Тепловой манометр

 

ОП HCAHNE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

< «836538

+.

«»» ,г, cia ., ф"

« (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) 3C«««eieHQ 110779 (21) 2796086/18-,10

I с присоединением заявки М (51)М. Кл З

G L 21/10

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Г1риоритет—

Опубликовано 070681 Бюллетень Но 21 (53) "4 (ЬЗ1. 788 (088. 8) Дата опубликования описания 070681 г

«

Е.А.Карцев, И.В.Творогов и р.М.яхин г («,(:1 г F (72) Авторы изобретения

«

1:

«

« (71) Заявитель (54) тЕПЛОВОй МАНОМЕТР

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловым вакуумным манометрам.

Известные тепловые манометры состоят из нагревателя в виде ленты и термочувствительного элемента, например термопары, спай которой приварен к середине нагреваемой током лейты (1) .

Недостатком таких манометров является. низкая чувствительность, значительная погрешность измерения, трудность реализации дистанционной системы измерения из-за низкого уровня выходного сигнала термопары, не- 15 сущего полезную информацию.

Наиболее близким по технической . сущности к предлагаемому является тепловой манометр, содержащий датчик давления с нагревательным н термо- 20 чувствительным элементами, подсоединенный к измерительной схеме. В качестве термочувствительного элемента используется кварцевый элемент ««" -среза. В качестве нагревателя использует-2э ся металлическая дорожка, нанесенная по периферии кварцевого элемента.

Кварцевый элемент с нагревательным элементом конструктивно выполнен .в виде датчика, подсоединенного к 30

2 измерительной схеме,вгслючающей цепь задачи тока нагревательного элемента, усилитель с положительной обратной связью и измерительный прибор.

Кварцевый элемент подсоединен к усилителю с полсжительной обратной связью и используется в качестве частотозадающего элемента автогенератора. При изменении измеряемого давления изменяется температура нагревателя и кварцевого элемента, что приводит к изменению частоты автогенератора. Это изменение частоты выхоцного сигнала функционально связано с измеряемым давлением (2).

Недостатками теплового манометра этого типа является низкая точность измерения, поскольку термочувствительный кварцевый элемент . -среза в одинаковой мере реагирует как на изменение температуры нагревателя, так .и на изменение температуры окружающей среды, а также большая тепловая инерционность, поскольку масса кварцевого элемента значительно больше массы нагревательного элемента и для достижения теплового равновесия при. вновь установившемся значении измеряемого давления требу ется длительное время. Такой мано836538 метр нельзя использовать для измерения.относительно быстроизменяющихся давлений.

Целью изобретения является повышение точности измерения давления и уменьшение тепловой инерциончости манометра.

Эта.цель достигается тем, что в тепловом манометре, содержащем .датчик давления с размещенным в корпусе чувствительным элементом и измерительную схему, включающую токовую цепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источником постоянного напряжения, регулировочным сопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной связью и выходной измерительный прибор, в датчик давления введен кронштейн, закрепленный в корпусе, а чувствительный элемент выполнен в виде металлической струны, помещенной в воздуш- 20 ный зазор магнитной системы возбуждения ее колебаний, причем концы струны закреплены на стойках кронштейна и подключены ко входу усилителя, при этом токовая цепь нагрева включена параллельно входу усилителя и содержит последовательно включенный с источником постоянного напряжения дроссель.

С целью уменьшения температурной погрешности в манбметре датчик давления может быть снабжен дополнительной струной, идентичной первой, концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещена в воздушный зазор дополнительной магнитной системы возбуждения ее колебаний. При этом струны расположены симметрично относительно оси симметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель 40 и второй усилитель с положительной обратной связью, ко входу которого подсоединена дополнительная струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному изме- 45 рительному прибору, На фиг. 1 изображен датчик теплового манометра, разрез; на фиг. 2, 3 и 4 — сечения А-А, Б-Б, В-В„- на фиг. 5 — измерительная схема теплового манометра.

Датчик теплового манометра состоит из корпуса 1 (фиг.1), внутри которого на резьбовой шпильке 2 установлен кронштейн 3. На кронштейне 3 жестко закреплены стойки 4 и 5. На плоскости стойки 5 укреплена планка б. Торцы стойки 4 и планки б лежат в одной плоскости. Концы струны 7, имеющей, начальную упругую деформацию растяжения, закреплены на стойках 4 и 5, gQ кронштейна 3 посредством накладок

8 и 9. Струна 7 помещена в воздушный зазор магнитной системы возбуждения колебаний 10 (фиг. 2), жестко установленной на кронштейне 3. Конец 65 струны 7, закрепленный на стойке 4, электрически связан с корпусом 1 датчика. Для реализации струнного автогенератора с магнитоэлектрическим способом возбуждения автоколебаний второй конец струны 7 изолируется от корпуса 1 датчика посредством слюдяной прокладки 11 (фиг. 3) и слюдяных шайб 12. и 13, подложенных под головки. крепежных винтов 14, 15.

Металлические шайбы 16 и 17 служат для более равномерного распределения усилий, действующих на слюдяные шайбы 12 и 13 при затяжке винтов 14 и 15. Между телом винтов 14 и 15 и отверстиями в планке 6 имеется воздушный зазор. Винты 18 служат для поджатия накладок 8 и 9 при фиксации концов струны 7. Конец струны 7, изолированный от корпуса

1, присоединяется к электрическому гермовыводу 19 (фиг. 1). Электрический вывод второго конца струны 7 снимается с корпуса датчика. Корпус

1 закрывается крышкой 20.

Концы струны 7 подсоединяются к входным клеммам а и б электронного усилителя 21 с положительной обратной связью (фиг. 5). Мостовая схема, в одно из плеч которой включена струна

7, является частью входного каскада электронного усилителя 21. Параллельно входу а-б усилителя 21 подключена цепь. задачи .тока, обеспечивающего нагревание струны 7. Эта цепь состоит из последовательно включенных дросселя 0, стабилизированного ис точника постоянного напряжения U, переменного резистора Кр, измерительного сопротивления R, и амперметра

mA. Дроссель 0> необходим для того, чтобы избежать эффекта шунтирования струны 7.по переменному току (току подкачки) цепью задачи тока подогрева. Переменный резистор Rp обеспечивает регулировку тока нагрева струны

7. Ток нагрева может контролироваться или путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении

R c помощью компенсатора, либо цифрового вольтметра, или по стрелочному амперметру mA.

После балансировки моста путем изменения величины балансировочного сопротивления Rg и включения напряжения питания усилителя 21 струна 7 вместе с усилителем образует струнный автогенератор, частота которого определяется температурой струны 7.

Амплитуда колебаний струны 7 регулируется путем подбора величины тока положительной обратной связи за счет изменения сопротивления резистора

Ro . С выхода усилителя 21 электрический частотно-модулированный сигнал может быть подан на цифровой измерительный прибор 22 или аналоговый измерительный прибор 23. В качестве цифрового прибора 22 может

836538 быть использован любой стандартный .электронносчетный частотомер.

Тепловой манометр работает следующим образом.

Частота струнного автогенератора при нормальном атмосферном давлении в основном зависит от силы натяжения струны 7 и в первом приближении может быть определена выражением

1 Fg 1 ) Ь

2ЕО yS - 2Ео Р где f - начальная частота колебаний 35

О струнного автогенератора при нормальном атмосферном давлении (9,81 104 Па);

Го — сила продольного натяжения стРУны 7; 40 — напряжение растяжения в струне 7;

0p — длина струны 7;

S — площадь поперечного сечения струны 7; — плотность материала струны 7; 5

В соответствии с законом,Гука величина начальной упругой ) еформации струны 7

ЕО i 50 Е - начальная упругая деформация струны 7;

Š— модуль упругости второго рода материала струны 7.

Откуда: 55

Elf Е (3) е, С учетом (3) выражение (1) примет вид (2) 60

I (4)

24 у

После того, как по струне 7 будет пропущен постоянный ток t, струна 7 разогреется и ее температура t

При отсутствии тока разогрева частота струнного автогенератора определяется силой начального натяжения струны 7. После подачи тока разогрева от стабилизированного источника постоянного напряжения струна 7 нагревается и сила ее продольного натяжения уменьшается, что приводит к уменьшению частоты автогенератора. По мере уменьшения давления газообратной среды отвод тепла от струны 7 в окружающую среду эа счет теплопроводности 15 уменьшается и температура струны 7 возрастает. С ростом температуры уменьшается сила продольного натяжения струны 7 и частота струнного автогенератора..При неизменном на- " пряжении источника постоянного тока .разогрева частота струнного автогенератора будет одноэначн9 связана с измеряемым давлением функциональной зависимостью.

2S будет превышать температуру окружающей среды toK на величину, I

4 о = со о к (5)

Начальная упругая деформация струны 7 лЕ уменьшается на величинуi

t!î,с(. а о, (б) где d. — — температурный коэффициент линейного расширения материала струны 7.

Частота колебаний струнного автогенератора после включения тока разогрева с учетом уравнений (4) и (б)

01 е (7)

2ео

Изменением модуля упругости при изменении температуры струны 7 с точностью, вполне приемлемой для инженерных расчетов, пренебрегаем вследствие малости. ,Уравнение теплового. баланса струны 7, нагретой током с учетом того, что основная часть тепловой энергии рассеивается за счет теплопроводности газа, а теплопроводность через элементы преобразователя, а также за счет конвекции и лучеиспускания пренебрежимо мала, будет иметь вид

".<(С +СО)-Л q, (t -t ) ен где J — ток разогрева, текущий по струне 7;К вЂ” активное сопротивление струны 7;

1 - коэффициент теплопроводности газа, давление которого. измеряется) а — коэффициент, зависящий от геометрических размеров струны 7 и корпуса 1 датчика, t — текущее значение температуры

С струны 7

4 - внутренний диаметр корпуса

K.

1 датчика;

4 — диаметр струны 7.

Прй плотности газа, соответствующей области атмосферного давления, теплопроводность газа Х практически не зависит от его плотности, т.е. не зависит от изменения давления.

По мере уменьшения давления во внутренней полости датчика средняя длина свободного пробега молекул газа становится того же порядка, что и расстояние между струной 7 и стенками корпуса. 1 датчика. В этом случае теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул и зависит, главным образом, от давления газа (его плотности), а не от его температуры.

На основании вышесказанного можно считать, что в области относительно низких давлений коэффициент теплопро836538 водности функционально связан с измеряемым давлением

Л = .9 (p), (9) где Р— давление газа в корпусе 1 датчика.

Из выражения (8) с учетом (9) будем иметь д".- в

4. = с со р . (10)

В

Полагая в выражении (10) все вели- (p чины постоянными и обозначая их через

К, получим с - — -ф - ° (1x )

Уменьшение упругой деформации . струны 7, обусловленное уменьшением давления газа

Йр= î с(Ю, = ра ф- (12) t5

Частота струнного автогенератора а учетом возрастания температуры струны 7 при уменьшении измеряемого давления

20 для выбранных режимов с%О = const то

Поскольку

Ы у - с" у

ЗО

k, =41 I- = 1

М(Р) (14) f.gt(Kg 35 где Ка =,Ч

При рационально выбранных конструктивных параметрах датчика величина лежит. в диапазоне 0,1-0,3. )Представляя иррациональный сомно- 4О житель выражения (14) в виде ряда, получим

Ограничиваясь вторым членом разложения, определим приращение частоты струнного автогенератора в зависимости от измеряемого давления как разность между начальным значением частоты f „ и текущим значением f

I, 55

При точно известной функциональной зависимости и известных геометрических параметрах датчика функция преобразования такого теплового манометра может быть определена расчетным путем. Однако функциональная зависи- 60 мость для различных газов определяется обычно опытным путем с ограниченной точностью.

В связи с этим для работы с тепловыми манометрами на практике исполь- 65 зуются градуировочные характеристики.

В рассматриваемом случае это будет определенная опытным путем зависимость частоты струнного автогенератора от величины измеряемого давления.

На фиг. 6 изображен датчик теплового манометра с двумя струнами, разрез; на фиг. 7 - измерительная схема.

Датчик теплового манометра содержит дополнительную струну 24, помещенную в воздушный зазор дополнительной магнитной системы 25 возбуждения ее колебаний. Струны 7 и 24 расположены симметрично относительно оси симметрии корпуса 1 датчика.

Дополнительная струна 24 (термо-.компенсационная) подключается ко входу а б электронного усилителя 26 с положительной обратной .связью и совместно с ним образует второй автогенератор (фиг. 7). В отличии от пер- вого автогенератора (струна 7 и усилитель 21)по струне 24 ток разогрева .не пропускается и частота автогенератора определяется только температурой окружающей среды и температурными коэффициентами линейного расширения материалов струны 24 и кронштейна 3.

Выходы усилителей 21 и 26 соединены со входами смесителя частот 27.

Выход смесителя 27 подключен ко входам аналогового 28 и цифрового 29 измерительных. приборов., измеряющих ,раэностную частоту, выделяемую смесителем 27.

При работе в режиме измерения отношения частот сигналы с точек в и г измерительной схемы (фиг. 7) могут быть поданы на входы A и Б стандартного цифрового электронносчетного частотомера 30 любого типа.

Тепловой манометр работает следующим образом.

При давлении 9,81 ° 104 Па (760 мм рт.ст.) и токе нагрева, пропускаемом через одну из струн, частоты автогенераторов fg и f0< равны, т.е. f = f0 . На выходе смесителя 27 разностная частота Ы = f0> -. равна нулю. При уменьшении давления газа в корпусе 1 преобразователя струна 7, по которой пропущен ток нагрева, увеличит свою температуру, по скольку теплопроводность разреженного газа уменьшается. Увеличение тем« пературы струны 7 приводит к уменьшению величины ее упругой деформации и к уменьшению частоты струнного автогенератора до значения f„ . Разность частот на выходе смесителя - f02 - f< = о - 1„ будет Функционально связана с измеряемым давлением.

Вследствие Наличия разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов кронштейна 3

836538 и струн 7 и 24 при изменении температуры окружающей среды изменяются и частоты струнных автогенераторов.

Но поскольку эти изменения будут одинаковыми, то на выходе смесителя 27 температурная погрешность нуля теплового манометра будет .скомпенсирована, что снижает суммарное значение температурной погрешности примерно на порядок.

По аналогии с вышеизложенным происходит компенсация температурной погрешности и при работе измерительной схемы в режиме измерения отношения частот струнных автогенераторов.

Струна 7, выполняющая роль нагревательного и термочувствительного элемента, при отсутствии тока нагрева имеет такую начальную упругую деформацию растя:жения, чтобы частота ее собственных поперечных колебаний при нормальном атмосферном давлении (9,81 104 tla) была бы выше частоты собственных поперечных колебаний термокомпенсационной струны 24 f, т.е.

0. 02. °

При протекании номинального тока нагрева частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 уменьшится до величины Га за счет появления температурных деформаций, умень- 30 шающих величину начальной упругой деформации. При этом можно обеспечить равенство частот колебаний обеих струн

<оз..

Частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 может быть определена в соответствии с известным уравнением 40

Е(аЕа- Е, E. лЕа„

У вЂ”вЂ” — — its)

"ло УЕ, 24 Уе, где 80 - длина струны; плотность. материала струны; 45

Š— модуль упругости материала струны; начальная упругая деформа1 ция струны, соответствующая частоте 50 фŠ— температурная деформация струны, обусловленная протекающим по ней током разогрева.

Соответственно частота собственных 55 поперечных колебаний второй термокомпенсационной струны 24 — (19)

ХЕо а ьо где а 1д — начальная упругая деформа ция струны 24..

Для выполнения равенства (17). необходимо, чтобы

Ыр, ь Еа .. 65

В рассматриваемой конструкции геометрические размеры обеих струн

7 и 24 материалы,. из которых они изготовлены, одинаковы. Строго говоря, значение модуля упругости в выражении (18) будет несколько меньше, чем в выражении (19), вследствие того, что температура первой струны 7 выше. Однако вследствие малости этого различия, изменениеммодуля упругости при изменении температуры первой струны 7 будут пренебрегать. Такое допущение для инженерных расчетов в рассматриваемом случае вполне допустимо.

При точно известной функциональной зависимости и известных геометрических параметрах датчика функция преобразования такого теплового мансмстра может быть определсна рас етньтм путем. Но поскольку а. апитические зависимости 7 = Ч(Р) значительно отличают-. ся от экспериментальных, то на практике,.с целью, повышения точности измерений давлений, используются градуировочные характеристики.

В рассматриваемом случае это будет экспериментальная зависимость разности (отношения) частот двух струнных автогенераторов, полученная на выходе смесителя, от измеряемого . давления .

В качестве цифрового измерительного прибора в предложенном тепловом манометре может быть. использован стандартный электронно-счетный часто томер любого типа, а в качестве аналогового измерительного прибора любой конденсаторный частотомер со стрелочным показывающим прибором.

Принцип температурной компенсации заключается в следующем.

При изменении температуры окружающей среды меняется температура корпуса 1 датчика. По истечении некоторого времени изменится и температура кронштейна 3 и струн 7 и 24. При идеальном равенстве температурных коэффициентов линейного расширения материалов кронштейна 3 и струн 7 и 24 изменения частоты струнных автогенераторов не произойдет и погрешность измерения давления вследствие изменения температуры корпуса 1 практически будет отсутствовать.

Однако на практике всегда будет существовать некоторая разница в температурных коэффициентах линейного расширения материалов струн 7 и 24 и кронштейна 3. В этом случае изменение температуры корпуса 1, кронштейна 3 и струн 7 и 24, обусловленное изменением температуры окружающей среды, приведет к изменению частот струнных автогенераторов.

Допустим, что при изменении темпе.ратуры частота первого струнного авто-. .генератора также изменилась и в соот836538

Формула изобретения

40 ветствии с (15) ее значение можно записать в виде

kg ) 1е-(о1 -ь )(в )=(4. -е4) ,)) до„ д,) Если величина измеряемого давления оценивалась бы по частоте первой струны 7, то как видно из(14), погрешность измерения складывалась бы из погрешности нуля p pe и погрешности чувствительности ь йчьиу ЕГЬ .

При этом, поскольку максимальное значение величины -Щ;не превышает значений,0,05-0,15, то максимальное значение погрешности чувствительности в

7-20 раз меньше погрешности нуля, Следовательно, если бы .имелась возможность скомпенсировать температурную погрешность нуля, то суммарную по- 20 грешность измерения, обусловленную изменением температуры окружающей среды, удалось бы уменьшить в 7-20 раз.

Для этой цели в конструкцию тепло-. вого манометра и введена термокомпенсационная струна. 24. Поскольку она изготовлена из того же материала, что и первая (нагреваемая током) струна 7

/ то при изменении температуры окружающей среды, и как следствие, температуры корпуса 1 датчика, кронштейна 3 и самой струны 24, частота второго автогенератора изменится на ту же величину afy и будет равна 35

1021= fpi 1- д к+ (21.)

Тогда в соответствии с выражением (16) разность частот струн 7 и 24 на выходе смесителя 27 определится вычитанием выражения (14) из (15), т.е.

ky

Д = ОХ т =РО1*д -() (Иа Д „)-2 —,„..Р) Х

x Ð + i )= f т -дХ,„, (») 01 + () ю йт() или . ду <(q +д f ) (Q(9)) . (ЙЗ) I

Из последних двух выражений следует, что введение термокомпенсационной струны 24 позволяет полностью исключить температурную погрешность нуля дЕ . Это снижает суммарное значение температурной погрешности с трунного теплового манометра, в за60

ВНсНМосТН от выбранных конструкционных параметров датчика, в 7-20 раз.

В случае работы измерительной схемы в режиме измерения отношения .частот двух струнных автогенераторов, при соответствующем выборе начальных частот струн fp< и fp< можно получить аналоговый эффект уменьшения температурной погрешности.

1. Тепловой манометр, содержащий датчик давления с размещенным в корпусе чувствительным элементом .и измерительную схему, включающую в себя токовую цепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источником постоянного напряжения, регулировочным сопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной связью и выходнОй измерительный прибор, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения давления и уменьшения тепловой инерционности, в датчик давления введен кронштейн, закрепленный в корпусе, а чувствительный элемент выполнен в виде металлической струны, помещенной в воздушный зазор магнитной системы возбуждения ее колебаний, . причем концы струны закреплены на стойках кронштейна и подключены ко входу усилителя, при этом токовая цепь нагрева включена параллельно входу усилителя и содержит последовательно включенный с источником постоянного напряжения дроссель.

2. Тепловой манометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, датчик давления снабжен дополнительной магнитной системой возбуждения колебаний и дополнительной струной, идентичной первой, концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещена в воздушный зазор дополнительной магнитной системы возбуждения колебаний, при этом струны расположены симметрично относительно оси.симметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель и второй усилитель с положительной обратной связью, ко входу которого подсоединена дополнительная струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Турицин A.M.. и др. Электрические измерения неэлектрических величин.,. Л.; "Энергия", 1975, с. 360.

2. Авторское свидетельство СССР .9 513283, кл. G 01 L 21/10, 1974 (прототип). 836538

Составитель О. Полев

Техред 8. Келушак . Корректор О. Билак

Редактор О. Филиппова

Ю

Заказ 3102/32 Тираж 907 Подписное

BHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал GIIH "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4