possibility of measuring the adsorption capacity of gas components.

Claims (1)

Пьезорезонансно-вязкостный вакуумметр, включающий в качестве датчика термочувствительный резонатор камертонного типа, блок электронной обработки сигналов, блок индикации, датчик температуры с блоком температурной компенсации выходного сигнала резонатора, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй термочувствительный кварцевый резонатор с блоком измерения резонансной частоты, выход которого соединен с блоком измерения импеданса этого резонатора, блок измерения резонансной частоты первого резонатора, выход которого соединен с блоком измерения импеданса первого резонатора, термодатчика, механически контактирующего с корпусами обоих резонаторов, электронного блока термодатчика, выход которого соединен с блоками измерения импеданса первого и второго резонаторов, блок преобразования сигналов первого и второго резонаторов в сигналы изменения давления и адсорбируемой массы, выход данного преобразователя, связанный с сигналом измерения адсорбируемой массы, соединен с блоками измерения резонансной частоты первого и второго резонаторов и с цифровым индикатором относительных значений адсорбированной массы, второй выход преобразователя последовательно соединен с входом блока подстройки сигнала в зависимости от молекулярной массы газа и входом цифрового индикатора давления газа.A piezoresonance-viscous vacuum gauge comprising a temperature-sensitive tuning fork resonator, an electronic signal processing unit, an indication unit, a temperature sensor with a temperature compensation unit for the output signal of the resonator, characterized in that it further comprises a second heat-sensitive quartz resonator with a resonant frequency measuring unit, the output of which connected to the impedance measuring unit of this resonator, the resonance frequency measuring unit of the first resonator, the output of which is connected nen with a unit for measuring the impedance of the first resonator, a temperature sensor mechanically in contact with the housings of both resonators, an electronic block of the temperature sensor, the output of which is connected to blocks of the impedance measurement of the first and second resonators, a unit for converting the signals of the first and second resonators into pressure and adsorbed mass signals, the output of this the transducer associated with the measurement signal of the adsorbed mass is connected to the units for measuring the resonant frequency of the first and second resonators and to a digital indicator With the help of the relative values of the adsorbed mass, the second output of the converter is connected in series with the input of the signal adjustment block depending on the molecular mass of the gas and the input of a digital gas pressure indicator.
RU2015141536A 2015-09-30 2015-09-30 Piezo resonant-viscous vacuum gauge RU2627544C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141536A RU2627544C2 (en) 2015-09-30 2015-09-30 Piezo resonant-viscous vacuum gauge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141536A RU2627544C2 (en) 2015-09-30 2015-09-30 Piezo resonant-viscous vacuum gauge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015141536A RU2015141536A (en) 2017-04-07
RU2627544C2 true RU2627544C2 (en) 2017-08-08

Family

ID=58505236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015141536A RU2627544C2 (en) 2015-09-30 2015-09-30 Piezo resonant-viscous vacuum gauge

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2627544C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3396341A1 (en) 2017-04-24 2018-10-31 Nokia Technologies Oy Strain sensor comprising a viscous piezoresistive element

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU847099A1 (en) * 1979-01-29 1981-07-15 Предприятие П/Я М-5539 Piezo-resonance vacuum meter
JPS62184325A (en) * 1986-02-07 1987-08-12 Seiko Instr & Electronics Ltd Quartz type gas pressure gauge
US5136885A (en) * 1991-04-05 1992-08-11 Tif Instruments, Inc. Quartz crystal pressure sensor
US20120096945A1 (en) * 2010-10-25 2012-04-26 Seiko Epson Corporation Pressure sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU847099A1 (en) * 1979-01-29 1981-07-15 Предприятие П/Я М-5539 Piezo-resonance vacuum meter
JPS62184325A (en) * 1986-02-07 1987-08-12 Seiko Instr & Electronics Ltd Quartz type gas pressure gauge
US5136885A (en) * 1991-04-05 1992-08-11 Tif Instruments, Inc. Quartz crystal pressure sensor
US20120096945A1 (en) * 2010-10-25 2012-04-26 Seiko Epson Corporation Pressure sensor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015141536A (en) 2017-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101517381B (en) Apparatus having a unit which is capable of mechanical oscillation and is intended to determine and/or monitor a process variable of a medium
US9581297B2 (en) Method of, and apparatus for, measuring the true contents of a cylinder of gas under pressure
US8220313B2 (en) Apparatus for ascertaining and/or monitoring a process variable of a meduim
US6543281B2 (en) Downhole densitometer
US5142912A (en) Semiconductor pressure sensor
US9441997B2 (en) Method of, and apparatus for, measuring the physical properties of two-phase fluids
CN109923381B (en) Method for monitoring the state of an electromechanical resonator
KR20130103583A (en) Method of, and apparatus for, measuring the mass flow rate of a gas
CN110411560B (en) Vibration sensor and method
JPS6239935B2 (en)
RU2627544C2 (en) Piezo resonant-viscous vacuum gauge
US20070017277A1 (en) Apparatus and method for measuring fluid density
US20070017278A1 (en) Apparatus and method for measuring fluid density
CN104180919A (en) High-precision temperature measuring system based on micro resonator
US20040065485A1 (en) Electronic weighing apparatus utilizing surface acoustic waves
CN1877998B (en) Digital phase-locking loop for resistance vibration-pickup type silicon micro-mechanical resonate sensor
RU2665758C2 (en) Device for measuring mass flow, molecular weight and humidity of gas
US9032797B2 (en) Sensor device and method
CN100451552C (en) Double resonator sensitive structure resonant sensor
RU57467U1 (en) ACOUSTIC GAS ANALYZER
RU56637U1 (en) ACOUSTIC GAS ANALYZER
RU2331856C1 (en) Method of temperature error compensation for sensor with vibration element
CN108827346A (en) Resonant transducer temperature-compensation method based on continuous ring-down
RU159820U1 (en) FREQUENCY PRESSURE SENSOR
Zhou et al. A Quadrature Phase-Locked Loop Based Digital Closed-Loop System for MEMS Resonant Sensors

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171001