Optical-frequency gas flow meter on the basis of transistor structures with negative differential resistance

Abstract

У статті досліджено оптично-частотний витратомір газу на основі транзисторної структури з від'ємним диференціальним опором (ВДО). Запропоновано принципову схему та конструкцію оптично-частотного перетворювача витрати газу, що працює в НВЧ-діапазоні (від 0,85 до 1,5 ГГц), який складається з біполярного та польового транзистора з бар'єром Шотткі, як фоточутливий елемент використано фоторезистор. Розроблено математичну модель оптично-частотного витратоміра газу на основі транзисторної структури з від'ємним диференціальним опором, яка дає змогу отримати основні характеристики перетворювача в широкому діапазоні частот. Теоретично й експериментально показано можливість керування як реактивною складовою, так і від'ємним диференціальним опором зміною керувальної напруги та потужності, що розширює функційні можливості оптичних перетворювачів і дає змогу лінеаризувати функцію перетворення в межах (0,1–0,2) %. Експериментальні дослідження показали, що найбільша чутливість і лінійність функції перетворення оптично-частотного перетворювача витрати газу лежить у діапазоні від 3 В до 3,5 В. Чутливість розробленого оптично-частотного перетворювача витрати газу на основі транзисторної структури з ВДО становить 146 кГц/(л/год), а похибка вимірювання — ± 1,5 %.The article investigated the optical-frequency gas flow meter based on a transistor structure with negative differential resistance (NDR). A schematic diagram and design of an optical-frequency gas flow transducer that operates in the microwave range (0.85 to 1.5 GHz), which consists of a bipolar and field-effect transistor with a Schottky barrier, is proposed as a photosensitive element using a photoresistor. A mathematical model of an optical-frequency gas flow meter based on a transistor structure with negative differential resistance has been developed, which allows one to obtain the main characteristics of the transducer in a wide frequency range. Theoretically and experimentally, the possibility of controlling both the reactive component and the negative differential resistance changes in control voltage and power is shown, it extends the functionality of optical transducers and allows linearization of the conversion function within (0.1 - 0.2)%. Experimental studies have shown that the greatest sensitivity and linearity of the conversion function of an opticalfrequency gas flow transducer lies in the range 3 V to 3.5 V. The sensitivity of the developed optical-frequency gas flow transducer based on a transistor structure with NDR is 146 kHz/liter/hour, and the measurement error is ± 1.5%.