Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2
Привет GeekTimes! Не так давно я начал собирать установку ионно-плазменного (магнетронного) напыления (Часть1). В процессе испытания и работы с установкой было принято много решений по ее модернизации и улучшению.
Одним из таких улучшений стало внедрение в установку вакуумметра для измерения глубины вакуума. Виду того, что одним из моих личных требований является мобильность установки и расположение всех ее компонентов внутри корпуса устройства, пришлось отказаться от внешних вакуумметров, например, таких как ВИТ-2. Помимо этого мне необходимо соблюсти момент бюджетности изготовления установки, а покупные вакуумметры достаточно не дешевы. В качестве детектирующего устройства выбрал лампу ПМТ-2, так как был небольшой опыт работы с ней и ее стоимость вполне приемлема.
Итак, как же работает данный манометрический преобразователь? Принцип действия тепловых (термопарных) преобразователей к которым относится лампа ПМТ-2, основан на зависимости молекулярной теплопроводности газа от его давления. Перенос теплоты происходит от тонкой металлической нити, нагреваемой электрическим током, через разреженный газ к вакуумному насосу, находящемуся при комнатной температуре.
В термопарном преобразователе ПМТ-2, в стеклянной колбе закреплены держатели (1), на которых точечной сваркой закреплен V-образный нагреватель из тонкой проволоки (2), к средней точке которого приварен спай хромель-копелевой термопары (3).
По нити нагревателя (2) пропускается ток IН постоянной величины, который нагревает спай термопары (3), и в ее цепи возникает термо Э.Д.С. Так как температура нагревателя зависит от давления (плотности) газа, то его изменение будет приводить к изменению Э.Д.С. термопары, которая измеряется милливольтметром (5), а ток накала нити IН регулируется реостатом и измеряется прибором (6).
Давайте теперь перейдем к описанию конструкции моего вакуумметра: Прежде чем получать показания с лампы, необходимо запитать ее нить накала, и подать на нее порядка 100мА (112-116мА). Для этого был взят регулятор напряжения купленный на ебей и вместе с последовательно включенным резистором был подсоединен к лампе. Так как регулятор при наименьшем своем значении напряжения давал сильно большое значение по току, то и пришлось использовать резистор.
Измерение вакуума подразумевает измерение напряжения в милливольтовом диапазоне, для этого все на том же торговом портале была куплена не замысловатая электроника: микроконтроллерная плата Ардуино Уно, модуль LCD1602 и АЦП ADS1115 на 16Bit.
В модуле АЦП имеется 4 аналоговых канала, я воспользовался всего одним, подключив входы ардуино SDA и SCL к соответствующим выводам модуля ацп. А термопару лампы подключил к выводам GND и A0 модуля.
На этом все подключение закончилось и можно переходить к описанию прошивки (скетча):
#include <LiquidCrystal.h>
#include <EEPROM.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_ADS1015.h>
Adafruit_ADS1115 ads;
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);
long val = 0;
long zero = 0;
int V = 0;
int F = 0;
int Time = 100;
void setup() {
lcd.begin(16, 2);
Serial.begin(9600);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("CybSys presents");
//выбираем разрешение АЦП
// ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x gain +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (default)
// ads.setGain(GAIN_ONE); // 1x gain +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV
// ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x gain +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV
// ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV
// ads.setGain(GAIN_EIGHT); // 8x gain +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV
ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x gain +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV
ads.begin();
}
void loop() {
int16_t adc0;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Press: ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Vol:");
adc0 = ads.readADC_SingleEnded(0);
float voltage = (adc0 * (0.256/32767.5))*1000;
float pres = 2.217*exp(-voltage/0.3134)+0.175*exp(-voltage/1.97)+543.59*exp(-
voltage/211689.45)+(-543.57);
lcd.setCursor(7,0);
lcd.print(pres,5);
lcd.setCursor(5,1);
lcd.print (voltage,5);
Serial.print("Vol:");
Serial.println(voltage, 5);
delay(200);
}
Текст прошивки не сложный и не большой, так как в основном применяются библиотечные функции. Основная сложно возникла только при переводе значений напряжения в значения давления, так как эта зависимость не линейна.
Эта градуировочная зависимость была оцыфрована и проэкспонирована, тем самым получили формулу по которой достаточно точно производится расчет пониженного давления.
Видео работы устройства:
Что касается дальнейшей реализации моего проекта, то хочу выкинуть из нутра установки насос, все равно его производительности не хватает и места много занимает, вместо него встанет система охлаждения магнетрона (радиатор с кулером и помпа, возможно что еще небольшой герметичный объем с охлаждающей жидкостью). Шланги хочу заменить на нормальные вакуумные армированные (они не сильно дорогие). Конечно же надо встроить систему измерения вакуума с лампой (хотя бы той же ПМТ-2). И наверное самое сложное: реализация нормального основания (оно сейчас у меня текстолитовое) и магнетрона, хочу реализовать все это из алюминия, так как сопрягаемая плоскость основания с колпаком должна быть шлифованной (с текстолитом так не получится), а магнетрон все равно переделывать — не хочу заморачиваться с нержавейкой и сделаю почти все детали из дюрали на ЧПУ портальном станке, который тоже собираю. Так же хочу выкинуть белый диск с ЛАТРа и вместо него поставить привод, ШД например, и управлять потенциометром с приборной панели. А совсем в далеком будущем вообще избавиться от ЛАТРа.
Автор: Павел
