SU1144011A1

SU1144011A1 - Method and device for measuring hydrostatic pressure

Info

Publication number: SU1144011A1
Application number: SU833659059A
Authority: SU
Inventors: Юрий Степанович Ильиных; Семар Сетович Секоян
Original assignee: Предприятие П/Я Г-4126
Priority date: 1983-11-04
Filing date: 1983-11-04
Publication date: 1985-03-07

Abstract

1. Способ измерени гидростатического давлени путем помещени в среду составного резонатора, содержащего твердотельный звукопровод с двум пьезопреобразовател ми на торцах, возбуждени в нем ультразвуковых колебаний и определени скорости звука, по величине которой суд т о давлении, отличающийс ,, тем, что, с целью повышени точности за счет уменьшени вли ни поглощени энергии в звукопроводе и среде на результаты измерений., в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебани , а величину скорости звука определ ют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний, наход щихс в диапазоне 20 п 50, где п - но (Л мер гармоники механического резонанса в звукопроводе. ff - Unp ff1. A method for measuring the hydrostatic pressure by placing into the medium a composite resonator containing a solid-state acoustic duct with two piezoelectric transducers on the ends, exciting ultrasonic vibrations in it and determining the speed of sound, judged by the value of increasing the accuracy by reducing the effect of energy absorption in the duct and medium on the measurement results., continuous ultrasonic vibrations are excited in the duct, and the magnitude of the velocity of sound is determined by changing the frequency of one of the harmonics of its mechanical vibrations, which are in the range of 20 p 50, where p - but (L measures the harmonic of the mechanical resonance in the acoustic duct. ff - Unp ff

Description

7777777777

ТТтТТTTTTT

Г/ТГG / TG

Фиг. 1FIG. one

2. Устройство измерени гидростатического давлени , содержащее резонатор , состо щий из механически последовательно соединенных излучател ,, твердотельного звукопровода и приемника и подключенньй электрически входом излучател к выходу генератора высокойчастоты, и входу частотомера, а выходом приемника к входу усилител высокой частоты, отличающеес тем, что в него дополнительно введен блок2. A hydrostatic pressure measurement device containing a resonator consisting of a mechanically series-connected radiator, a solid-state acoustic duct and a receiver, and an electrically connected radiator input to the output of a high-frequency generator, and an input of a frequency meter, and a receiver output to an input of a high-frequency amplifier, characterized in that a block is added to it

11eleven

подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последовательно соединенные амплитудный детектор , входом подключенный к выходу усилител высокой частоты, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, выходом подключенный к генератору низкой частоты и второму входу фазового детектора, при этом генератор высокой частоты выполнен управл емым и его вход подключен к вькоду интегратора.frequency control comprising a low-frequency generator and series-connected amplitude detector, an input connected to the output of a high-frequency amplifier, a low-frequency amplifier, a phase detector and an integrator, an output connected to a low-frequency generator and the second input of the phase detector, while the high-frequency generator is controlled and its input is connected to the integrator code.

Изобретение относитс к контрольно-измерительной технике и предназна чено дл измерени высоких гидростатических давлений от 0,1 ГПа до 3,0 ГПа в средах, обладающих электропроводностью или наход щихс при повышенных температурах.The invention relates to instrumentation engineering and is intended to measure high hydrostatic pressures from 0.1 GPa to 3.0 GPa in media that have electrical conductivity or are at elevated temperatures.

Известен способ измерени гидростатического давлени , заключающийс в измерении изменени сопротивлени манганинавой пров,олоки от давлени DJ There is a known method for measuring hydrostatic pressure, which consists in measuring the change in the resistance of a manganine wire, of a wire as a function of pressure DJ.

Недостатком этого способа вл етс ограниченна область применени ограниченна только неэлектропроводными средами/. Кроме того, он характеризуетс низкой точностью при повышенных температурах в св зи с высоким коэффициентом температурного сопротивлени манганина.The disadvantage of this method is the limited scope limited only to non-conductive media. In addition, it is characterized by low accuracy at elevated temperatures due to the high coefficient of temperature resistance of manganin.

Наиболее близким к изобретению ,по технической сущности вл етс импуЛьспо-фазовый способ измерени гидростатического давлени путем помещени в среду составного резонатора, содержащего твердотельньй звукопровод с двум .пьезопреобразовател ми на торцах, возбуждени в нем ультразвуковых колебаний и определени скорости звука, по величине которой суд т о давлении 2 .The closest to the invention, by its technical nature, is an impulse-phase method for measuring hydrostatic pressure by placing into the medium a composite resonator containing a solid-state acoustic conductor with two piezoelectric transducers on the ends, excitation of ultrasonic oscillations in it and determining the speed of sound, according to its magnitude about pressure 2.

Недостатком этого способа вл етс больша методическа погрешность, обусловленна , невозможностью полностью скомпенсировать основной и дважды отраженньй ультразвуковые импульсы из-за поглощени в среде и шумов радиоаппаратуры. Кроме того.The disadvantage of this method is the large methodological error due to the inability to fully compensate for the main and twice reflected ultrasonic pulses due to absorption in the medium and noise of radio equipment. Besides.

низка точность этого способа обусловлена небольшим соотношением сигнал/шум вследствие того, что ультразвуковые импульсы имеют широкий спектр частот.the low accuracy of this method is due to the small signal-to-noise ratio due to the fact that ultrasonic pulses have a wide range of frequencies.

Целью изобретени вл етс повышение точности за счет уменьшени вли ни поглощени энергии в звукопроводе и среде на результаты измрений .The aim of the invention is to improve the accuracy by reducing the effect of energy absorption in the duct and medium on the measurement results.

Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу измерени гидростатического давлени путем помещени в среду составного резонатора , содержащего твердотельный звукопровод с двум пьезопреобразовател ми на торцах, возбуждени в нем ультразвуковых колебаний и определени скорости звука, в звукопроводбThe goal is achieved by the method of measuring the hydrostatic pressure by placing into the medium a composite resonator containing a solid-state acoustic conductor with two piezo transducers on the ends, exciting ultrasonic vibrations in it and determining the speed of sound in the acoustic conductor

возбуждают непрерывные ультразвуковые колебани , а величину скорости звука определ ют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний., наход щихс в диапазоне 20 п ; 50, где п - номер гармоники механического резонанса-в звукопроводе.excites continuous ultrasonic oscillations, and the magnitude of the speed of sound is determined by changing the frequency of one of the harmonics of its mechanical oscillations in the range of 20 p; 50, where n is the harmonic number of the mechanical resonance-in the core.

Поставленна цель достигаетс The goal is achieved

тем, что в устройство измерени гидростатического давлени , содержащее резонатор, состо щий из механически последовательно соединенных излучател , твердотельного звукопровода и приемника и подключенный электрически входом излучател к выходу генератора высокой частоты и входу частотомера, а выходом приемника - к входу усилител высокой 3t частоты, дополнительно введен блок подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последователь но соединенные амплитудньм детектор, входом подключенный к выходу усилител высокой частоты, усилитель низкой частоты,.фазовьй детектор и интегратор , выходом подключенный к генератору низкой частоты и второму входу фазового детектора, при этом ю где генератор высокой частоты выполнен управл емым и его вход подключен к выходу интегратора. На фиг. 1 изображен составной резонатор при возбуждении в нем непрерывньк ультразвуковых колебанийi на фиг. 2 - эпюры выходных сигналов, возникающих в приемнике резонатора на фиг. 3 - блок-схема устройства дл осуществлени способа измерени гидростатического давлени . На излучатель 1 составного резонатора (фиг.1) подаетс переменное электрическое напр жение, при этом в звукопроводе 2 возникают ультразв ковые колебани . При частотах, соот ветствующих резонансным и определ е мым дл такого составного резонатора по формуле , где С скорость звука в звукопроводе 2, t - длина звукопровода 2, п - номер гармоники механического резонанса звукопровода 2, наблюдаетс макси; мум электрического сигнала на при; емнике 3. Резонансные кривые дл основной (или первой гармоники) и .дл п-и гармоники изображены на фиг. 2. Точность определени резо нансной частоты резонатора ограни;чиваетс шумами приемной аппаратуры и зависит от добротности резонатора Добротность резонатора, колеблющегос в в зкой среде, определ етс формулой Q Ер/Е„, где Ео - колебательна энерги , запасенна в резонаторе , Е( - энерги , тер ема i за период на излучение в среду и . трение в креплении резонатора. Увеличение номера рабочей гармоники ре зонатора позвол ет уменьшить потери так как при этом уменьшаетс амплитуда его механических колебаний, : что приводит к уменьщению потерь на внешнее трение и трение в крепле НИИ резонатора. Погрешность измерени давлени меньше 0,3% достигаетс при работе на гармрниках, имеющих 144011 доб не етс рез с НИК 4 ость Q 7 500 во всем диапазор емых давлений, что, выполн и о 20. При этом добротности ора и пор дковый номер гармо заны соотношением (pcV импеданс материала звукопровода импеданс измер емой среды коэффициент пропорциональности , значение которого дл передающих давление жидких сред лежит в интервале 0,5 1/кбар 1 ,5 1/кбар« . давление в среде, номер гармоники механического резонанса резонатора. Ограничение п 50 обусловлено поглощением ультазвука в материале звукопровода 2, которое растет про-; порционально i . При П 50 поглощение настолько возрастает, что сигнал на приемнике 3 становитс сравним с аппаратуры. Давление в среде определ ют по изменению резонансной частоты по формуле „ а ,.ц --,. „|t;-t; „, Р-7; К1г1--7ГР1тГ1 i резонансна частота, соответствующа п-ой гар- д монике под давлением; if, - резонансна частота t -ой гармоники при атмосферном давлении; - коэффициенты, определ емые при градуировке датчика давлени . Устройство дл осуществлени способа измерени давлени состоит из управл емого генератора 4 высокой частоты, нагруженного на излучатель 1 и частотомер 5. Сигнал с приемника 3 поступает на вход усилител 6 высокой частоты н после усилени детектируетс амплитудным детектором 7 с последующим усилением в усилителе 8 низкой частоты, выходом подключенном к одному из входов фазового детектора 9. На второй вход фазового детектора 9 поступает сигнал с генератора 10 низкой частоты. Выход генератора 10 подключен к управл ющему входу генератора 4, выходу интегратора 11, входом подключенного к выходу фазового детектора 9, вход щему в блок 12 подстройки частоты.By the fact that a hydrostatic pressure measuring device containing a resonator consisting of a mechanically series-connected radiator, a solid-state acoustic duct and a receiver and connected electrically by the radiator input to the output of the high frequency generator and the frequency meter input, and the output of the receiver to the input of the high frequency amplifier 3t, additionally A frequency control block was inserted containing a low-frequency generator and a successively connected amplitude detector, the input connected to the output of a high-frequency amplifier A low-frequency amplifier, a phase detector and an integrator, with an output connected to a low-frequency generator and a second input of a phase detector, where the high-frequency generator is controllable and its input is connected to an integrator output. FIG. 1 shows a composite resonator when continuous ultrasonic vibrations are excited in it in FIG. 2 shows plots of output signals arising in the receiver of the resonator in FIG. 3 is a block diagram of an apparatus for carrying out a method for measuring hydrostatic pressure. The emitter 1 of the composite resonator (Fig. 1) is supplied with an alternating electrical voltage, and ultrasonic vibrations occur in the duct 2. At frequencies corresponding to resonant and determined for such a composite resonator, the maxi is observed where C is the speed of sound in the conductor 2, t is the length of the conductor 2, and n is the harmonic number of the mechanical resonance of the conductor 2; mum of the electrical signal at; In this case, the resonance curves for the main (or first harmonic) and. p and harmonics are shown in FIG. 2. The accuracy of determining the resonant frequency of the resonator is limited by the noise of the receiving equipment and depends on the quality factor of the resonator. The quality factor of the resonator oscillating in a viscous medium is determined by the formula Q Ep / E, where Eo is the oscillatory energy stored in the resonator, Е (- the energy lost by i over the period of radiation into the medium and friction in the mounting of the resonator. Increasing the number of the working harmonic of the resonator reduces losses because it reduces the amplitude of its mechanical oscillations: which leads to a decrease in losses on external friction and friction in the mounting of the research institute of the resonator. The measurement error of pressure less than 0.3% is achieved when working on the dressing rooms that have 144011 is added to cut with NEC 4 Q 7,500 across the whole range of pressures, which was done by about 20. At the same time, the quality of the orbit and the order number are harmonized by the ratio (pcV impedance of the duct material of the measured medium impedance is the coefficient of proportionality, the value of which for pressure transmitting liquid media lies in the range 0.5 1 / kbar 1, 5 1 / kbar ". pressure in the medium, harmonic number of the mechanical resonance of the resonator. The restriction of p 50 is due to the absorption of ultrasound in the material of the sound duct 2, which grows-; proportionally i. At P 50, the absorption increases so much that the signal at receiver 3 becomes comparable to the equipment. The pressure in the medium is determined by the change in the resonant frequency by the formula a, .c - ,. „| T; -t; „, R-7; K1r1--7GR1tG1 i is the resonant frequency corresponding to the pth edge of the pressure monitor; if, is the resonant frequency of the tth harmonic at atmospheric pressure; - coefficients determined during calibration of the pressure sensor. A device for carrying out the method of measuring pressure consists of a controlled high-frequency oscillator 4 loaded on emitter 1 and frequency meter 5. The signal from receiver 3 enters the input of high-frequency amplifier 6 and after amplification is detected by an amplitude detector 7, followed by amplification in a low-frequency amplifier 8, output connected to one of the inputs of the phase detector 9. The second input of the phase detector 9 receives a signal from the generator 10 low frequency. The output of the generator 10 is connected to the control input of the generator 4, the output of the integrator 11, the input connected to the output of the phase detector 9, which is included in the frequency control unit 12.

Устройство дл осуществлени способа измерени давлени работает следующим образом.A device for carrying out the method of measuring pressure operates as follows.

Составной резонатор, помещенный в с измер емьм давлением, посредством излучател 1возбуждаетс на одной из резонансных частот, при этом возникают непрерывные механические колебани звукопровода 2, принимаемые приемником 3. Сигнал с приемника 3 поступает на ус шитель 6, а затем блоком 12 подстройки чаатоты подстраивает частоту генератора 4 на резонансную частоту резонатора по максимуму сигнала на приемнике 3. Резонансна частота измер етс частотомером 5, цо изменению которой суд т о давлении в среде.The composite resonator, placed in with measured pressure, is excited by radiator 1 at one of the resonant frequencies, and continuous mechanical oscillations of the sound duct 2 occur, received by receiver 3. The signal from receiver 3 is fed to receiver 6, and then the frequency tuning unit 12 adjusts the frequency generator 4 at the resonant frequency of the resonator according to the maximum of the signal at the receiver 3. The resonant frequency is measured by a frequency meter 5, the change in which is judged on the pressure in the medium.

Блок 12 подстройки частоты работает следующим .образом.Block 12 frequency control works as follows.

Вблизи резонанса составного резонатора имеет место зависимость амплитуды колебаний от частоты. Есл несуща частота с генератора 4, преварительно промодулированна по частоте генератором 10, находитс на резонансной кривой, то на сигнал поступающий на приемник 3,накладываетс амплитудна модул ци . При этом фаза амплитудной мо;|;ул ции зависит от того, справа нпи слева от резонансной частоты окажетс несуща частота. Сигнал с приемника 3, уси; ленный усилителем .6 и продетектированньпт детектором 7, поступает на вход усилител 8. Фазовьй детектор Near the resonance of the composite resonator, the amplitude of the oscillations depends on the frequency. If the carrier frequency from oscillator 4, pre-modulated in frequency by oscillator 10, is on the resonance curve, then amplitude modulation is superimposed on the signal arriving at receiver 3. At the same time, the phase of the amplitude MO; |; St; depends on whether the carrier frequency appears to the right of the left-hand side of the resonant frequency. Signal from receiver 3, usi; Amplified amplifier .6 and a detector 7 detected at the input of amplifier 8. Phase detector

9 сравнивает фазы низкочастотных сигналов с генератора 10 и усилител 8. Если несуща частота меньше резонансной, то сигналы на входах фазового детектора 9 наход тс в фазе, если частота больше, то эти сигналы наход тс в противофазе. Знак сигнала на выходе фазового детектора 9 зависит о.т положени несущей частоты относительно резонансной частоты,, а его величина пропорциональна крутизне резонансной .кривой в рабочей точке. При совпадении частоты генератора 4 с резонансной частотой напр жение на выходе фазового детектора 9 равно нулю. Режим работы устройства устойчив при совпадении несущей частоты генератора 4 с одной из гармоник Составного резонатора. При отклонении несущей частоты от резонансной на выходе фазового детектора 9 возникает сигнал рассогласовани , которьй через интегратор 11 поступает на управл ющий вход генератора 4, подстраива его частоту..9 compares the phases of the low frequency signals from the generator 10 and the amplifier 8. If the carrier frequency is less than the resonant frequency, the signals at the inputs of the phase detector 9 are in phase, if the frequency is higher, then these signals are out of phase. The sign of the signal at the output of the phase detector 9 depends on the position of the carrier frequency relative to the resonant frequency, and its value is proportional to the slope of the resonant curve at the operating point. When the frequency of the generator 4 coincides with the resonant frequency, the voltage at the output of the phase detector 9 is zero. The mode of operation of the device is stable when the carrier frequency of the generator 4 coincides with one of the harmonics of the Composite Resonator. When the carrier frequency deviates from the resonant one, an error signal arises at the output of the phase detector 9, which through the integrator 11 enters the control input of the generator 4, adjusting its frequency ..

Устройство настраиваетс на резонанс по максимуму сигнала на приемнике 3, причем сама величина этого сигнала мало вли ет на работу устройства . Эта особенность устран ет вли ние поглощени ультразвука в звукопроводе 2. Поскольку соотношение сигнал/шум в резонансных системах значительно вьше, чем в импульсных , собственна частота составного резонатора может быть измерена с более высокой точностью, чем в известном устройстве.The device is tuned to resonance at the maximum of the signal at receiver 3, and the magnitude of this signal itself has little effect on the operation of the device. This feature eliminates the effect of ultrasound absorption in the acoustic duct 2. Since the signal-to-noise ratio in resonant systems is much higher than in pulsed ones, the natural frequency of a composite resonator can be measured with higher accuracy than in a known device.

Кроме этого,.реализаци данного способа позвол ет производить измерени давлени при температурах до 200 С и Bbmie. При соответствующем выборе материала звукопровода 2 температурной поправкой можно пренебречь .In addition, the implementation of this method allows pressure measurements at temperatures up to 200 ° C and Bbmie. With an appropriate choice of the material of the sound duct 2, the temperature correction can be neglected.

ПЯ гармонинаFive harmony

Фиг.22

и Щ- Uuiand u- uui

t-Я гармоникаt-I'm harmonica

Claims

1. A method for measuring hydrostatic pressure by placing a composite resonator in the medium containing a solid-state sound pipe with two piezoelectric transducers at the ends, exciting ultrasonic vibrations in it and determining the speed of sound, the value of which is used to judge the pressure, which differs by the fact that, in order to increase accuracy by reducing the effect of energy absorption in the sound pipe and the medium on the measurement results., continuous ultrasonic vibrations are excited in the sound pipe, and the speed of sound is determined by measuring the frequency variation of one of the harmonics of its mechanical vibrations located in the S range 20 <η <50, where η is the number of harmonics of mechanical resonance in the sound duct.

FIG. one

2. A device for measuring hydrostatic pressure, comprising a resonator consisting of a mechanically connected emitter, a solid-state sound duct and a receiver and electrically connected to the output of the high-frequency generator and the input of the frequency meter, and the output of the receiver to the input of the high-frequency amplifier, characterized in that it additionally includes a frequency adjustment block containing a low-frequency generator and series-connected amplitude detector connected to the output of the amplifier divisor high frequency, low frequency amplifier, a phase detector and an integrator connected to the output of the low frequency oscillator and a second input of the phase detector, wherein the high frequency generator is controlled and its input connected to the output of the integrator.