Способ измерения разности давлений и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля и управления вентиляции и кондиционирования воздуха. Цель - повышение точности измерения. Сущность изобретения заключается в том, что в сообщающихся трубках 1 и 2 измерение высоты столба жидкости осуществляется путем измерения времени распространения ультразвуковых сигналов от акустических преобразователей 5 до поверхности жидкости и до экранов 6 с отверстиями 7, размещенными на заданном расстоянии от преобразователей 5. Регистрирующая часть устройства содержит синхронизатор 8, подключенный к входам идентичных измерительных каналов 9 и 10, блок опроса 17, арифметическое логическое устройство 18, индикатор 19 и генератор 8 счетных импульсов, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 L 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4847059/10 (22) 23.04.90 (46) 07, l1.92, Бюл. N 41 (72) В, В.Доценко (56) Горлин А.M., Слезингер И.И. Экспериментальная аэродинамика. M.: Машиностроение, 1979.

Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д. и Чистяков

В.C. Теплотехнические измерения и приборы. M.: Энергоатомиздат, 1984, с.95-96. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ

ДАВЛЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля и

l Г !

l

1 !

Ы „„1774199 А1 управления вентиляции и кондиционирования воздуха. Цель — повышение точности измерения. Сущность. изобретения заключается в том, что в сообщающихся трубках 1 и 2 измерение высоты столба жидкости осуществляется путем измерения времени распространения ультразвуковых сигналов от акустических преобразователей 5 до поверхности жидкости и до экранов 6 с отверстиями 7, размещенными на заданном расстоянии от преобразователей 5, Регистрирующая часть устройства содержит синхронизатор 8, подключенный к входам идентичных измерительных каналов 9 и 10, блок опроса 17, арифметическоелогическое устройство 18, индикатор 19 и генератор 8 счетных импульсов, 1 ил.

1774199

50 ранов, установленных внутри 55 сообщающихся сосудов на заданном расстоянии от преобразователей и обратно. По времени распространения ультразвуковых импульсов до экранов определяют скорость звука в рабочей жидкости и плотность жидИзобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для теплотехнических измерений, например, в системах управления вентиляции и кондиционирования воздуха, Известен способ измерения давления газов, основанный на применении сообщающихся сосудов (Горлин Л.М, и Слезингер

И.И. Экспериментальная аэродинамика, М., Машиностроение, 1979), Недостатком этого способа является низкая точность и сложность использования на практике.

Известен способ измерения разности давлений, газообразных и жидких сред, основанный на измерении уровней рабочей жидкости в сообщающихся сосудах (Иванова

Г, М, Кузнецов Н.О., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. M., Энергоатомиздат, 1984, с,95-96). Этот способ принят за прототип. В приборах, основанных на этом способе, реализуется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давления над ними, а при неравенстве занимают такое поло>кение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом, Изменение уровня жидкости либо фиксируется визуально по шкале манометра, либо по перемещению поплавка или изменению характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины с помощью отсчетного устройства, либо преобразование и передачу ее значения на расстояние.

Недостатком указанного способа является низкая точность определения разности давлений, обусловленная эависимостbe плотности рабочей жидкости от температуры.

Цель изобретения — повышение точности, за счет уменьшения температурной погрешности, а также сохранения высокой чувствительности и надежности.

Сущность данного способа заключается в том, что в рабочую жидкость с помощью ультразвуковых преобразователей, размещенных в нижней части сообщающихся сосудов, посылают ультразвуковые импульсы, измеряют время их прохождения до поверхности жидкости и обратно, а также до эк5

45 кости при данной температуре, а затем. используя эти значения, и зная время распространения ультразвуковых импульсов до поверхности рабочей жидкости, определяют разность уровней и разность гидростатических давлений в сообщающихся сосудах, которая равна искомой величине разности измеряемых Давлений газа или жидкости.

У данного способа по сравнению с прототипом появляется новое свойство — независимосгь от изменения температуры рабочей жидкости в сообщающихся сосудах, в том числе и при их неравномерном нагреве, что приводит к увеличению точности измерения разности давлений, Существенным отличительным признаком способа является измерение времени распространения ультразвука от акустических преобразователей не только до поверхности жидкости, на чем основаны известные ультразвуковые уровнемеры, но и до экранов, размещенных внутри сообщающихся сосудов на заданном (заранее известном) расстоянии от акустических преобразователей.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена функциональная схема устройства для pear изации способа, Устройство содержит две вертикальные сообщающиеся трубки 1 и 2 с рабочей >кидкостью 3, закрепленные на основании 4, в донной части трубок 1 и 2 установлены апериодические акустические преобразователи 5, на заданных, примерно равных расстояниях от которых h» и h z размещены экраны 6 с отверстиями 7 (регистрирующая часть устройства содер>кит синхронизатор

8), подключенный к первым входам двух идентичных измерительных каналов 9 и 10, каждый из которых содержит последовательно включенные генератор 11 зондирующих импульсов, выход которого через первый выход измерительного канала 9 (10) соединен со входом соответствующего акустического преобразователя 5, усилитель . 12, формирователь 13, блок 14 фиксации первого и второго эхо-импульсов, блок 15 измерения времени задержки первого и второго эхо импульсов и блок 16 счетчиков, установочный вход которого соединен с выходом синхронизатора 8, а также последовательно включенные блок 17 опроса, входы которого соединены с выходами первого и второго измерительных каналов 9 и 10, арифметическое логическое устройство 18, индикатор 19 и генератор 20 счетных импульсов.

Для защиты усилителя 12 от высоковольтных импульсов генератора 11 на входе усилителя 12 установлен ограничитель 20

17, 14199 тока, выполненный, например, на диодах. В каждой иэ трубок 1 и 2 между дном и акустическим преобразователем 5 установлена конусная акустическая ловушка 21, выполненная иэ материала, имеющего большую акустическую вязкость, например, из латуни. Акустические преобразователи 5 жестко прикреплены к торцевым поверхностям ловушек 21, например, приклеены компаундом.

В качестве арифметического логического устройства 18 и Индикатора 19 могут применяться блоки, входящие в состав программируемых микрокалькуляторов БЗ34, МК-64 и др.

Способ реализуется следующим образом, В вертикальные трубки 1 и 2 в пространство над рабочей жидкостью подводят давления газа Р1 и Рг, разность между ними требуется измерить. Спустя время, необходимое для успокоения жидкости, с помощью акустических преобразователей в рабочую жидкость с частотой 500...1500 Гц посылают короткие ультразвуковые импульсы с несущей частотой 3 — 5 МГц и длительностью 3„.5 периодов колебаний несущей частоты. Используя те же акустические преобразователи, измеряют время прохождения ультразвуковых импульсов до поверхности рабочей жидкости и обратно к акустическим преобразователям в каждом сообщающемся сосуде т1 и t2 а также время прохождения импульсов, отраженных

От ЭКРаНОВ тэ1 И тэг, ОЧЕВИДНО, Чта Раэность уровней в сообщающихся сосудах равна: д h = h1- 12 = 0,5 Ст (z 1 — r2 ), где С1 — скорость звука в рабочей жидкости при температуре t, м/с; т1, тг — время прохождения ультразвукового сигнала от акустических преобразователей до поверхности жидкости и обратно в первом и во втором сообщающихся сосудах, с; д и — разность уровней установки акустических излучателей в сообщаюшихся сосудах, м (на чертеже не показано).

Разность давлений между сообщающимися сосудами выра>кается как:

Л P =9,81(h1 — h2) рt, (Па) где р — плотность рабочей жидкости при температуре т, кгlм; з, 9,81 — ускорение свободного падения, м/c .

ЗЭВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ И СКОрости звука в ней от температуры описываются выражениями

Ст= Cpt а (t — т,) M/ñ

".0 2 h„1 2 йэг

С т=Тэ1 Т э2 р о p— плотность жидкости при температуре tp, например при tp = 20 С (принимается по справочникам), кгlмз; — обьемный коэффициент температурного расширения жидкости, град

Cp — скорость звука в жидкости при температуре tp, м/с; а — температурный коэффициент, м/с.град.

Разность давления с учетом зависимости плотности жидкости и скорости звука в ней от температуры может быть получена из выражения

Э 1(Я1 эим Р"З (г1

В последней формуле p,, Cp, P; a— табличные константы, h 1, Ьэг и д h — константы измерительного прибора, следовательно, измерив только значения

t э1 (S эг ), т 1 И т 2, ПОЛУЧИМ ИСКОМУЮ ВЕЛИчину разности давлений ЛР.

При использовании в качестве рабочей жидкости спирта этилового с плотностью при то = 20 С, р о = 0,79 10 кг/м, скорость з з звука в нем при этой температуре С, = 1180 м/с, температурным коэффициентом а==3,6 м/с.град обьемным коэффициентом температурного расширения P = 1,1 10 и

УСтаНОВКЕ ЭКРаНОВ На РаССтОЯНИЯ Ьэ1 И йэг В диапазоне 0,05 — 0,15 м (например Ьэ1 = Ьэг =

0,1 м) от акустических преобразователей в сообщающихся сосудах высотой 0,5 м пределы измерения разности давлений Л Р составят 1,6...3797,5 Па (д h = О).

Устройство работает следующим образом.

После включения прибора синхронизатор 8 начинает вырабатывать периодически следующие короткие электрические импульсы (скважность импульсов определяется быстродействием конкретного типа арифметического устройства 18). Каждым

1774199

50 синхроимпульсом осуществляется запуск генератора 11 зондирующих импульсов, установка в исходное состояние.блоков14, 15 и

16 в каждом измерительном канале 9 и 10.

При поступлении каждого синхроимпульса генератор 11 вырабатывает мощные короткие импульсы, которыми возбуждаются соответствующие акустические преобразователи

5. В результате в направлении поверхности жидкости 3 излучается короткий ультразвуковой импульс, который частично отражается от экрана 6, а частично (энергетические соотношения определяются величиной отверстия

7) — от поверхности жидкости 3. Поскольку первым на акустический преобразователь 5 поступает эхо-импульс, отраженный от экрана 6, в дальнейшем названные импульсы будем различать по номерам: первый и второй эхо-импульсы. Принятые эхо-импульсы тем же акустическим преобразователем 5 трансформируются в электрические сигналы и далее передаются через соответствующие усилители 12 на входы формирователей 13 каждого канала 9 и 10, Ограничитель 20 тока не пропускает на вход усилителя высоковольтные импульсы с генератора 11 и беспрепятственно пропускает импульсы с преобразователей 5. С выхода формирователя 13 импульсов, а затем на блок 15 измерения времени задержки первого и второго эхо-импульсов. На первый по схеме вход блока 15 поступают импульсы с генератора

20 счетных импульсов. Из блока 15 счетные импульсы проходят на соответствующие входы блока 16 счетчиков в течение времени задержки первого и второго эхо-импульсов.

В бг оке 16 счетчики подсчитывают счетные импульсы, результаты счета затем записываются в соответствующие регистры блока

16 (для первого и второго эхо-импульсов по отдельному регистру). Управление записью в регистры осуществляется по двум шинам с блока 15. После прихода второго эхоимпульса блок 15 выдает сигнал запрета на блок 14, запрещающий прохождение последующих эхо-импульсов на выход блока 14.

Информация от каждого измерительного канала 9 и 10 с регистров блока 16 в виде параллельного двоично-десятичного кода поступает на входы блока 17 опроса, откуда затем вводится в арифметическое логическое устройство 18, результаты счета отображаются индикатором 19. Акустические импульсы, распространяющиеся от преобразователей 9 в направлении, противоположном поверхности жидкости, поглощаются акустической ловушкой 21, чем исключается взаимовлияние преобразователей 5, а также многократное отражение сигнала.

Данный способ реализуется только с помощью рассмотренного устройства. За счет новой совокупности операций гпособ обеспечивает значительное повышение точности измерений по сравнению с известным.

В способе прототипе с визуальным считыванием уровней при цене деления шкалы 1 мм погрешность считывания разности уровней составляет + 2 мм с учетом погрешности нанесения шкалы. Акустический способ измерения уровня даже без температурной коррекции при его реализации простейшей системой измерений с погрешностью определения времени -1 мкс, обеспечивает погрешность измерения уровня не ниже + 0,2 мм. Предложенный же способ устраняет главный недостаток акустического измерения уровня — зависимость скорости звука от температуры и позволяет вводить автоматическую коррекцию на температурное изменение плотности рабочей жидкости.

Формула изобретения

1. Способ измерения разности давлений с помощью U-образного жидкостного манометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, посылают ультраакустические импульсы в жидкость снизу вверх с помощью акустических излучателей, размещенных в нижних частях сообщающихся сосудов манометра, измеряют время распространения ультразвуковых импульсов до экранов, размещенных над акустическими излучателями, и до поверхности жидкости в сообщающихся сосудах манометра, а величину разности давлений Л Р определяют по формуле где д — ускорение земного тяготения;

Co — скорость звука в жидкости;

p «> — плотность жидкости;

Р— объемный коэффициент температурного расширения жидкости; а — температурный коэффициент изменения скорости звука в жидкости;

7э1, г, — интервалы времени распространения ультразвуковых импульсов от излучателя и обратно в первом и втором сосудах соответственно;

h <, 11э2 — расстояния от акустического излучателя до экрана в первом и втором сосудах соответственно;

z 1, tZ- интервалы времени распространения акустических импульсов от излуча1774199 теля до поверхности жидкости в первом и втором сосудах соответственно; д h — разность уровней установки акустических излучателей.

Составитель А.Зосимов

Техред M,Ìîpãåíòàë Корректор H.Òóïèöà

Редактор

Заказ 3921 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

2, Устройство для измерения разности давлений, содержащее U-образный манометр с первой и второй вертикальными сообщающимися трубками с жидкостью, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 10 повышения точности, в него введены первый и второй апериодические акустические преобразователи, закрепленные на торцах акустических ловушек, размещенных в донных частях сообщающихся тр 3ок, два акра- 15 на с отверстиями, размещенных в трубках выше акустических преобразователей, первый и второй измерители интервалов времени, синхронизатор, генератор счетных импульсов и последовательно соединенные 20 блок опроса, арифметическое устройство и индикатор, при этом каждый измеритель интервалов времени содержит генератор зондирующих импульсов, выход которого соединен с соответствующими акустическим преобразователем и с последовательно включенными ограничителем тока, усилителем, формирователем, блоком фиксации первого и второго отраженных акустических импульсов, блоком измерения времени задержки первого и второго импульсов и блоком счетчиков, причем входы синхронизации генератора зондирующих импульсов, блока фиксации первого и второго отраженных импульсов, блока измерения времени задержки первого и второго отраженных импульсов, блока счетчиков подключены к выходу синхронизатора, выход генератора счетных импульсов подключен к вторым входам блоков измерения времени задержки, а выходы блоков счетчиков подключены к входам блока опроса, выходы которого подключены к входам конца опроса блоков счетчиков,