Способ измерения гидростатического давления и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резонатора, содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, по величине которой судят о давлении, отличающийся,, тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и среде на результаты измерений., в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний, находящихся в диапазоне 20 п 50, где п - но (Л мер гармоники механического резонанса в звукопроводе. ff - Unp ff

. (!9) (ll) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(5ц G 01 L 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ (ЧАДЫ. . : 1,"Л.т ( т т,т- та» ттт тттт т

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ в среду составного резонатора, содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, по величине которой судят о давлении, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и среде на результаты измерений, в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний, находящихся в диапазоне 20 < n < 50, где n — номер гармоники механического резонанса в звукопроводе ° иг. f

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3659059/24-10 (22) 04. 11.83 (46) 07.03.85. Бюл. P- 9 (72) Ю.С.Ильиных и С.С.Секоян (53) 53 1.787 (088.8) (56) 1. Алексеев К.А., Хохуля !О.П.

Труды метрологических институтов

СССР, вып. 104/164, Изд-во Комитета

Стандартов. N., 1969, с. 40. . 2. Колосов А.Н., Секоян С.С., Пиотух В.В. Труды ВНИИФТРИ, вып. 5/35, 1971, с. 259 (прототип). (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕС:КОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ измерения гидростатического давления путем помещения

ФЯЯ . Я - Щей

ЕНИЯ

1144011 подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последовательно соединенные амплитудный детектор, входом лодключенный к выходу усилителя высокой частоты, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, выходом подключенный к генератору низкой частоты и второму входу фазового детектора, при этом генератор высокой частоты

1 выполнен управляемым и его вход подключен к выходу интегратора.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения высоких гидроста" тических давлений от 0,1 ГПа до

3,0 ГПа в средах, обладающих электропроводлостью или находящихся при иовышенных температурах.

Известен способ измерения гидростатического давления, заключающийся в измерении изменения сопротивления манганинавой проволоки от давления. (1) °

Недостатком этого способа является ограниченная область применения, ограниченная только неэлектропроводными средами:. Кроме того, он харак15 теризуется низкой точностью при повышенных температурах в связи с высоким коэффициентом температурного сопротивления манганина.

Наиболее близким к изобретению

:по технической сущности является импульсно-фазовый способ измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резонатора, 1 .25 содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, по величине которой судят о давлении f2) .

Недостатком этого способа является большая методическая погрешность, обусловленная, невозможностью полносI тью скомпенсировать основной и дважды отраженный ультразвуковые им- 35 пульсы из-за поглощения в среде и шумов радиоаппаратуры. Кроме того, 2, Устройство измерения гидростатического давления, содержащее резонатор, состоящий из механически последовательно соединенных излучателя,. твердотельного звукопровода и приемника и подключенный электрически входом излучателя к выходу генератора высокой частоты,и входу частотомера, а выходом приемника— к входу усилителя высокой частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него дополнительно введен блок низкая точность этого способа обусловлена небольшим соотношением сигнал/шум вследствие того, что ультразвуковые импульсы имеют широкий спектр частот.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и среде на результаты измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резона-тора, содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют ло изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний., находящихся в диапазоне 20 е и (50, где п — номер гармоники механического резонанса.в звукопроволе.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство измерения гидростатического давления, содержащее резонатор, состоящий из механически последовательно соединенных излучателя, твердотельного звукопровода и приемника и подключенный электрически входом излучателя к выходу генератора высокой частоты и входу частотомера, а выходом приемника — к входу усилителя высокой

3 f частоты, дополнительно введен блок подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последователь но соединенные амплитудный детектор, входом подключенный к выходу усилителя высокой частоты, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, выходом подключенный к ге-. нератору низкой частоты и второму входу фазового детектора, при этом генератор высокой частоты выполнен управляемым и его вход подключен к выходу интегратора.

На фиг. 1 изображен составной резонатор при возбуждении в нем непрерывных ультразвуковых колебаний, на фиг. 2 — эпюры выходных сигналов, возникающих в приемнике резонатора, на фиг. 3 — блок-схема устройства . для осуществления способа измерения гидростатического давления.

Ц) с1

A. и, (1) (рс) Is(P где ()С) „ (1с1.„

1 импеданс материала звукопровода, импеданс измеряемой среды коэффициент .пропорциональности, значение которого для передающих давление жидких сред лежит в интервале 0,5 1/кбар

1,5 1/кбар, давление в среде, номер гармоники механического резонанса резонатора.

P

144011 4 добротность Я ) 500 во всем диапазоне измеряемых давлений, что выполняется при (1 > 20. При этом добротност резонатора и порядковый номер гармоники связаны соотношением () (р о

35 (),f Я 4- а -и- п

Р*са — ()(—,) = м . (),, (2) и и

На излучатель 1 составного резо- натора (фиг.1) подается переменное электрическое напряжение, нри этом в звукопроводе 2 возникают ультразву25 ковые колебания. При частотах, соответствующих резонансным и определяемым для такого составного резонато. ра по формуле f -= — n, где С вЂ”

С

Ю скорость звука в звукопроводе 2, (— длина звукопровода 2, 0 — номер гармоники механического резонанса эвукопровода 2, наблюдается максимум электрического сигнала на приемнике 3. Резонансные кривые для основной (или первой гармоники) и для 11-й гармоники изображены на

:фиг. 2. Точность определения резо,нансной частоты. резонатора ограни- 40, чивается шумами приемной аппаратуры и зависит от добротности резонатора. Добротность резонатора, колеблющегося в вязкой среде, определяется формулой (I = Е /Е„, где Е() — коле- 45 бательная энергия, запасенная в резонаторе, Гр) — энергия, теряемая (за период на излучение в среду и, трение в креплении резонатора. Увеличение номера рабочей гармоники ре- 50 зонатора позволяет уменьшить потери, так как при этом уменьшается амплитуда его механических колебанйй, ;что приводит к уменьшению потерь

: на внешнее трение и трение в крепле- 55 нии резонатора. Погрешность измерения давления меньше О,ЗХ достигается при работе на гармониках, имеющих

Ограничение n (50 обусловлено поглощением ультазвука в материале звукопровода 2, которое растет пропорционально . При и > 50 поглощение настолько возрастает, что сигнал на приемнике 3 становится сравним с шумами аппаратуры.

Давление в среде определяют по изменению резонансной частоты по формуле гР где т„ — резонансная частота, соответствующая П -ой гармонике под давлением; резонансная частота g -ой гармоники при атмосферном давлении, ()L P — коэффициенты, определяемые при градуировке датчика давления.

Устройство для осуществления способа измерения давления состоит из управляемого генератора 4 высокой частоты, нагруженного на излучатель

1 и частотомер 5. Сигнал с приемника 3 поступает на вход усилителя 6 высокой частоты и после усиления детектируется амплитудным детектором 7 с последующим усилением в уси- . лителе 8 низкой частоты, выходом подключенном к одному из входов фазо1144011 вого детектора 9. На второй вход фазового детектора 9 поступает сигнал с генератора 10 низкой частоты. Выход генератора 10 подключен к управляющему входу генератора 4, выходу 5 интегратора 11, входом подключенного к выходу фазового детектора 9, входящему в блок 12 подстройки частоты..

Устройство для осуществления способа измерения давления работает 10 следующим образом.

Составной резонатор, помещенный в камере с измеряемым давлением, посредством излучателя 1 возбуждается на одной из резонансных частот, 15 при этом возникают непрерывные механические колебания звукопровода 2, принимаемые приемником 3. Сигнал с приемника 3 поступает на усилитель

6, а затем блоком 12 подстройки 20 частоты подстраивает частоту генератора 4 на резонансную частоту резонатора по максимуму сигнала на приемнике 3. Резонансная частота измеряется частотомером 5, по изменению 25 которой судят о давлении в среде.

Блок 12 подстройки частоты работает следующим .образом.

Вблизи резонанса составного ре- gp зонатора имеет место зависимость амплитуды колебаний от частоты. Если несущая частота с генератора 4, предварительно промодулированная по частоте генератором 10, находится на резонансной кривой, то на сигнал., поступающий на приемник 3, накладывается амплитудная модуляция. При этом фаза амплитудной модуляции зависит от того, справа или слева от 4 резонансной частоты окажется несущая частота. Сигнал с приемника 3, уси;ленный усилителем 6 и продетектированный детектором 7, поступает на вход усилителя 8. Фазовый детектор

9 сравнивает фазы низкочастотных сигналов с генератора 10 и усилителя 8. Если несущая частота меньше резонансной, то сигналы на входах фазового детектора 9 находятся в фазе, если частота больше, то эти сигналы находятся в противофазе.

Знак сигнала на выходе фазового детектора 9 зависит от положения несущей частоты относительно резонансной частоты, а его величина пропорциональна крутизне резонансной кривой в рабочей точке. При совпадении частоты генератора 4 с резонансной частотой напряжение на выходе фазового детектора 9 равно нулю. Режим работы устройства устойчив при совпадении несущей частоты генератора 4 с одной из гармоник составного резонатора.

При отклонении несущей частоты от резонансной на выходе фазового детектора 9 возникает сигнал рассогласования, который через интегратор 11 поступает на управляющий вход генератора 4, подстраивая его частоту..

Устройство настраивается на резонанс.по максимуму сигнала на приемнике 3, причем сама величина этого сигнала мало влияет на работу устройства. Эта особенность устраняет влияние поглощения ультразвука в звукопроводе 2. Поскольку соотношение сигнал/шум в резонансных системах значительно выше, чем в импульсных, собственная частота составного резонатора может быть измерена с более высокой точностью, чем в известном устройстве.

Кроме этого, реализация данного способа позволяет производить измерения давления при температурах до о

200 С и выше. При соответствующем выборе материала звукопровода 2 температурной поправкой можно пренебречь.

1144011

Л-я гармоника окииа

Фиг.2

1

1 !

t

12

) Составитель Н.Кизилов

РедакторТ.-Кугрышева Техред А.Забинец Корректор О.Тигор

Заказ 896/35 Тираж 8997 Подписное

ВНИИПИ Государствейного комитета СССР по делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.. Ужгород, ул. Проектная, 4