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 платина-платина-родиевая термопара (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).

Лампа ПМТ-2 достаточно грубый измеритель давления заточенный под ВИТ. Калибруется в запаянном состоянии. Ток накала подбирается по шкале ВИТ, 100 делений — ток накала.
После лампа отпаивается (срезается, она как ампула), впаивается в вакуумную систему.



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 eBay 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 всё 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 оцифрована 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.