Устройство для измерения давления

 

Использование: для измерения давления жидких и газообразных сред, усилия, малых перемещений. Цель - повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство, включающее струнный преобразователь давления, содержащий корпус 1, установленный в корпусе на двух упругих элементах 2 и 3 с жестко соединен1 г ными центрами струнный чувствительный элемент, в виде двух параллельных струн с ниппелями 5 для крепления струи к упругим элементам и узлами 6 регулировки активной длины, пережим 7 струн, жестко закрепленный в корпусе, две системы возбуждения и приема колебаний частей струн, смеситель 14 частот, к входу которого подключены выходы систем возбуждения колебаний , низкочастотный фильтр 16, подключенный к выходу смесителя частот, измерительный прибор 22, снабжено высокочастотным фильтром 15, блоком деления частот 12, перемножителем 21 термочувствительным элементом 18. включенным в измерительную схему 19, и блоком масштабирования 20, причем вход высокочастотного фильтра 15 подключен к выходу смесителя 14, а выходы низкочастотного и высокочастотного фильтров подключены на входы блока деления 17,.выход которого подключен к одному входу умножителя 21, ко второму входу которого подключен через блок масштабирования выход измерительной схемы с термочувствительным элементом , а выход умножителя 21 подключен к . измерительному прибору 22. 1 ил. СО с оо со 00 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„, Ж<, 1816318 АЗ (si)s G 01 1 .11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕД(ЗЕМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

" »

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: для измерения давления жидких и газообразных сред, усилия, малых перемещений. Цель — повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство, включающее струнный преобразователь давления, содержащий корпус 1, установленный в корпусе на двух упругих элементах 2 и 3 с жестко соединенPg (21) 5007069/10 (22) 08.07.91 (46) 15.05.93. Бюл. N. 18 (71) Днепропетровский химико-технологический институт (72) Ю.К.Тараненко, А.П.Лебедин, В.С.Пунченко и А.М.Локтев (73) Днепропетровский химико-технологический институт (56) Карцев Е.А, Коротков В.П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи, M.: Машиностроение, 1982, с. 16.

Измерительная техника, 1990, N. 8, с.

25;

Авторское свидетельство СССР

Мт 685939, кл. G 01 1 11/00, 1978. ными центрами струнный чувствительный элемент. в виде двух параллельных струн с ниппелями 5 для крепления струи к упругим элементам и узлами 6 регулировки активной длины„пережим 7 струн, жестко закрепленный в корпусе, две системы возбуждения и приема колебаний частей струн, смеситель 14 частот, к входу которого подключены выходы систем возбуждения колебаний, низкочастотный фильтр 16, подключенный к выходу смесителя частот, измерительный прибор 22, снабжено высокочастотным фильтром 15; блоком деления частот 12, перемножителем 21 термочувствительным элементом 18. включенным в измерительную схему 19, и блоком масштабирования 20, причем вход высокочастотного фильтра 15 подключен к выходу смесителя 14, а выходы низкочастотного и высокочастотного фильтров подключены на входы блока деления 17,.выход которого подключен к одному входу умножителя 21, ко второму входу которого подключен через блок масштабирования выход измерительной схемы с термочувствительным элементом, а выход умножителя 21 подключен к измерительному прибору 22. 1 ил.

1816318

Изобретение относится к измеритель- ной технике и может найти применение в устройствах для измерения давления жидких и газообразных сред, усилия, малых пе. ремещений.

Известна попытка уменьшить указанные недостатки за счет использования тес-. тового струнного датчика.

Тестовый струнный датчик содержит струну, укрепленную в корпусе при помощи ниппелей, по струне скользит призма, изменяющая активную длину струны, под участком между призмой и ниппелем установлено устройство возбуждения и съе. ма колебаний активного участка струны. Измеряемое перемещение передается призме при помощи составного штока, длина кото рого может изменяться на заданную величину Л специальным втяжным соленоидом; так что при включенномсоленоиде активная длина струны состоит из суммы начальной длины струны Io,.èçìåðÿåìîãî перемеще-. ния к и дополнительного, известного тестового перемещения h инициируемого соленоидом.

Измерительная схема тестового струнного датчика включает при схемы совпадения, триггер управления, распределитель команд, два счетчика, делитель, умножитель, вычитатель, цифровой индикатор, ге нератор образцовой частоты.

Под управлением распределителя команд измерение перемешения к производится вдва такта. На первом такте в первый счетчик записывается число N>,.ñôoðìèðîванное из импульсов струнного преобразователя колеблющегося на частоте f1 = при работе с активной длиR

2 !о-+IC ной струны 1о+ к. На втором такте во второй счетчик записывается число N2, сформированное иэ импульсов струнного преобразователя,. колеблю егося с частотой f2 = при работе с включенR ным соленоидом на активной длине струны

l0+ к + h. Далее по второму такту на выходе

N2 делителя получаем число „„, на выхоИ1 — Йг 2Л де умножителя число, а на выходе

М1- Иг вычитателя получается окончательный результат измерения перемещения

-N2 lo

N24 (1) 11 чг

Недостатком рассмотренного струнного преобразователя является то, что вследствие температурного, гистереэисного и йеупругого изменения начальной длины струны 1о и тестового перемещения соленоида Ь, их численные значения h,.lo*, внесенные в умножитель и вычитатель, отличаются от действительных значений Й . о, что вносит следующую абсолютную погрешность в измерение перемещения к:

40 дк — ) + (Io*+ 4 ) (2) ч1 чг

Другим недостатком преобразователя

1О является запаздывание во времени между изменениями контролируемой величины и полученным на выходе вычислительного ус. тройства результатом измерения.. Это запаздывание обусловлено двумя довольно

15 длительными (до 1 с) тактами измерений.

Прототипом предлагаемого изобретения является струнный преобразователь давления, -содержащий корпус, два струнных чувствительных элемента с системами возбуждения колебаний струн и установки начальной частоты колебаний, смеситель и фильтр,. причем струнные чувствительные элементы выполнены в виде одной пары струн, перех<атых.в середине с возможностью перемещения s жестко закрепленном в корпусе пережиме, а концы струн закреплены на днищах двух подпружиненных .. сильфонов, установленных в корпусе днищами-в противоположные стороны и свя3О занных между собой штоком (3).

Частоты колебаний струн дифференциальных половин f> и f2 зависят от измеряемого перемещения к(в перемещение могут быть преобразованы давления, усилия, тем35 пература и другие величины) согласно соотношения;

11 = 2 𠆆-у ф (3)

:f где p, G — плотность и напряжение материала струны, R — постоянная, зависящая от формы колебаний струны„ I> — начальная длина струны.

B смесителе измерительной схемы выделяется сумма f1+ f2 и разность f1 - f2 частот дифференциальных половин струнного преобразователя, однако фильтром выделяется только разность частот, которая определяется соотношением = 0 -тг = — ф- (-Г- — — ) =

Ь о к Iî+/c ф 2 2

1 (5)

55 о

Величина Л f измеряется вторичным прибором и, как следует из приведенного соотношения, отягощена погрешностью, обусловленной нестабильностью величин G,. р, 4, Эта нестабильность связана с несовер1816318 шенством упругих свойств материала струны и температурным изменением длины и модуля упругости.

Изобретение направлено на повышение точности измерения. 5

Сущность изобретения состоит в том, что устройство включающее струнный преобразователь давления,. содержащий корпус, установленный в этом корпусе на двух упругих элементах с жестко соединенными 10 центрами струнный чувствительный элемент, в виде двух параллельных струн с ниппелями для крепления струн у упругим элементам и узлом регулировки натяжения, пережим струн, жестко закрепленный в кор- 15 пусе, две системы возбуждения колебаний частей струн,. смеситель частот. к входу которого подключены выходы систем возбуждения колебаний, низкочастотный фильтр, подключенный к выходу смесителя частот, 20 измерительный прибор, снабжено высокочастотным фильтром, блоком деления частот, умножителем; термочувствительным элементом с блоком масштабирования, установленными в корпусе струнного преоб- 25 разователя, причем вход высокочастотного фильтра подключен к выходу смесителя, а выходы низкочастотного и высокочастотного фильтров подключены на входы блока деления, выход которого подключен к одно- 30 му входу умножителя, Ко второму входу которого подключен термочувствительный элемент а выход умножителя подключен к измерительному прибору. Введение в измерительную схему преобразователя высоко- 35 частотного фильтра позволяет выделить имеющуюся на выходе смесителя сумму частот частей струн дифференциального струнного элемента. которая на основании соотношений (3) и (4) имеет вид 40 + = 1+ тг =

«R ., - 1 г1р Г-к ь+к >=

lo

RP р w (6)

О

Включение выходов низкочастотного и высокочастотного фильтров на вход блока деления частот позволяет получить на его выходе результат деления в виде

О

М - — е (7) — г

Р lo

Полученный на выходе блока деления 55 сигнал отягощен только погрешностью, связанный с температурным изменением только одной величины lo, определяющей начальную длину половины струнного преобразователя Io = lo"(1+ t2tt), где lp о — длина при температуре to, Ql — температурный коэффициент линейного расширения, t — текущая температура. Для исключения этой последовательности составляющей погрешности в схему преобразователя введен умножитель, на один вход которого включен выход блока деления, а на другой — термопреобразователь с масштабирующим блоком. Термопреобразователь вырабатывает сигнал, пропорциональный температуре t, масштабирующий преобразователь его умножает на а14 и прибавляет постоянную Io, В результате на выходе масштабирующего преобразователя получают величину Io

=10"(1+ alt), на которую умножают сигнал с выхода блока деления по соотношению (7) и в результате получают — lo =k к (8) .1о

Таким образом получаем результат, не отягощенный погрешностью, связанный с изменением р, G, lo, R и линейную функцию преобразования.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа повышением точности за счет. компенсации влияния изменений р, G, 4, R и линеаризацией характеристики. От аналога (2) предлагаемое техническое решение отличается повышением точности за счет компенсации изменения А 4 и сокращением времени измерения за счет применения двух фильтров (низкочастотного и высокочастотного) и блока деления разности частот на сумму, например, состоящего из двух счетчиков, один из которых задает время измерения другому.

От аналога изобретение отличается большей точностью достигаемой путем исключения влияния изменений р, G, 4, R, линейной характеристикой, более широким диапазоном измерения.

Устройство для измерения давления схематически изображено на чертеже.

Преобразователь содержит корпус 1, на котором установлены два штуцера для подвода контролируемых давлений, в корпусе установлены два упругих элемента 2. 3, например, сильфоны с жестко соединенными штоком 4 центрами, на упругих элементах установлен при помощи ниппелей 5 струнный чувствительный элемент в виде пары струн с узлами 6 регулировки активной длины струн, пережим 7, в котором движутся струны, жестко укреплен в корпусе, две системы возбуждения колебаний, первая состоит из электромагнитного возбудителя колебаний 8, электромагнитного приемника

1816318

9 и усилителя 10 положительной обратной связи, вторая система содержит аналогичные возбудитель 11, приемник12, усилитель

13. Выходы систем возбуждения подключены ко входам смесителя 14, например, ба- 5 лансного модулятора, для выделения суммы и разности частот колебаний участков струн к выходу смесителя подключены высокочастотный 15 и низкочастотный 16 фильтры соответственно, делитель частоты 17, «о 10 входам которого.подключены указанные фильтры, может быть выполнен; например, из двух счетчиков С«, Сг один из которых задает время счета другому. Термочувствительный элемент 18, например, термометр 15 сопротивления, установленный в корпусе струнного преобразователя, через свой измерительный блок 19, например, мост и масштабирующий преобразователь 20 подключен на один вход умно>кителя 21, на 20 второй вход которого подключен выход делителя частот, а выход умножителя подключен ко входу вторичного прибора 22, например, частотомера.

Устройство работает следующим обра- 25 зом. Когда давления Р1 и Pz, подаваемые в корпус преобразователя, равны, длины Io участков струн между пережимом 7 и пережимами 6 равны. При этом равны частоты f1 и fz возбуждаемые первой и второй систе- 30 мами возбуждения, а на выходе смесителя

14 получаются нулевые биения. Когда давления не равны (P»< Pz), например Р1> Pz струны вместе с днищем сильфонов 2 и 3 и пережимами 6 смещаются вправо на рас- 35 стояние к, в результате чего длина струн между левым пере>кимом 6 и пережимом 7 уменьшается до 4-к, а между пережимом 7 и правым пережимом 6 увеличивается до lo

+ к, Частоты на выходах усилителей 10 и 13 40 становятся различными и соответственно. равными

11 — --Т---- - . (9)

R тг 2 + /З (10)

2 .+к Р

На выходе смесителя 14 присутствуют сумма f1+ fz и разность f1 - fz, соответственно равные

«+=f +fz 2 R (г г ) (11)

1 2!о

Р lo -к

4f- fi-тг= — и ЛГ(z z ) (12)

1 2к о к 55

Сумма выделяется фильтром 15. а разность фильтром 16. После деления разности

Ж- частот на их сумму на выходе делителя

17 (13)

Для компенсации температурных изменений Ip, термопреобразователем 18 и измерительным блоком 19 формируется сигнал, пропорциональный t, а на выходе масштабирующего блока 20 этот сигнал после домножения Qlo о и прибавления постоянной Io" принимает вид (14)

Масштабирующий блок снабжен преобразователем (аналог 1, — частота) поэтому на входы умножителя 21 подается две частоты: одна с выхода делителя частот 17, пропорциональная а/Ip, а другая с выхода

t блока 20, пропорциональная Io = Ipt (1+ Q t)

На выходе умножителя получаем сигнал — lo =к

К (15)

Io в виде частоты, пропорциональной измеряемой величине к не отягощенной погрешностями от вариаций аа, ря, рр, ро, Изобретение отличается от решений по (1.2,3) более высокой точностью и воспроизводимостью характеристики.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, включающее преобразователь давления, содержащий корпус с установленными в нем двумя упругими элементами, связанными между собой штоком, струнный чувствительный элемент в виде двух параллельных струн, прикрепленных с помощью ниппелей к упругим элементам, два узла регулировки активной длины струн, пережим струн, жестко укрепленный в корпусе, две системы возбуждения и приема колебаний частоты струн, смеситель частот, к входу которого подключены выходы систем возбуждения и приема колебаний, низкочастотный фильтр, подключенный к выходу смесителя частот и измерительный прибор, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено высокочастотным фильтром, блоком деления частот, умножителем и установленным в корпусе преобразователя термочувствительным элементом, включенным в измерительную схему с блоком масштабирования, причем вход высокочастотного фильтра подключен к выходу смесителя, а выходы низкочастотного и высокочастотного фильтров соединены с входами блока деления частот„выход которого подключен к одному входу умножителя, к второму входу которого через блок масштабирования подключен выход измерительной схемы с термочувствительным элементом, а выход умножителя подключен к измерительному прибору.