Solid state radio-measuring optical-frequency transducer of gas flow rate

Abstract

The paper presents a study of a solid state radio-measuring optical-frequency transducer of gas consumption based on a transistor structure with a negative differential resistance. A mathematical model of a solid state radio-measuring optical-frequency flowmeter was developed, which made it possible to obtain the conversion function and the sensitivity equation. The solid state radio-measuring optical-frequency gas flowmeter is based on a transistor structure with a negative differential resistance, consisting of a HEMT field-effect transistor and a bipolar transistor with a passive inductive element. When replacing the passive inductance with an active inductive element, the transducer can be completely integrated. The operation of a solid state radio-measuring optical-frequency gas flowmeter is based on the interferometric method of refractometry of optically transparent liquids and gases. The negative differential resistance formed by the parallel connection of the impedance with the capacitive component on the collector-drain electrodes of the transistor structure and inductance leads to the occurrence of electrical oscillations in the oscillator circuit. Theoretical and experimental studies have shown that with an increase in gas consumption 0 l/h to 4 l/h, the generation frequency decreases 812.65 MHz to 811.62 MHz at a supply voltage of 3.3 V, and at a supply voltage of 3.8 V 813.00 MHz to 811.80 MHz. It is shown that by choosing a constant voltage power supply mode, it is possible toobtain an almost linear dependence of the generation frequency on the gas flow rate and choose channels for transmitting measurement information. Studies have shown that the sensitivity of the developed device is 262kHz/l/h. The obtained theoretical and experimental studies are in good agreement, the relative error does not exceed 2.5%.

В роботі представлено дослідження твердотільного радіовимірювального оптико-частотного перетворювача витрат газу на основі транзисторної структури з від’ємним диференційним опором. Розроблено математичну модель твердотільного радіовимірювального оптико-частотного витратоміра, яка дозволила отримати функцію перетворення та рівняння чутливості. Твердотільний радіовимірювальний оптико-частотний витратомір газу створено на основі транзисторної структури з від’ємним диференційним опором, що складається з HEMT польового транзистора і біполярного транзистора з пасивним індуктивним елементом. При заміні пасивної індуктивності на активний індуктивний елемент перетворювач повністю можна виконати в інтегральному вигляді. В основі роботи твердотільного радіовимірювального оптико-частотного витратоміру газу лежить інтерферометричний спосіб рефрактометрії оптично прозорих рідин і газів. Від’ємний опір, утворений паралельним включенням повного опору з ємнісною складовою на електродах колектор-стік транзисторної структури та індуктивності, приводить до виникнення електричних коливань в контурі твердотільного автогенератора. Встановлено, що на виході твердотільного радіовимірювального оптико-частотного витратоміра існують періодичні коливання, частота яких змінюється зі зміною оптичного випромінювання, яке діє на фоточутливі транзистори. Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що зі зростанням витрат газу від 0 л/год до 4 л/год зменшується частота генерації від 812,65 МГц до 811,62 МГц при напрузі живлення 3,3 В, а при напрузі живлення 3,8 В від 813,00 МГц до 811,80 МГц. Показано, що вибором режиму живлення з постійної напруги, можна отримати практично лінійну залежність частоти генерації від витрат газу та вибирати канали для передачі вимірювальної інформації. Проведені дослідження показали, що чутливість розробленого пристрою складає 262 кГц/л/год. Отримані теоретичні та експериментальні дослідження мають гарний збіг, відносна похибка не перевищує 2,5 %.