RU2139508C1

RU2139508C1 - Pressure testing device

Info

Publication number: RU2139508C1
Application number: RU98124086A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Фролов; Н.В. Суслов
Original assignee: Экспериментальная биофабрика
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 1999-10-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention can be used to test pressure ( excessive, absolute, expansion, pressure differential ) of neutral and corrosive media. Proposed device includes measurement generator in which measurement tuning fork quartz vibrator is driven, reference generator in which reference tuning fork quartz vibrator is driven. Both vibrators are located in sealed bellows filled with inert gas. Device also has units multiplying frequencies of measurement and reference generators by n times, circuit isolating difference frequency made in the form of CD flip-flop and indicator of difference frequency made in the form of frequency-to-voltage converter with analog indicator which numbered scale carries segments corresponding to critical values of pressure. Such design of device provides for graphical visual indication of measured pressure with keeping of good operational characteristics. EFFECT: graphical visual indication of measured pressure with keeping of good operational characteristics. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, может быть использовано для контроля давления (избыточного, абсолютного, разрежения, разности давлений) нейтральных и агрессивных сред. The invention relates to measuring equipment, in particular, can be used to control the pressure (excess, absolute, vacuum, pressure difference) of neutral and aggressive environments.

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). Widely known devices in which pressure control is carried out using various primary measuring transformations (sensors): capacitive, strain gauge, piezoelectric, etc. (magazine "Devices and control systems" N 10, 1990, - M .: Mechanical Engineering, pp. 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. The disadvantage of the pressure control device using these sensors is the relatively low stability and reproducibility of the characteristics, the influence of spurious impedances, the difficulty of linearizing the conversion function and the strong influence of the ambient temperature on the measurement result.

Известны измерительные устройства с пьезокварцевыми датчиками (Малов В. А. Пьезорезонансные датчики. - 2 изд. -М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 61), значительно превосходящими по стабильности указанные аналоги. Known measuring devices with piezoelectric quartz sensors (Malov V. A. Piezoresonant sensors. - 2nd ed., Moscow: Energoatomizdat, 1987, p. 61), significantly superior in stability to these analogues.

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). However, the production of such sensors requires even higher technologies and the use of expensive materials, which leads to the high cost of both primary measurement transformations (about $ 50) and the pressure monitoring device themselves (about $ 250).

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. The closest to the proposed technical solution is a device using the pressure sensor on a tuning fork quartz resonator described in the same source (p. 202 - 203) with a typical switching circuit shown in the same source (p. 91) and using a sealed quartz resonator as a reference .

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). The disadvantage of this device is that it is implemented in the form of an experimental sample without sufficient design and experimental studies. In addition, the proposed physical model of the pressure sensor on a tuning fork quartz resonator in the form of a spherical emitter in an infinite volume is inadequate and can mislead potential developers of measuring devices based on such pressure sensors, since according to the measurement data, the resonator is in a 2 mm diameter casing with a length 6 mm with a hole for communication with the surrounding gas environment, which clearly does not correspond to the proposed physical model, in the measurement range from 0 to 400 mm Hg (0 - 0.5 ati) is characterized by almost perfect linearity. The convergence of the results of 200 measurements of a device with such a sensor and measurements with an exemplary pressure gauge has a correlation coefficient of 0.99995. This very important circumstance allows us to use a standard clock tuning fork quartz resonator, such as RK 206 or the like, as such a sensor, having made only a slight "refinement" - its depressurization. The cost of such a sensor at current prices for watch resonators will not exceed $ 0.05 (5 cents).

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.The objective of the invention within the framework of a single inventive concept is to create a simple and reliable means of measuring pressure with a visual indication of pressure and improved performance; the possibility of operation in a wide range of ambient temperatures (from minus 40 ^o C to plus 60 ^o C), small dimensions, efficiency, the possibility of autonomous power supply.

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. The specified technical result is achieved by the fact that the device contains a measuring piezoelectric crystal transducer, a measuring generator, a reference piezoelectric transducer, a reference generator, while the measuring and supporting piezoelectric transducers are placed in sealed bellows filled with inert gas, the nodes of the frequency multiplier generators n times, made in the form oscillators with phase-locked loop frequency using the dividers by n in the loop auto-loop, the node for subtracting the products of frequencies, you olnenny as a CD-flop, an analog frequency, the transducer configured as a frequency - voltage with dial gauge, on which the digitized scale marked segments corresponding to the critical pressure values.

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. This extremely simple means allows you to create a device that has the accuracy of the same order as when using electronic counting frequency meters, but the level of visual clarity of the display is significantly superior to a device with digital display. In addition, when implementing this set of features, it is possible to use the invention in objects of a different type, for example, in measuring devices with low-frequency piezoelectric sensors (thermometers, flow meters, hydrometers, etc.); for this it is enough to install the corresponding piezoelectric crystal sensor in the measuring generator, the corresponding model resonator in the reference generator, and calibrate the indicator scale in the appropriate dimensional units.

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. The drawing shows a diagram of the device. The device comprises a measuring generator 1, in which a measuring tuning fork quartz resonator 2 is excited, placed in a bellows 3, a reference generator 4, in which a supporting tuning fork quartz crystal resonator 5 is excited, placed in a bellows 6, while the bellows 3, 6 are filled with inert gas, and measuring and reference resonators 2, 5 are leaky, the device further contains frequency multipliers n times 7, 8, a frequency subtraction unit 9, made in the form of a CD trigger, the inputs of which are connected to the outputs of the multipliers 7, 8, and the output to the output to an analog frequency meter, made in the form of a frequency-voltage converter 10, to the output of which the first input of the dial indicator 11 is connected, on the digitized scale of which segments corresponding to critical pressure values are applied, the indicator 11 is connected through an adjustable additional resistor 12 to an adjustable balancing resistor 13 .

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. When the device is turned on, the measuring tuning fork quartz resonator 2, placed in the bellows 3, is excited in the generator 1 at a frequency of a sequential resonance, and the reference tuning fork quartz resonator 5, placed in the bellows 6, having a frequency of the serial resonance corresponding to the lower boundary of the measured pressure, is excited in the generator 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.Alternating voltages from generators with frequencies f and f ₀ are supplied to frequency multipliers 7, 8, from the outputs of which, after multiplying the frequency by n times, to the frequency subtraction unit 9, from the output of which the difference frequency n (ff ₀ ) is fed to the input of the frequency converter - voltage "10, the output voltage of which is proportional to the difference frequency n (ff ₀ ), is recorded by indicator 11, the digitized scale of which is divided into segments corresponding to critical pressure values, the indicator arrow, deviating from this, indicates a numerical value and with Segment of controlled mode. Using an adjustable balancing resistor 13, the indicator needle is set to the beginning of the scale, and using an adjustable additional resistor 12, the required control range is set so that the indicator arrow at the maximum deviation corresponds to the end of the scale.

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 1•10^-6 на одно деление индикатора.The advantage of the proposed device is that a device having accuracy of the same order as when using electronically counted frequency meters significantly exceeds the latter in terms of visual clarity of indication. With a multiplication factor of n = 10 (frequency multiplication nodes), the resolution of the device has a value of the order of 1 • 10 ^-6 per indicator division.

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. Developed on the basis of this technical solution, a pressure gauge with directional display provides a visual indication of overpressure in the range from 0 to 0.5 ati (and higher), as well as vacuum from 0 to 0.5 atm with a resolution of 0.01 at division, which allows you to use it for technical purposes in many areas of industry and the national economy, in particular: fuel and energy, chemical and food industries, in medicine, construction, agriculture, etc.

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. The most promising is the use of a device to control the level (volume or mass) of liquids in containers, tanks, cisterns, tanks, etc. with a liquid column height of 2 to 5 meters.

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 = ρgh(V = Sh, m = ρSh) 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%.Moreover, if the tank is located vertically and has the same cross-section (in height), then the dependence of the level (volume or mass) of the liquid on pressure is expressed by a simple linear dependence P = ρgh (V = Sh, m = ρSh) and the scale of the device can be calibrated in units level (volume or mass). This dependence looks more complicated for a cylindrical tank located on its side, since the explicitly nonlinear expression of the form

However, even in this case, at 80% of the middle part of the graph, the function lends itself to linear approximation with an error of no more than 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). This circumstance allows us to consider the possibility of using a device for equipping a rolling fleet of railway and automobile tanks with piezoelectric pressure sensors, which will make it possible to easily control the level of liquids in them (volume or mass).

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. Upon reaching the level of unification that has long been achieved in the production of electronic quartz watches, one measuring (indicator) unit can be used to monitor hundreds and thousands of tanks equipped with such sensors.

Claims

A pressure monitoring device comprising a measuring piezoelectric crystal transducer, a measuring generator, a reference piezoelectric crystal transducer, a reference generator, n times multiplying frequency units of the measuring and reference generators, a differential frequency allocation circuit and a differential frequency indication unit, characterized in that the measuring and supporting piezoelectric transducers placed in sealed bellows filled with inert gas, the differential frequency allocation circuit is made in the form of a CD trigger, the inputs of which connected to the outputs of the multipliers, and the output to the input of the display unit, made in the form of a frequency-voltage converter, the output of which is connected to the first input of the analog indicator, the digitized scale of which is marked with segments corresponding to critical pressure values, and the second input of the indicator through an adjustable additional resistor connected to an adjustable balancing resistor.