Технічні науки/6. Електротехніка і радіоелектроніка

Д.т.н., проф. Осадчук В.С., д.т.н., проф. Осадчук О.В., Ющенко Ю.А.

Вінницький національний технічний університет

Вольт-амперна характеристика радіовимірювального

теплового витратоміра газу з активним індуктивним

елементом

Перетворювачі фізичних величин з частотним вихідним сигналом мають ряд переваг перед аналоговими, які полягають у значному підвищенні завадостійкості, що дозволяє збільшити точність вимірювання, а також у можливості одержання значних величин вихідних сигналів. Це дозволяє відмовитись від підсилювальних пристроїв у наступній обробці сигналів. Використання частотного сигналу в якості інформативного не вимагає застосування аналого-цифрових перетворювачів, що підвищує економічність вимірювальної апаратури [1]. На теперішній час досягнуті значні успіхи як у розробці теорії аналогових витратомірів, так і в практичній їх реалізації для багатьох галузей промисловості [2, 3]. Проте дослідження і розробка витратомірів з частотним виходом на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором знаходяться на початковій стадії [5]. Без знань поведінки вольт-амперної характеристики витратоміра неможливо правильно обрати робочу точку, що визначає режим роботи пристрою і його коефіцієнт корисної дії. Тому дана робота присвячена розрахунку вольт-амперної характеристики радіовимірювального теплового витратоміра.

Класичним методом розрахунку вольт-амперної характеристики напівпровідникових приладів з від’ємним опором, наприклад, лямбда-транзисторів є використання вольт-амперних залежностей лінійного і режиму насичення, які в точці переходу з одного режиму у другий зшиваються [6]. В нашому випадку використовується система рівнянь Кірхгофа, яка описує поведінку витратоміра з постійного струму. Це дозволяє на основі нелінійної еквівалентної схеми витратоміра, що описує всі режими роботи активних елементів пристрою, без додаткових операцій і більш точно отримати вольт-амперні характеристики витратомірів. Це є базою для розрахунків і експериментального дослідження вольт-амперних залежностей. Розв’язку цих питань присвячена дана робота.

Схема радіовимірювального теплового витратоміра з активним індуктивним елементом наведена на рис.1 [7, 10]. Тепловий витратомір складається з трьох біполярних транзисторів, живлення яких здійснюють джерела постійної напруги U₁ і U₂ . Доведемо, що на електродах колектор-колектор транзисторів VT₁ і VT₂ існує від’ємний опір (рис.1).

Рис.1. Електрична схема радіовимірювального теплового витратоміра газу

Для цього скористаємося еквівалентною схемою радіовимірювального теплового витратоміра газу для постійного струму, яка подана на рис. 2.

Рис.2. Еквівалентна схема витратоміра газу по постійному струму

Згідно вибраним контурним струмам, рівняння Кірхгофа мають вигляд:

(1)

Для спрощення системи (1) введемо такі позначення

(2)

З врахуванням позначень (2) систему рівнянь (1)можна переписати у вигляді

(3)

Введемо позначення:

(4)

Ввівши позначення (3) система рівнянь (1) набуває вигляду

(5)

З шостого рівняння системи (5) визначимо значення струму

(6)

З п’ятого рівняння системи (5), підставивши значення струму , визначимо струм

(7)

де

Підставивши значення струму в четверте рівняння системи (4.5), визначимо струм

, (8)

де

На основі третього рівняння системи (5), підставивши та , величина струму описується формулою

(9)

де

З другого рівняння системи (4.5), визначаємо величину струму

(10)

З першого рівняння системи (5) використовуючи (8) - (10) розрахуємо значення струму , який протікає у вихідному колі еквівалентної схеми перетворювача по постійному струму (рис.2), тобто

(11)

де

Згідно виразу (11) розрахована вольт-амперна характеристика частотного перетворювача концентрацій газу.

Для експериментальних досліджень була виготовлена гібридна мікросхема транзисторної структури з від’ємним опором. В гібридній інтегральній схемі були застосовані кристали біполярних транзисторів BFR92 та BF569.

На рис.3 подана теоретична та експериментальна ВАХ цього перетворювача. Із графіка видно, що при збільшенні напруги керування збільшується ділянка від’ємного опору. Так, при В ділянка від’ємного опору по лежить від 3 до 5,5 В, при =3,5 В від 5,5 до 10,5 В, а при =4,5 В вона становить від 9,5 до 15 В.

Рис.3. Експериментальна та теоретична ВАХ радіовимірювального теплового витратоміра газу з активним індуктивним елементом

Література

1. Новицкий П.В., Кноринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. –Л.: Энергия, 1970. –424с.

2. Ляшенко А.А., Ющенко О.А., Сягаев Н.А., Олейник В.Ю. Способ измерения расхода потока. Патент РФ №2152593. Бюл. №19, 10.07.2000.

3. Соколов Г.А., Ющенко О.А., Ляшенко А.А. Тепловые расходомеры с микропроцессорными адаптивными динамическими корректорами. Труды Международной научно-технической конференции «Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара. СПб, 1996.

4. Ураксеев М.А., Романченко А.Ф., Абдрашитова Д.Р., Шилов С.А. Перспективы термоанемометрических методов измерения расхода газа или жидкости. Электронный журнал «Исследовано в России» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles /2001/051.pdf.

5. Осадчук О.В. Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі транзисторних структур з від’ємним опором. – Вінниця: «УНІВЕРСУМ – Вінниця», 2000. – 303 с.

6. C.-Y. Wu and C.-Y. Wu. An analysis and the fabrication technology of the lambda bipolar transistor. IEEE Trans Electron Devices. vol ED-27. 1980. N2, p.414-419.

7. Патент на корисну модель №24005 України, МПК G01 F 1/34. Мікроелектронний вимірювач витрати газу / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Ющенко Ю.А. (Україна). - Опубл. Бюл.№8 від 11.06.2007 р. – 3 с.

8. Патент на корисну модель №24002 України, МПК G01 F 1/34. Витратомір газу. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Ющенко Ю.А. (Україна). - Опубл. Бюл.№8 від 11.06.2007.

9. Патент на корисну модель №26479 України, МПК G01 F 1/34. Мікроелектронний пристрій для виміру витрат газу. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Ющенко Ю.А., Ярославцев О.О. (Україна).Опубл. Бюл.№15 від 25.09.2007.