Способ многоточечного измерения давления и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике при определении давления во множестве точек. В способе многоточечного измерения давления путем помещения в контролируемые точки N пьезорезонансных датчиков давления и измерения их резонансной частоты используют пьезорезонансные датчики давления с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN, которые соединены параллельно двухпроводной линией, на один из входов линии подают сигнал переменного напряжения с амплитудно-частотным спектром, перекрывающим частотный диапазон пьезорезонансных датчиков давления, регистрируют входной переменный ток i_вх(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), определяют резонансные частоты пьезорезонансных датчиков давления по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω), исходя из которых определяют искомое давление в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты пьезорезонансных датчиков давления от значения давления ω_pi(P). Устройство многоточечного измерения давления содержит N пьезорезонансных датчиков давления, соединенных с преобразователем с частотным выходом, который соединен с измерителем частоты, пьезорезонансные датчики давления имеют различные резонансные частоты и соединены параллельно двухпроводной линией, преобразователь с частотным выходом состоит из схемы согласования и генератора сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков, соединенного с первым входом схемы согласования, второй вход схемы согласования соединен с двухпроводной линией, выход схемы согласования соединен с измерителем частоты, состоящего из последовательно соединенных регистратора амплитуды переменного тока, анализатора спектра, блока обработки и индикации. Технический результат - сокращение количества проводов, соединяющих множество дискретных пьезорезонансных датчиков давления с измерительной системой. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике при определении давления во множестве точек.

Известен способ измерения давления (АС СССР 453598, кл. G 01 L 9/08, 1974, бюл. 46), основанный на возбуждении пьезорезонансного датчика давления синусоидальными частотно-модулированными колебаниями и определения давления по изменению амплитуды колебания.

Известно устройство, реализующее способ измерения давления АС СССР 453598, кл G 01 L 9/08, 1974, бюл. 46, состоящее из пьезорезонансного датчика давления, генератора частотно-модулированного сигнала, регистратора амплитуды напряжения.

Недостатком этого способа и устройства является необходимость большого количества вторичной аппаратуры и проводов, соединяющих пьезорезонансные датчики давления со вторичной аппаратурой при измерении давления в множестве точек.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, реализующий устройство измерения давления, описанный в [1, стр. 157]. Этот способ основан на измерении резонансной частоты пьезорезонансного датчика давления, размещенного в интересующей точке измерения давления. Для многоточечного измерения давления в N точках размещают N пьезорезонансных датчиков давления в этих точках и измеряют резонансные частоты датчиков при помощи N устройств.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения давления (1, стр. 157), которое содержит пьезорезонансный датчик давления, а также автогенератор, смеситель, умножители частоты и фильтр низких частот, в совокупности представляющие собой преобразователь с частотным выходом; преобразователь частоты в код, представляющий собой измеритель частоты. Для построения устройства для многоточечного измерения давления в N точках используют N таких устройств.

Недостатком этого способа и устройства является необходимость большого количества проводов, соединяющих пьезорезонансные датчики давления с преобразователем резонансной частоты пьезорезонансного датчика давления в частотный сигнал при измерении давления в множестве точек.

Решаемая техническая задача - сокращение количества проводов, соединяющих множество дискретных пьезорезонансных датчиков давления с измерителем, сокращение количества аппаратуры в измерителе.

Решаемая техническая задача в способе многоточечного измерения давления путем помещения в контролируемые точки N пьезорезонансных датчиков давления и измерения их резонансной частоты достигается тем, что используют пьезорезонансные датчики давления с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN, которые соединены параллельно двухпроводной линией, на один из входов линии подают сигнал переменного напряжения с амплитудно-частотным спектром, перекрывающим частотный диапазон пьезорезонансных датчиков давления, регистрируют входной переменный ток i_вх(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), определяют резонансные частоты пьезорезонансных датчиков давления ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN, по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω), исходя из которых определяют искомое давление в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты пьезорезонансных датчиков давления от значения давления ω_pi(P).

Решаемая техническая задача в устройстве, реализующем способ многоточечного измерения давления, содержащем N пьезорезонансных датчиков давления, соединенных с преобразователем с частотным выходом, который соединен с измерителем частоты, достигается тем, что пьезорезонансные датчики давления имеют различные резонансные частоты ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN соединены параллельно двухпроводной линией, преобразователь с частотным выходом состоит из схемы согласования и генератора сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков, соединенного с первым входом схемы согласования, второй вход схемы согласования соединен с двухпроводной линией, выход схемы согласования соединен с измерителем частоты, состоящим из последовательно соединенных регистратора амплитуды переменного тока, анализатора спектра, блока обработки и индикации.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

На фиг.2 показана зависимость частоты от давления пьезорезонансного датчика давления.

Устройство (фиг.1) содержит N пьезорезонансных датчиков давления 1_i, где i=1, 2,..., N, двухпроводную линию 2, преобразователь с частотным выходом 3, в состав которого входят генератор 4 и схема согласования 5; измеритель частоты 6, в состав которого входят регистратор амплитуды переменного тока 7, анализатор спектра 8, блок обработки и индикации 9. Количество пьезорезонансных датчиков давления 1_i определяется необходимым количеством точек контроля давления.

Пьезорезонансные датчики давления 1_i электрически соединены при помощи двухпроводной линии 2 со схемой согласования 5, другой вход схемы согласования 5 электрически соединен с генератором 4. Выход схемы согласования 5 электрически соединен с входом регистратора амплитуды переменного тока 7, выход которого соединен с входом анализатора спектра 8. Выход анализатора спектра 8 электрически соединен с входом блока обработки и индикации 9.

Рассмотрим осуществление способа многоточечного измерения давления с помощью устройства, показанного на фиг.1. Пьезорезонансные датчики давления 1_i с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN помещаются в точки контроля давления и соединяются параллельно двухпроводной линией 2 с преобразователем с частотным выходом 3, служащим для преобразования резонансной частоты пьезорезонансных датчиков давления 1_i в частотный сигнал. Генератор 4 вырабатывает сигнал с амплитудно-частотным спектром, перекрывающим частотный диапазон пьезорезонансных датчиков давления. Сигнал с генератора 4 через схему согласования 5 поступает на вход двухпроводной линии 2. Схема согласования 5 необходима для выделения небольших изменений входного тока двухпроводной линии 2, вызванного резонансом пьезорезонансных датчиков давления 1_i на фоне сильной неизменной составляющей входного сигнала от генератора 4. В результате возбуждения сигналом переменного напряжения с генератора 4 в пьезорезонансных датчиках давления 1_i возникают колебания тока на частоте их резонанса. Сигнал со схемы согласования 5 поступает на регистратор амплитуды переменного тока 7. Данные с выхода регистратора переменного тока 7 поступают на анализатор спектра 8, позволяющего вычислить по временной выборке входного тока i_вх(t) двухпроводной линии 2 амплитудно-частотный спектр входного тока S(ω). Данные об амплитудно-частотном спектре поступают на блок обработки и индикации 9, в котором производится определение резонансных частот пьезорезонансных датчиков давления 1_i ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN. Далее на основании измеренных частот пьезорезонансных датчиков давления 1_i ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN блок обработки и индикации 9 по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости ω_pi(P) резонансной частоты от давления пьезорезонансных датчиков давления 1_i вычисляет искомое давление в контролируемых точках и производит их индикацию.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь решения поставленной технической задачи - сокращение количества проводов, соединяющих множество дискретных пьезорезонансных датчиков давления с измерителем, сокращение количества аппаратуры в измерителе.

Для измерения давления распределенных объектов необходимо использовать множество точечных (дискретных) датчиков, размещенных на объекте измерения. При использовании традиционной идеологии (1, стр. 157, А.С. СССР 453598, кл. G 01 L 9/08, 1974, бюл. 46) построение многоточечных измерителей давления приводит к существенному усложнению измерительной аппаратуры и росту ее объема, а также к значительным материальным затратам, поскольку в этом случае система является многоканальной с числом измерительных каналов, равным числу датчиков. Для построения такой многоканальной системы необходимо большое количество (десятки и сотни) соединительных проводников датчиков с измерительной системой.

Существует возможность построить систему по другому принципу: соединить множество датчиков давления параллельно при помощи двухпроводной линии. При этом в несколько раз снижается объем вторичной аппаратуры (снижение, пропорциональное числу измерительных каналов), снижается во столько же раз общая длина соединительных линий и кабелей.

Эта возможность реализуется при использовании в качестве датчиков давления пьезорезонансных датчиков давления с разнесенными частотами.

Одним из видов пьезорезонансных датчиков давления, выпускаемых промышленностью, являются кварцевые пьезорезонансные температурные датчики давления БРКМ-Р. Их основные характеристики приведены в таблице.

Интервал рабочих давлений опорного резонатора от 79,98 до 106,64 кПа.

Пьезорезонансный датчик давления БРКМ-Р имеет характеристику зависимости резонансной частоты от давления, описываемую следующим выражением [2]: F(P)=F₀A₁P+A₂P²+А₃P³, (1) где F(P) - частота резонатора при текущем значении давления, Гц; F₀ - частота резонатора при нулевом давлении, Гц; Р - текущее значение давления, МПа; А₂, А₃ - коэффициенты второго и третьего порядка.

(Отметим, что частота и F связаны между собой ) Коэффициенты для пьезорезонансного датчика давления БРКМ-0,16 составляют [2]: A₁=7959 Гц/МПа, А₂, А₃ - определяют нелинейность менее 0,4%.

График характеристики зависимости резонансной частоты от давления (баро-частотной характеристики) кварцевого пьезорезонансного датчика давления с центральной частотой 34 кГц, рассчитанный в соответствии с (1), показан на фиг. 2. Измерив частоту резонатора, по этой характеристике вычисляется давление в точке размещения датчика.

При использовании этих датчиков возможно проведение измерений давления в множестве точек с точностью до 0,1% [2], причем для передачи измерительной информации на вторичную аппаратуру требуется только один канал при условии применения пьезорезонансных датчиков с разнесенными частотами.

Таким образом, разместив пьезорезонансные датчики давления _i в точках измерения давления и соединив их параллельно при помощи двухпроводной линии 2, для вычисления давления необходимо измерить их резонансные частоты. Для того чтобы это сделать, на вход двухпроводной линии 2 (фиг.1) с генератора 4 подается сигнал с амплитудно-частотным спектром, перекрывающим частотный диапазон пьезорезонансных датчиков давления 1_i. Таким сигналом может быть сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков давления 1_i. В ответ на такое воздействие в пьезорезонансных датчиках давления возникают свободные колебания на частотах их последовательных резонансов. Регистрируя эти колебания при помощи регистратора переменного тока 7 и вычисляя их спектр при помощи анализатора спектра 8, определяются резонансные частоты ω_p1, ω_p2, ... ω_pi, ... ω_pN всех датчиков 1_i. В блоке обработки и индикации 9 производится вычисление давлений по известным характеристикам зависимости частоты от давления пьезорезонансных датчиков давления 1_i, вид которых показан на фиг.2.

Опытный образец устройства для измерения давления в множестве точек был изготовлен на основе кварцевых пьезорезонансных датчиков давления БРКМ-Р. Генератор многочастотного сигнала реализован на основе стандартного генератора качающейся частоты. Схема согласования 5 выполнена на основе дифференциального усилителя на микросхемах К544УД1. Пример принципиальной схемы этого блока приведен на фиг. 3. Регистратор амплитуды переменного тока 7 представлял собой блок АЦП на основе платы ввода/вывода сигнала в ЭВМ-L305 фирмы L-Card. Анализатор спектра 8 и блок обработки и индикации 9 выполнен на основе ЭВМ и программного пакета Lab View. Блок обработки и индикации 9 работает по алгоритму, приведенному на стр. 3-4 настоящей заявки.

Таким образом, при использовании пьезорезонансных датчиков давления с различными резонансными частотами, соединенных двухпроводной линией, удается сократить количество проводов, соединяющих множество дискретных пьезорезонансных датчиков давления с измерителем, и сократить количество аппаратуры в измерителе.

Литература 1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1989.

2. Технический паспорт резонатора кварцевого манометрического БРКМ-Р. Специальное конструкторско-технологическое бюро электроники, приборостроения и автоматизации, г. Углич.

Формула изобретения

1. Способ многоточечного измерения давления путем помещения в контролируемые точки N пьезорезонансных датчиков давления и измерения их резонансной частоты, отличающийся тем, что используют пьезорезонансные датчики давления с различными резонансными частотами ω_р1, ω_р2,... ω_рi,... ω_рN, которые соединены параллельно двухпроводной линией, на один из входов линии подают сигнал переменного напряжения с амплитудно-частотным спектром, перекрывающим частотный диапазон пьезорезонансных датчиков давления, регистрируют входной переменный ток i_вх(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), определяют резонансные частоты пьезорезонансных датчиков давления ω_р1, ω_р2,... ω_рi,... ω_рN по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω), исходя из которых определяют искомое давление в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты пьезорезонансных датчиков давления от значения давления ω_рi(Р).

2. Устройство многоточечного измерения давления, содержащее N пьезорезонансных датчиков давления, соединенных с преобразователем с частотным выходом, который соединен с измерителем частоты, отличающееся тем, что пьезорезонансные датчики давления имеют различные резонансные частоты ω_р1, ω_р2,... ω_рi,... ω_рN и соединены параллельно двухпроводной линией, преобразователь с частотным выходом состоит из схемы согласования и генератора сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков, соединенного с первым входом схемы согласования, второй вход схемы согласования соединен с двухпроводной линией, выход схемы согласования соединен с измерителем частоты, состоящим из последовательно соединенных регистратора амплитуды переменного тока, анализатора спектра, блока обработки и индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4