Оптико-частотний витратомір газу

Abstract

В роботі представлено дослідження оптико-частотного витратоміра газу на основі транзисторної структури з від`ємним диференційним опором. Розроблено математичну модель оптико-частотного витратоміра з фоточутливим резистивним елементом, яка дозволила отримати функції перетворення та чутливості. Оптико-частотний витратомір газу створено на основі транзисторної структури з від`ємним диференційним опором ,що складається з двох біполярних транзисторів з пасивним індуктивним елементом. В основі роботи оптико-частотного витратоміру газу лежить інтерферометричний спосіб рефрактометрії оптично прозорих рідин і газів. Від`ємний диференціальний опір, утворений паралельним включенням повного опору з ємнісною складовою на електродах транзисторної структури та індуктивності, приводить до виникнення електричних коливань в контурі автогенератора. Використовуючи середовище Matlab, доведено адекватність розробленої математичної моделі. Встановлено, що на виході оптико-частотного витратоміра існують періодичні коливання, частота яких змінюється зі зміною опору фоточутливого резистивного елемента, який залежить від витрат газу. Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що зі зростанням витрат газу від 0 л/год до 40 л/год збільшується частота генерації від 434,250 МГц до 434,750 МГц при напрузі живлення 2,8 В, а при напрузі живлення 3,3 В від 435,250 МГц до 435,750 МГц. Показано, що вибором режиму живлення з постійної напруги, можна отримати лінійну залежність частоти генерації від витрат газу та вибирати канали для передачі вимірювальної інформації. Оптимальною напругою живлення є величина 3,3 В, при якій в діапазоні від 20оС до 50оС існує найбільш температурно стабільна робота оптико-частотного витратоміра газу. Проведені дослідження показали, що чутливість розробленого пристрою складає 12,5 кГц/л/год. Отримані теоретичні та експериментальні дослідження мають гарний збіг, відносна похибка не перевищує 1,5%.

The paper presents a study of optical-frequency gas flowmeter based on a transistor structure with a negative differential resistance. A mathematical model of an optical-frequency flowmeter with a photosensitive resistive element has been developed. The opticalfrequency gas flowmeter is based on a transistor structure with a negative differential resistance based on two bipolar transistors with a passive inductive element. An interferometric method of refractometry of optically transparent liquids and gases was used to create an optical-frequency gas flowmeter. Negative differential resistance, formed by the parallel inclusion of impedance with a capacitive component on the electrodes of the transistor structure and inductance, leads to electrical oscillations in the circuit of the autogenerator. Using the Matlab environment, the adequacy of the developed mathematical model is proved. It is established that at the output of the opticalfrequency flowmeter there are periodic oscillations, the frequency of which changes with the change of the resistance of the photosensitive resistive element. Theoretical and experimental studies have shown that with increasing gas consumption from 0 l/h to 40 l/h increases the generation frequency from 434.250 MHz to 434.750 MHz at a supply voltage of 2.8 V, and at a supply voltage of 3.3 V from 435.250 MHz up to 435.750 MHz. It is shown that by choosing the power supply mode from the DC voltage, it is possible to obtain a linear dependence of the generation frequency on the gas flow rate and to select channels for the transmission of measurement information. The optimal supply voltage is 3.3 V, at which there is the smallest change in the generation frequency in the range from 20 oC to 80 oC. In the temperature range from 20 oC to 50 oC there is the most temperature stable operation of the optical-frequency gas flow meter. Experimental and theoretical studies have shown that the sensitivity of the developed device is 12.5 kHz/l/h. The obtained theoretical and experimental studies have a good match, the relative error does not exceed 1.5%.