Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для индикации и контроля давления в системах технической диагностики текущего состояния оборудования аботающего в отраслях промышленности, связанных с получением, хранением или переработкой взрывоопасных веществ. Электронный манометр содержит первичный измерительный преобразователь, включающий упругий элемент, соединенный посредством тяги с дифференциальным индуктивным полумостом электронного блока обработки сигнала, функциональный преообразователь, блок искробезопасности. конечный переключатель, индикатор среднего значения величины давления, показывающий прибор. Манометр позволяет контролировать несколько видов параметров давления, например среднее его значение в интегральном выражении за определенный интервал времени, среднюю квадратическую величину пульсации давления , пиковые значения по максимуму и минимуму , параметры пиков с временными и амплитудными характеристиками и др. 4 ил. СП с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 1 9/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 4835697/10 (22) 07.06.90 (46) 30,07.93. Бюл. ¹ 28 (76) А.Б,Качоровский (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 408179, кл. G 01 1 9/10, 1973, Патент ФРГ ¹ 3519908, кл. 6 01 L 9/00, 1986, Заявка Японии № 62-115333, кл, G 01 L 7/00, опубл, 1987.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1451567, кл. G 01 1 9/10, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для индикации и контроля давления в системах технической диагностики текущего состояния оборудования работающего в отраслях промышленности, Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к устройствам измерения параметров давления, пульсирующих в процессе работы технологического оборудования. Оно может быть использовано в целях технической диагностики текущего состояния этого оборудования и 8 качестве измерительного и сигнализирую. щего прибора, датчики которого могут устанавливаться во . взрывоопасных помещениях.

Сущность изобретения.

Недостаточное количество выдаваемых параметров, низкое быстродействие известных измерительных преобразователей давления в электрические сигналы и отсут„„Я2„„1831б68 АЗ связанных с получением, хранением или переработкой взрывоопасных веществ. Электронный манометр содержит первичный измерительный преобразователь, включающий упругий элемент, соединенный посредством тяги с дифференциальным индуктивным полумостом электронного блока обработки сигнала, функциональный преообразователь, блок искробезопасности, конечный переключатель, индикатор среднего значения величины давления, показывающий прибор. Манометр позволяет контролировать несколько видов параметров давления, например среднее его значение в интегральном выражении за определенный интервал времени, среднюю квадратическую величину пульсации давления, пиковые значения по максимуму и минимуму, параметры пиков с временными и амплитудными характеристиками и др. 4 ил. ствие вэрывозащищенности не позволяют выполнять в условиях взрывоопасных производств регистрацию пульсаций давлений по их частотным характеристикам, по моментам возникновения импульсов и спадов давления, а также по их средним или средним квадратическим значениям. Однако такие данные необходимы для анализа текущего технического состояния технологического оборудования, своевременного выявления в нем развивающихся дефектов, предупреждения аварий и перевода методов его ремонта от циклов ППР (плановопредупредительных ремонтов) на ремонты по фактическому техническому состоянию, Выполнение последних условий дает зконо1831668 мию средств за счет уменьшения циклов ремонта„оборудования, предупреждении и исключания аварий на производствах, Предлагаемое устройство обеспечивает иск робезопасность цепей его датчиков и позволяет использовать в них упругие элементы с повышенной жесткостью, которые дают, возможность воспроизводить в механических перемещениях все необходимые высокочастотные составляющие импульсов давления и передавать их ферромагнитному сердечнику с массой значительно меньшей массы упругого элемента, а также преобразовывать все его малые перемещения в электрические сигналы электронным безынерционным устройством в соответствующие им импульсные, частотные и усредненные параметры давления с минимальным уровнем помех.

Таким образом, сущность изобретения состоит в обеспечении взрывозащищенности и в повышении точности измерения па-. раметров давления в его быстропротекающих процессах, чувствительности электронного преобразователя малых перемещений в выходной помехоустойчивый сигнал тока для использования устройства s условиях химических, нефтеперерабатывающих и других производствах с повышенной взрывоопасностью.

Существенные признаки изобретения состоят в том, что устройство для измерения давления содержит последовательно соединенные первичный измерительный преобразователь (датчик) и вторичный функциональный преобразователь, связанные между собой линией связи, где датчик содержит упругий элемент, преобразующий давление контролируемой среды в перемещение, и связанный с ним ферромагнитный сердечник, помещенный в двухобмоточную катушку, соединенную с узлом преобразования перемещения сердечника в промежуточный сигнал постоянного тока, а вторичный функциональный преобразователь содержит усилитель промежуточного сигнала, узел уставок сигнализации и показывающий прибор.

Отличительная особенность устройства выражена в том, что узел преобразования перемещения сердечника и сигнал постоянного тока содержит высокочастотный управляемый по амплитуде напряжения автогенератор гармонических колебаний, в цепь обратной связи которого включены обмотки катушки датчика, а операционный усилитель генератора содержит цепи дифференцирования входного сигнала, при этом формирователь выходного токового сигнала, в схему которого включен пороговый элемент, соединенный с первичной обмоткой выходного трансформатора генератора, снабжен усилителем импульсов тока и резистором, установленным в токовой цепи этого усилителя и одновременно включенным в источник напряжения смещения порогового элемента, а импульсный трансформатор тока того же усилителя своей вторичной обмоткой соединен по"0 средством балансного резистора с вторичной обмоткой выходного трансформатора генератора и с подключенными к ней обмотками датчика, а цепь первичной обмотки импульсного трансформатора отделена от

15 цепи фильтра постоянной составляющей токового сигнала конденсатором, которая через линию связи соединена с функциональным преобразователем на ре-. зистор, включенный в цепь нагрузки токового сигнала и введенный в блок искробезопасности, установленный на входе преобразователя, выход которого через повторитель сигнала соединен с импульсным выходом устройства и с измерительными цепями преобразователя, в состав которых включены интегратор средней величины давления, детектор средней квадратической величины пульсации давления и детекторы максимальных и минимальных экстремальных значений выходного сигнала давления, а также коммутатор цепей, включенный в последовательную цепь интегратора и показывающего прибора.

На фиг, 1 изображен первичный изме35 рительн ый преобразователь (датчик); на фиг. 2 — полная функциональная схема уст"poAcTBB; на фиг. 3 — принципиальная схема узла обработки сигнала датчика; на фиг. 4— принципиальная схема функционального преобразователя, Первичный измерительный преобразователь (фиг, 1) содержит корпус 1, присоединительный штуцер 2, упругий элемент 3, соединенный посредством тяги 4 с двухоб45 моточной катушкой 5, выполненной по дифференциальной схеме намотки, и узел обработки сигнала "УОС" 6, соединенный по линии связи 7 (фиг. 2) с функциональным преобразователем 8.

На входе преобразователя 8 установлен блок искробезопасности "БИБ" 9. Цепи питания к преобразователю. 8 подведены также от искробезопасного блока питания 10.

Включение блока искробезопасности 9 фун55 кционально совмещено с преобразованием в нем промежуточного токового сигнала датчика в сигнал напряжения. Выход БИБ 9 через кнопочный переключатель "КП" 11 соединен с интегратором 12 среднего значения величины измеряемого давления, на

1831668

25 снабженный источником напряжения сме-30

50

55 выход интегратора подключен показывающий прибор 13. Параллельно к выходу БИБ

9 подключены детекторы среднего квадратического значения "CK3" 14 пульсации давления, экстремальных значений по пикам максимума "ЭД кс" 15, по пикам минимума

"Эдмин" 16; Кроме того, в преобразователе

8 блок уставок сигнализации "Уст" 17 и два компаратора "К-рмакс" 18 и "К-рмин" 19. Их выходы 20 и 21 предназначены для присоединения внешних устройств сигнализации.

Узел обработки сигнала "Y0C" 6 по фиг.

1 содержит электронное устройство (фиг. 3), снабженное высокочастотным управляемым по амплитуде напряжения автогенератором гармонических колебаний, состоящим иэ операционного усилителя 22, снабженного входной дифференцирующей цепью в аиде конденсатора 23 и резистора

24, и колебательным контуром с индуктивностью 25 и конденсатором 26.На выход усилителя 22 через разделительный конденсатор 27 включена первичная обмотка 28 выходного трансформатора 29 автогенератора, К выводу 30 от обмотки 28 присоединен пороговый элемент — транзистор 31. щения; выполненным на резисторах 32; 33 и 34. Конденсатор 35 блокирует резистор

34, который присоединен ко второму входу усилителя 22 в качестве источника опорного напряжения, а конденсатор 36 блокирует резистор 32, соединенного с базой транзистора 31. К его коллектору подключен усилитель импульсов тока — транзистор 37 с резистором 38, содержащий резистор 39, установленный в токовой цепи усилителя и одйовременно включенный в источник напряжения смещения порогового элемента на базу транзистора 31 через резистор 32 и конденсатор 36. В коллекторную цепь транзистора 37 усилителя импульсов тока включена первичная обмотка 40 импульсного трансформатора 41, зашунтированная диодом 42 и юстировочным резистором 43. В последовательную цепь с обмоткой 40 включены резистор 44 и конденсатор 45, разделяющий цепи переменной и постоянной составляющих импульсов тока. В цепь постоянной составляющей включен фильтр токового выходного сигнала .преобразователя, состоящий из конденсаторов 46, 47 и резистора 48. соединенного с клеммой 49 присоединения внешней цепи с линией свяэи 7и резистором нагрузки R< . Вторичная обмотка:выходного трансформатора 29 генератора 22 содержит секции 50 и 51, соединенные через юстировочный резистор 52, зашунтированного третьей секцией 53. К юстировочному резистору 52 присоединена

15 вторичная 54 обмотка импульсного трансформатора 41, входящая в цепь отрицательной обратной связи по самовоэбуждению автогенератора 22. К обмоткам 50 и 51 присоединены обмотки 55 и 56 датчика 57, соединенным с упругим элементом 3 посредством связи 4 (фиг. 1).

Линия связи 7 (фиг. 2) присоединена к входу 58 (фиг, 4) блока искробезопасности

БИБ 9, содержащего (про требованиям

ГОСТ 22782.5-78) токоограничивающий резистор 59 и стабилитрон 60. В цепь нагрузки токовой цепи сигнала включен резистор 61, а также резистор 62 и диоды 63 и 64. Выход

БИБ 9 соединен со входом повторителя сигнала 65, построенным на операционном усилителе и обладающим высоким входным ,сопротивлением, его выход bo является выходом импульсного сигнала, к которому может быть присоединена дополнительная диагностическая аппаратура (например, осциллограф, спектроанализатор и др.). В устройстве выход 66 соединен с кнопочным переключателем 67 — 71 и через него со входом интегратора 12, содержащего операционный усилитель 72, резисторы 73, 74 и конденсатор 75. К выходу интегратора под ключен показывающий прибор 13, Параллельно к точке 66 подключен детектор среднего квадратического значения пульсаций давления, выполненный íà операционном усилителе 76 с реэистивными цепями 77-81, диодами 82, 83 и разделительным конденсатором 84. На операционных усилителях 85 и 86, снабженных электронными ключами 87 и 88 выполнены схемы детекторов максимального и минимального уровней сигнала давления с резистивными цепями 89 — 94, диодами 95, 96 и конденсаторами 97, 98, соединенными с кнопками 68 и 69 переключателя.

Регуляторы уставок сигнализации 99, 100 соединены параллельно с кнопками 70 и 71 и входами компараторов 101, 102 с резисторами 103-106. Компараторы совместно с транзисторами 107, 108 и реле 109, 110 с контактами 20, 21 образуют узлы сигнализации 18 и 19 (фиг, 2), Устройство работает следующим образом.

Автогенератор гармонических колебаний, выполненный на операционном усилителе 22, самовоэбуждается по цепи положительной обратной связи, возникающей от начального разбаланса мостовой схемы, образованной вторичными обмотками 50,51 и 53 трансформатора 29 с резисто-. ром 52 и обмотками 55, 56 датчика 5.

Величину разбаланса регулируют резистором 52. Последовательно с цепью положи1831668 тельной обратной связи действует на вход генератвра 22 цепь отрицательной обратной связи, образованной обмоткой 54 импульсного трансформатора 41. г Соотношением действий положительной и отрицательной. обратных связей определяется условие самовозбуждения автогенератора по балансу амплитуд, баланс фаз задан включением дифференцирующей цепи, состоящей из резистора 24 и конденсатора 23.

При развитии амплитуды автоколебаний в генераторе открывается пороговый элемент

31 и усилитель импульсов тока 37, в цепи которого формируется косинусоидальный импульс тока. Величина угла отсечки косинусоидального импульса задается с делителя напряжения на резисторах 32, 33, 34 и 39 в сумме с напряжением и-р перехода транзистора 31 и напряжением снимаемым с отвода 30 первичной обмотки 28 трансформатора 29. В пределах углов отсечки 18 — 20" постоянная составляющая косинусоидального импульса тока с достаточной для многих технических измерений точностью пропорциональна амплитуде его первой гармоники, из которой в контуре 25, 26 формируется действие отрицательной обратной связи. От падения напряжения на резисторе 39 пропорционально силе тока импульса вводится коррекция на точность формирования импульса по углу отсечки, В результате происходит стабилизация генерируемого напряжения, которое в свою очередь зависит от степени дальнейших разбалансировок индуктивностей обмоток 55, 56 датчика

5 в зависимости от перемещений его сердечникэ 57, что приводит к соответствующему изменению постоянного тока нэ выходе

49 фильтра 46, 47, 48.

Принимая во внимание то, что в рассмотренной схеме автогенератор всегда работает в режиме порога генерации, регулируемого автоматически действиями двух обратных связей, его коэффициент усиления по отношению к разности напряжений этих связей стремится к бесконечности и фактически независим от коэффициент передачи сигнала в усилителе 22. Поэтому температурные дрейфы режимов полупроводниковых приборов оказывают минимальное воздействие на точность преобразования. Основная стабилизация режиме работы преобразователя здесь достигается стабильностью работы его моточных элементов в их коэффициентах трансформации и стабильностью резисторов, входящих в делители напряжения.

Баланс нуля в схеме выполняется резисгором 52. регулирующим условия начала самовозбуждения. а чувствительность — ре5

Малая инерционность в передаче сигна10 лов перемещения достигается тем, что гене20. зывающий прибор 13. Параллельно с выхода бб сигнал поступает на детектор СК3

40 14 (фиг.2), где (flo фиг.4) через конденсатор

45 резистор 80. Обе цепи сбалансированы резистором 78 так, что амплитуда усиленного сигнала в два раза превосходит амплитуду

30 зистором 43, шунтирующим первичную обмотку 40 импульсного трансформатора 41.

Повышение помехозащищенности здесь достигается путем токовой передачи сигнала по линии связи, поскольку постоянная составляющая импульсов тока не зависит от величины сопротивления нагрузки на выходе 49. ратор работает на частотах порядка 0,25 — 1.0

МГц, Эта условие позволяет получать информацию об импульсах давления в широком спектре низких частот по отношению к частоте генератора.

Сигнал тока, поступающий на вход 58 (фиг.4) создает на резисторе 61 сигнал напряжения . Его величина не превосходит напряжение отпирания стабилитронэ 60 и передается через резистор 59 на высокоомный вход повторителя 65. БИБ 9 построен из предположительного условия возникновения случайного пробоя изоляции и попадания переменного тока с напряжением 250

В на выход БИБ 9, В этом случае резистор

59 ограничивает силу тока, а стабилитрон 60 — остаточное напряжение, которое резистором 62 и диодами 63 и 64 не пропускается на вход 58, что обеспечивает требования, предъявляемые к искробезопасности измерительной цепи по ГОСТ 22782,5-78.

В нормальных условиях работы и при отпущенных кнопках 67 — 71 сигнал с выхода

66 повторителя поступает непосредственно на вход интегратора 12, который в данном случае выдает напряжение пропорциональ-, ное среднему значению давления на пока84 из сигнала выделяется только переменная составляющая, которая поступает нэ кнопку 67 по прямой цепи через резистор 80 и через однополупериодный усилитель 76 и прямого, Тогда при нажатии кнопки 67 происходит суммирование этих амплитуд тока в интеграторе 12, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный среднему значению двухполупериодного выпрямления переменной составляющей пульсации давления, которая приравнивается посредством масштабирования к СКЗ гармонического сигнала.

Экстремальный детектор "ЭДыакс" 15 открывает с помощью усилителя 85 электронный ключ 87, когда напряжение на выходе 66 превосходит напряжение на

1831668 конденсаторе 97. Тогда при открытом ключе

87 происходит подзаряд конденсатора до максимального уровня напряжения, а затем, при спаде напряжения на выходе 66, усилитель 85 через диод 95 запирает ключ 5

87 оставляя заряд на конденсаторе, Разряд конденсатора 97 осуществляется через его резистивные нагрузки. П ри нажатии кнопки

68 напряжение с конденсатора поступает на вход интегратора 12 и через него на показы- 10 вающий прибор 13.

Уставка предела срабатывания сигнализации производится при нажатии кнопки 70 путем вращения ручки резистора 99, напряжение с которого поступает на интегратор 15

12 и контролируется прибором 13. В процессе работы напряжение уставки и конденсатора 97 сравниваются компаратором 101, снабжен ного си гнал изирующим устройством 20. 20

По аналогичной схеме работает "ЭДмин" 16 с усилителем 86, Таким образом обеспечивается взрывозащищенность и повышается точность измерения параметров давления в его 25 быстропротекающих процессах, чувствительность электронного преобразователя малых перемещений в выходной помехоустойчивый сигнал тока, что позволяет использовать предлагаемое устройство в 30 условиях химических, нефтеперерабатывающих и других производствах с повышенной взрывоопасностью, Формула изобретения 35

Устройство для измерения давления, содержащее последовательно соединенные через линию связи первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде размещенных на феррма нитном середеч- 40 нике, связанном с упругим элементом, двух обмоток дифференциально-индуктивного датчика давления, включенный в цепь об ратной связи усилителя в управляемом генераторе высокочастотного переменного напряжения, в цепь управления амплитудой которого включен детектор выходного сигнала, и вторичный функциональный преобразователь с интегратором, выходом соединенным с показывающим и рибором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что во вторичный функциональный преобразователь введены последовательно соединенные цепь искрозащиты, вход которой является входом функционального преобразователя, согласующий усилитель и коммутатор, выход которого подключен к входу интегратора, а также детекторы среднеквадратичного значения максимальных и минимальных амплитуд пульсаций с сигнализаторами, включенные между выходом цепи искрозащиты и соответствующими дополнительными входами коммутатора, детектор выходного сигнала выполнен в виде порогового элемента, связанного с первичной обмоткой трансформатора генератора высокочастотного перемен ного на пряжения, усилителя импульсов тока с импульсным трансформатором, выходом связанного с управляющей цепью смещения порогового элемента, последовательно включенных в цепь первичной обмотки импульсного трансформатора усилителя импульсов тока, нагрузочного резистора. разделительного конденсатора и фильтра низких частот, выход которого является выходом первичного измерительного преобразователя, при этом вторичная обмотка импульсного трансформатора связана с вторичной обмоткой трансформатора генератора высокочастотного переменного напряжения, усилитель которого выполнен в виде операционного дифференцирующего усилителя.

1831668

1831668

Составитель А.Качаровский

Техред М.Моргентэл Корректор Н.Король

Редактор

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

Заказ 2549 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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