Надіслати статтю
вул. Інститутська 11, м. Хмельницький, 29016
visnyk.khnu@khmnu.edu.ua
(0382) 67-51-08

ОПТИКО-ЧАСТОТНИЙ ВИТРАТОМІР ГАЗУ

OPTICAL-FREQUENCY GAS FLOWMETER

Сторінки: 160-170. Номер: №1, 2021 (293)
Автори:
О.В. ОСАДЧУК,  В.С. ОСАДЧУК,
Я.О. ОСАДЧУК, Д.Р. ІЛЬЧУК, Г.О. ПАСТУШЕНКО
Вінницький національний технічний університет
A.V. OSADCHUK, V.S. OSADCHUK, I.O. OSADCHUK, D.R. ILCHUK, G.O. PASTUSHENKO
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-293-1-160-170
Рецензія/Peer review : 22.01.2021 р.
Надрукована/Printed : 10.03.2021 р.

Анотація мовою оригіналу

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%.
Ключові слова: оптико-частотний витратомір газу, фоточутливий резистивний елемент, від’ємний диференціальний опір, частота, інтерферометричний спосіб рефрактометрії.

Розширена анотація англійською мовою

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 optical-frequency 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 optical-frequency 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%.
Keywords: optical-frequency gas flow meter, photosensitive resistive element, negative differential resistance, frequency, interferometric method of refractometry.

References

  1. Schaumburg H. Sensoren. – Stuttgart: Teubner, 1992. – 517 p.
  2. Jackson R.G. Latest sensors. – Moscow: Technosphere, 2007 .– 384 p.
  3. Sensors: Reference Manual / Under total. ed. V.M. Sharapova, E.S. Polishchuk. Moscow: Technosphere, 2012 . –624 p.
  4. V. S. Osadchuk, A. V. Osadchuk, and Y. A. Yushchenko, “Radiomeasuring thermal flowmeter of gas on the basis of transistor structure with negative resistance,” Elektronika ir Elektrotechnika. – Kaunas: Technologija,, vol. 84, no. 4, pp. 89-93, 2008.
  5. Microelectronic sensors of physical quantities. / Ed. Z. Yu. Gotra. – Lviv: League – Press, vol. 2, 2002. – 475 p.
  6. A. Hooshmand and M. Joorabian. Design and optimisation of electromagnetic flowmeter for conductive liquids and its calibration based on neural networks// IEE Proc.-Sci. Meas. Technol., Vol. 153, No. 4, July 2006
  7. Kwang-Jow Gan, Kuan-Yu Chun, Wen-Kuan Yeh. Design of Dynamic Frequency Divider using Negative Differential Resistance Circuit. International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication. 2015. Volume: 3 Issue: 8. pp.5224-5228.
  8. Rainer Engel1, Hans-Joachim Baade. Determination of liquid flowmeter characteristics for precision measurement purposes by utilizing special capabilities of ptb’s “hydrodynamic test field”// Conference: 6th International Symposium on Fluid Flow Measurement. At: Querétaro, Mexico. 2006. DOI: 10.13140/2.1.1424.0321
  9. Osadchuk, A.V., Osadchuk, V.S. Radiomeasuring microelectronic transducers of physical quantities. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). https://doi.org/10.1109/sibcon.2015.7147167
  10. Osadchuk V.S., Osadchuk O.V. Reactive properties of transistors and transistor circuits. Vinnitsa: “Universum-Vinnitsa”, 1999. – 275 p.
  11. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Seletska O.O., Kisała P., Nurseitova K. Theory of photoreactive effect in bipolar and MOSFET transistors. Proceedings SPIE Volume 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, 2019; 111761I (2019).
  12. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Maksat Kolimoldayev, Paweł Komada, Kanat Mussabekov. Optical transducers with frequency output. Proc. SPIE 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments, 2017, 104451X (2017).
  13. Osadchuk, V.; Osadchuk, V.S.; Osadchuk, I.A.; Kisała, P.; Zyska, T.; Annabaev, A; Mussabekov, K. Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor. Przegląd Elektrotechniczny 2017, R93(3), 113–116.
  14. Yulin Jiang. Study on Weight Function Distribution of Hybrid Gas-Liquid Two-Phase Flow Electromagnetic Flowmeter // Sensors 2020, 20, 1431; DOI:10.3390/s20051431
  15. Jianfeng Chen, Kai Zhang, Leiyang Wang and Mingyue Yang. Design of a High Precision Ultrasonic Gas Flowmeter // Sensors 2020, 20, 4804; DOI:10.3390/s20174804
  16. Mateusz Turkowski, Artur Szczecki and Maciej Szudarek. Minimization of the Settling Time of Variable Area Flowmeters // Sensors 2019, 19, 530; DOI:10.3390/s19030530
  17. Thi Huong Ly Nguyen and Suhyun Park. Multi-Angle Liquid Flow Measurement Using Ultrasonic Linear Array Transducer // Sensors 2020, 20, 388; DOI:10.3390/s20020388
  18. Patent № 34077 of Ukraine, G01 No. 21/45. Optical floumeter of gas with frequency output / Osadchuk V.S., Osadchuk O.V., Deundyak V.P., Deundyak M.V. // Publ. Bul. No. 14 dated July 25, 2008.
  19. Patent №34121 of Ukraine, G01 No. 21/45. Device for measurement flow gas with frequency output / Osadchuk V.S., Osadchuk O.V., Deundyak V.P., Deundyak M.V. // Publ. Bul. No. 14 dated July 25, 2008.
  20. Sze, S.M.; Kwok, K.Ng. Physics of Semiconductor Devices. Wiley-Interscience: Hoboken, USA, 2007; pp. 435–455.
  21. User`s Guide includes PSPISE A/D, PSPISE A/D Basics and PSPISE Cadence Design Systems. Inc. All rights reserved, 2016.
  22. Rosado L. Physical electronics and microelectronics. Ed. V. A. Terekhova. – Moskow: Higher school, 1991.-351 p.
  23. https://airspy.com/download/

Post Author: npetliaks

Translate