устройство для контроля давления

Формула изобретения

Устройство для контроля давления, содержащее измерительный пьезокварцевый преобразователь, измерительный генератор, опорный пьезокварцевый преобразователь, опорный генератор, узлы умножения частот измерительного и опорного генераторов в n раз, схему выделения разностной частоты и узел индикации разностной частоты, отличающееся тем, что измерительный и опорный пьезокварцевые преобразователи размещены в герметичных сильфонах, заполненных инертным газом, схема выделения разностной частоты выполнена в виде CD-триггера, входы которого подключены к выходам умножителей, а выход - к входу узла индикации, выполненного в виде преобразователя частота - напряжение, к выходу которого подключен первый вход аналогового индикатора, на оцифрованную шкалу которого нанесены сегменты, соответствующие критическим значениям давления, а второй вход индикатора через регулируемый добавочный резистор подключен к регулируемому балансировочному резистору.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, может быть использовано для контроля давления (избыточного, абсолютного, разрежения, разности давлений) нейтральных и агрессивных сред.

Широко известны устройства, в которых контроль давления осуществляется с помощью различных первичных измерительных преобразований (датчиков): емкостных, тензорезисторных, пьезоэлектрических и т.п. (журнал "Приборы и системы управления" N 10, 1990, - М.: Машиностроение, с. 6- 12).

Недостатком устройства контроля давления с применением указанных датчиков является относительно низкая стабильность и воспроизводимость характеристик, влияние паразитных импедансов, трудность линеаризации функции преобразования и сильное влияние температуры окружающей среды на результат измерения.

Известны измерительные устройства с пьезокварцевыми датчиками (Малов В. А. Пьезорезонансные датчики. - 2 изд. -М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 61), значительно превосходящими по стабильности указанные аналоги.

Однако производство таких датчиков требует еще более высоких технологий и применения дорогостоящих материалов, что приводит к высокой стоимости как первичных измерительных преобразований (порядка 50 долларов), так и самих устройство контроля давления (порядка 250 долларов).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство с использованием описанного в том же источнике (с. 202 - 203) датчика давления на камертонном кварцевом резонаторе с типовой схемой включения, приведенной там же (с. 91), и использованием в качестве опорного герметизированного кварцевого резонатора.

Недостатком указанного устройства является то, что оно реализовано в виде экспериментального образца без достаточной конструкторской проработки и экспериментальных исследований. Кроме того, предложенная физическая модель датчика давления на камертонном кварцевом резонаторе в виде сферического излучателя в бесконечном объеме неадекватна и может ввести в заблуждение потенциальных разработчиков измерительных устройств на основе таких датчиков давления, так как по измерительным данным резонатор, находящийся в кожухе диаметром 2 мм при длине 6 мм с отверстием для связи с окружающей газовой средой, что явно не соответствует предложенной физической модели, в диапазоне измерения от 0 до 400 мм рт.ст. (0 - 0,5 ати) характеризуется практически идеальной линейностью. Сходимость результатов 200 измерений устройства с таким датчиком и измерений образцовым манометром имеет коэффициент корреляции 0,99995. Это очень важное обстоятельство позволяет использовать в качестве такого датчика стандартный часовой камертонный кварцевый резонатор, например РК 206 или ему подобный, произведя лишь незначительную "доработку" - его разгерметизацию. Стоимость такого датчика при существующих ценах на часовые резонаторы не превысит 0,05 долларов (5 центов).

Задачей изобретения в пределах единого изобретательского замысла является создание простого и надежного средства измерения давления с наглядной индикацией давления и улучшенными эксплуатационными характеристиками; возможностью эксплуатации в широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 40^oC до плюс 60^oC), малые габариты, экономичность, возможность автономного питания.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит измерительный пьезокварцевый преобразователь, измерительный генератор, опорный пьезокварцевый преобразователь, опорный генератор, при этом измерительный и опорный пьезокварцевые преобразователи размещены в герметичных сильфонах, заполненных инертным газом, узлы умножения частот генераторов в n раз, выполненные в виде автогенераторов с фазовой автоподстройкой частоты с использованием в цепи автоподстройки делителей на n, узел вычитания произведений частот, выполненный в виде CD-триггера, аналоговый частотомер, выполненный в виде преобразователя частота - напряжение, со стрелочным индикатором, на оцифрованную шкалу которого нанесены сегменты, соответствующие критическим значениям давления.

Это предельно простыми средствами позволяет создать устройство, имеющее точность того же порядка, что и при использовании электронно-счетных частотомеров, но по уровню визуальной наглядности индикации значительно превосходящее устройства с цифровой индикацией. Кроме того, при реализации указанной совокупности признаков возможно использование изобретения и в объектах иного вида, например в измерительных устройствах с низкочастотными пьезокварцевыми датчиками (термометрах, расходомерах, гидрометрах и т.п.); для этого достаточно установить в измерительном генераторе соответствующий пьезокварцевый датчик, в опорном генераторе - соответствующий образцовый резонатор, а шкалу индикатора проградуировать в соответствующих размерных единицах.

На чертеже представлена схема устройства. Устройство содержит измерительный генератор 1, в котором возбуждается измерительный камертонный кварцевый резонатор 2, помещенный в сильфон 3, опорный генератор 4, в котором возбуждается опорный камертонный кварцевый резонатор 5, помещенный в сильфон 6, при этом сильфоны 3, 6, заполнены инертным газом, а измерительный и опорный резонаторы 2, 5 выполнены негерметичными, далее устройство содержит умножители частоты в n раз 7, 8, узел вычитания частот 9, выполненный в виде CD-триггера, входы которого подключены к выходам умножителей 7, 8, а выход - к выходу аналогового частотомера, выполненного в виде преобразователя "частота - напряжение" 10, к выходу которого подключен первый вход стрелочного индикатора 11, на оцифрованную шкалу которого нанесены сегменты, соответствующие критическим значениям давления, индикатор 11 через регулируемый добавочный резистор 12 подключен к регулируемому балансировочному резистору 13.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства измерительный камертонный кварцевый резонатор 2, помещенный в сильфон 3, возбуждается в генераторе 1 на частоте последовательного резонанса, а опорный камертонный кварцевый резонатор 5, помещенный в сильфон 6, имеющий частоту последовательного резонанса, соответствующую нижней границе измеряемого давления, возбуждается в генераторе 4.

Переменные напряжения с генераторов с частотами f и f₀ поступают на умножители частоты 7, 8, с выходов которых после умножения частоты в n раз - на узел вычитания частот 9, с выхода которого разностная частота n (f-f₀) поступает на вход преобразователя "частота - напряжение" 10, выходное напряжение которого, пропорциональное разностной частоте n (f-f₀), регистрируется индикатором 11, оцифрованная шкала которого разбита на сегменты, соответствующие критическим значениям давления, стрелка индикатора, отклоняясь при этом, указывает числовое значение и сегмент контролируемого режима. С помощью регулируемого балансировочного резистора 13 стрелка индикатора устанавливается на начало шкалы, а с помощью регулируемого добавочного резистора 12 устанавливается необходимый диапазон контроля так, чтобы показание стрелки индикатора при максимальном отклонении соответствовало концу шкалы.

Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что устройство, имеющее точность того же порядка, что и при использовании электронно-счетных частотомеров, по уровню визуальной наглядности индикации значительно превосходит последние. При коэффициенте умножения n=10 (узлов умножения частоты) разрешающая способность устройства имеет величину порядка 110^-6 на одно деление индикатора.

Разработанный на основе данного технического решения манометр со стрелочной индикацией обеспечивает наглядную индикацию избыточного давления в диапазоне от 0 до 0,5 ати (и выше), а также разрежения от 0 до 0,5 ат с разрещающей способностью 0,01 ат на деление, что позволяет использовать его для технических целей во многих областях промышленности и народного хозяйства, в частности: топливно-энергетической, химической и пищевой промышленности, в медицине, строительстве, сельском хозяйстве и т.п.

Наиболее перспективным является применение устройства для контроля уровня (объема или массы) жидкостей в емкостях, резервуарах, цистернах, баках и т.п. с высотой столба жидкости от 2 до 5 метров.

При этом если резервуар расположен вертикально и имеет одинаковое (по высоте) сечение, то зависимость уровня (объема или массы) жидкости от давления выражается простой линейной зависимостью P = gh(V = Sh, m = Sh) и шкала прибора может быть проградуирована в единицах уровня (объема или массы). Сложнее эта зависимость выглядит для цилиндрической емкости, расположенной на боку, так как в формулу зависимости объема и массы от давления входит явно нелинейное выражение вида



Однако и в этом случае на 80% средней части графика функция поддается линейной аппроксимации с погрешностью не более 2%.

Данное обстоятельство позволяет рассмотреть возможность применения устройства для оборудования подвижного парка железнодорожных и автомобильных цистерн пьезокварцевыми датчиками давления, что даст возможность легко контролировать в них уровень жидкостей (объем или массу).

При достижении уровня унификации, давно достигнутого в производстве электронных кварцевых часов, один измерительный (индикаторный) блок может использоваться для контроля сотен и тысяч цистерн, оборудованных такими датчиками.