SU836538A1 - Тепловой манометр - Google Patents

Description

(54) ТЕПЛОВОЙ МАНОМЕТР

., . ,,. 1 ,. : . : Изобретение относитс  к области измерительной техники, в частности к тепловым вакуумным манометрам. Известные тепловые манометры состо т из нагревател  в виде ленты и термочувствительного элемента, например термопары, спай которой приварен к серединенагреваемой током ленты .l. Недостатком таких манометров  вл етс .низка  чувствительность, значительна  пЪгрешность измерени  трудность реализации дистанционной системы измерени  из-за низкого уро н  выходного сигнала термопары, несущего: полезную информацию. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  тепловой манометр, содержащий датчи давлени  с нагревательным и термочувствительным элементс1ми, подсоеди ненный к измерительной схеме. В ка честве термочувствительного элемен используетс  кварцевый элемент jp за . В качестве нагревател  использу с  металлическа  дорожка, нанесенн по периферии кварцевого элемента. Кварцевый элемент с нагревательным элементом конструктивно выполнен в виде датчика, подсоединенного к измерительной схеме,включающей цепь задачи тока нагревательного элемента , усилитель с положительной обратной св зь1о и измерительный прибор. Кварцевый элемент подсоединен к усилителю с поло кительной обратной св зью и используетс  в качестве частотозадающего элемента автогенератора . При изменении измер емого давлени  измен етс  температура нагревател  и кварцевого элемента, что приводит к изменению частоты автогенератора. Это изменение частоты выходного сигнала функционально св зано с измер емым давлением 2. Недостатками теплового манометра этого типа  вл етс  низка  точность измерени , поскольку термочувствительный кварцевый элемент jr -среза в одинаковой мере реагирует как.на изменение температуры нагревател , так и на изменение температуры окружающей среды, а также больша  теплова  инерционность, поскольку масса кйарцевого элемента значительно больше массы нагревательного элемента и дл  достижени  теплового равновеси  при- вновь установившемс  значении измер емого давлени  требу- етс  длительное врем . Такой манометр нельз  использовать дл  измерени , относительно быстроизмен ющихс  давлений.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  давлени  и уменьшение тепловой инерционности манометра;

Эта цель достигаетс  тем, что в тепловом манометре, содержащем -датчик давлени  с размещенным в корпусе чувствительным элементом и измерительную схему, включающую токовую цепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источнико посто нного напр жени , регулировочны сопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной св зью и выходной измерительный прибор, в датчик давлени  введен кронштейн, закрепленный в корпусе, а чувствител ный элемент выполнен в виде металлической струны, помещенной в воздушный зазор магнитной системы возбуждени  ее колебаний, причем концы струн закреплены на стойках кронштейна и подключены ко входу усилител , при этом токова  цепь нагрева включена параллельно входу усилител  и содержит последовательно включенный с источником посто нного напр жени  дроссель.

С целью уменьшени  температурной погрешности в манЬметре датчик давлени  может быть снабжен дополнительной струной, идентичной первой, концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещена в воздушный зазор дополнительной магнитной системы возбуждени  ее колебаний. При этом струны расположены симметрично относительно ос  симметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель и второй усилитель с положительной обратной св зью, ко входу которого подсоединена дополнительна  струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору.

На фиг. 1 изображен датчик теплового манометра, разрез,- на фиг. 2, 3 и 4 - сечени  А-А, Б-Б, В-В; на фиг. 5 - измерительна  схема теплового манометра.

Датчик теплового манометра состои из корпуса 1 (фиг.1), внутри которог на резьбовой шпильке 2 установлен кронштейн 3. На кронштейне 3 жестко закреплены стойки 4 и 5. На плоскост стойки 5 укреплена планка б. Торцы стойки 4 и планки б лежат в одной плоскости. Концы струны 7, имеющей. начальную упругую деформацию раст жени , закреплены на стойках 4 и 5, кронштейна 3 посредством накладок 8 и 9 i Струна 7 помещена в воздушный зазор магнитной системы возбуждени  колебаний 10 (фиг. 2), жестко установленной на кронштейне 3. Конец

струны 7, закрепленный на стойке 4, электрически св зан с корпусом 1 датчика. Дл  реализации струнного автогенератора с магнитоэлектрически способом возбуждени  автоколебаний второй конец струны 7 изолируетс  от корпуса 1 датчика посредством слюд ной прокладки 11 (фиг. 3) и слюд ных шайб 12 и 13, подложенных под головки.крепежных винтов 14, 15. Металлические шайбы 16 и 17 служат дл  более равномерного распределени  усилий, действующих на слюд ные шайбы 12 и 13 при зат жке винтов 14 и 15. Между телом винтов 14 и 15 и отверсти ми в планке б имеетс  воздушный зазор. Винты 18 служат дл  поджати  накладок 8 и 9 при фиксации концов струны 7. Конец струны 7, изолированный от корпуса 1, присоедин етс  к электрическому гермовыводу 19 (фиг. 1). Электрический вывод второго конца струны 7 снимаетс  с корпуса датчика. Корпус 1 закрываетс  крышкой 20.

Концы струны 7 подсоедин ютс  к входным клеммам аи б электронного усилител  21 с положительной обратно св зью (фиг. 5). Мостова  схема, в одно из плеч которой включена струна 7,  вл етс  частью входного каскада электронного усилител  21. Параллельно входу а-б усилител  21 подключена цепь.задачи тока, обеспечивающего нагревание струны 7. Эта цепь состоит из последовательно включенных дроссел  Dp, стабилизированного источника посто нного напр жени  U, . переменного резистора Rp, измерительного сопротивлени  Ra, и амперметра тА. Дроссель Ор необходим дл  того, чтобы избежать эффекта шунтировани  струны 7 по переменному току (току подкачки) цепью задачи тока подогрева . Переменный резистор ftp обеспечивает регулировку тока нагрева струны 7. Ток нагрева может контролироватьс или путем измерени  падени  напр жени  на измерительном сопротивлении R с помощью компенсатора, либо цифрвого вольтметра, или по стрелочному амперметру шА.

После, балансировки моста путем изменени  величины балансировочного сопротивлени  Rg и включени  напр жени  питани  усилител  21 струна 7 вместе с усилителем образует струнный автогенератор, частота которого определ етс  температурой струны 7. Амплитуда колебаний струны 7 регулируетс  путем подбора величины тока положительной обратной св зи за счет изменени  сопротивлени  резистора . ос. - выхода усилител  21 электрический частотио-модулированный сигнал может быт-ь подан на цифровой измерительный прибор 22 или аналоговый измерительный прибор 23. В качестве Цифрового прибора 22 может быть использован любой стандартный ;электронносчетный частотомер. Тепловой манометр работает следующим образом. При отсутствии тока разогрева час тота струнного автогенератора опреде л етс  дилой начального нат жени  струны 7. После подачи тока разогрева от стабилизированного источника посто нного напр жени  струна 7 нагр ваетс  и сила ее продольного нат жени  уменьшаетс , что приводит к умен шению частоты автогенератора. По мере уменьшени  давлени  газообратной среды отвод тепла от струны 7 в окру жающую среду за счет теплопроводност уменьшаетс  и температура струны 7 возрастает. С ростом температуры уменьшаетс  сила продольного нат же ни  струны 7 и частота струнного автогенератора. При неизменном напр жении источника посто нного тока разогрева частота струнного автогене ратора будет однозначн9 св зана с измер емым давлением функциональной зависимостью. Частота струнного автогенератора лпри нормсшьном атмосферном давлении в основном зависит от силы нат жени  -струны 7 и в первом приближении может быть определена выражением - (1) где fjj - начальна  частота колебани струнного автогенератора при нормальном атмосферном давлении (9,81-10- Па); Fg - сила продольного нат жени  струны 7; io - напр жение раст жени  в струне 7 8р - длина струны 7; S - площадь поперечного сечени струны 7;. J - плотность материала струны В соответствии с законом Гука величина начальной упругой д: еформац струны 7 , , ле, , (2) где дВчу- начальна  упруга  деформаци  струны 7; Е - модуль упругости второго рода материала струны 7. Откуда: (3) выражение ( 1) примет С учетом 2Ео р Во После того, как по струне 7 будет пропущен посто нный TQK I, струна 7 разогреетс  и ее температура будет превышать температуру окружающей среды на величину,i Л.о ° co -oii начальна  упруга  деформаци  струны 7 дЕч; уменьшаетс  на величину, У tcroL л to у dL - температурный коэффициент линейного расширени  материала струны 7. Частота колебаний струнного автогенератора после включени  тока разогрева с учетом уравнений (4) и (6) - J Е(де - ) /74 Y - Изменением модул  упругости при изменении температуры струны 7 с точностью , вполне приемлемой дл  инженерных расчетов, пренебрегаем вследствие малости. .Уравнение теплового- баланса струны 7, нагретой током с учетом того, что основна  часть тепловой энергии рассеиваетс  за счет теплопроводности газа, а теплопроводность через элементы преобразовател , а также за счет конвекции и лучеиспускани  пренебрежимо мала, будет иметь вид (Vt,o)|(ie-too), ,3с где 3 - ток разЬгрева, текущий по струне 7; R - активное сопротивление: струны 7; X - коэффициент теплопроводности газа, давление которого. измен етс ; а - коэффициент, завис щий от геометрических размеров струны 7 и корпуса 1 датчика; t - текущее значение температуры струны 1; djj - внутренний диаметр корпуса 1 датчика) dj. - диаметр струны 7. При плотности газа, соответствующей области атмосферного давлени , теплопроводность газа % практически не зависит от его плотности, т.6. не зависит от изменени  давлени . По мере уменьшени  давлени  во внутренней полости датчика средн   длина свободного пробега молекул газа становитс  того же пор дка, что и рассто ние между струной 7 и стенками корпуса 1 датчика. В этом случае теплопроводность газа определ етс  числом оставшихс  молекул и зависит, главным образом, от давлени  газа (его плотнорти), а не от его температуры . На основании вышесказанного можно считать, что в области относительно низких давлений коэффициент теплопроводности функционально св зан с из р емЕлм давлением (Р). где Р - давление газа в корпусе 1 датчика. Из выражени  (8) с учетом (9) будем иметь At tc- t Ф(РЬа Полага  в выражении (10) все ве чины посто нными и обознача  их чер К , получим Д VTFT. Уменьшение упругой деформации струны 7, обусловленное уменьшением давлени  газа Лр l o-dL&t. EoflL cpf , (12) Частота струнного автогенератора о. учетом возрастани  температуры струны 7 при уменьшении измер емого давлени  il--fr-( д &х,)(1з Поскольку дл  выбранных режимов ЛЙу - cfKo const, то - . с -epV. пГ RoJi ад ёг Ч сЛВо Ч(Р) 0-1 где К- -2. - . При рагдионально выбранных конст тивных параметрах датчика величина ...Л . лежит, в диапазоне 0,1-0,3. Представл   иррациональный сомн житель выражени  (14) в виде р да, получим г / - г Ка 1 V /,,-л i oi(-24(P) e- WTJ Ограничива сь вторым членом раз ложени , определим приращение част ты струнного автогенератора в зави симости от измер емого давлени  ка разность между начальнЕлм значением частоты fg и текущим значением f Д -f fai-faib При точно известной функциональ зависимости и известных геометричес ких параметрах датчика функци  пре образовани  такого теплового маноме ра может быть определена расчетным путем. Однако функциональна  зависи мость дл  различных газов определ е с  обычно опытным путем с ограничен ной точностью. В св зи с этим дл  работы с тепл выми манометрами на практике исполь зуютс  градуировочные характеристики. В рассматриваемом случае это будет определенна  опытным путем зависимость частоты струнного автогенератора от величиныизмер емого давлени . На фиг. б изображен датчик теплового манометра с двум  струнами, разрез/ на фиг. 7 - измерительна  схема. Датчик теплового манометра содержит дополнительную струну 24, помещенную в воздушный зазор дополнительной магнитной системы 25 возбуждени  ее колебаний, струны 7 и 24 расположены симметрично относительно оси симметрии корпуса 1 датчика. Дополнительна  струна 24 (термо-.компенсационна ) подключаетс  ко входу а б электронного усилител  26 с положительной обратной .св зью и , совместно с ним образует второй автогенератор (фиг. 7). В отличии от первого автогенератора (струна 7 и усилитель 21)по струне 24 ток разогрева .не пропускаетс  и частота автогенератора определ етс  только т мпературой окружающей среды и температурными коэффициентами линейного расширени  материалов струны 24 и кронштейна 3. Выходы усилителей 21 и 26 соединёны со входами смесител  частот 27. Выход смесител  27 подключен ко входам аналогового 28 и цифрового 29 измерительных при.боров, измер ющих разностную частоту, выдел емую смесителем .27. При работе в режиме измерени  отношени  частот сигналы с точек в и г измерительной схемы (фиг. 7) могут быть поданы на входы А и Б стандартного цифрового электронносчетного частотомера 30 любого типа. Тепловой манометр работает следующим образом. При давлении 9,81« Ю Па (760 ммрт.ст.) и токе нагрева, пропускаемом через одну из струн, частоты автогенераторов ff. и f(;2 равны, т.е. fQ3 f И выходе смесител  27 разностна  частота f f 01 равна нулю. При уменьшении давлени  газа в корпусе 1 преобразовател  струна 7, по которой пропущен ток нагрева , увеличит свою температуру, поскольку теплопроводность разреженного газа уменьшаетс . Увеличение температуры струны 7 приводит к уменьшению величины .ее упругой деформации и к умены ению частоты струнного автогенератора до значени  f .Разность частот на выходе смесител  д{ foa - f-j f 0 - f-t будет функционально св зана с измер емым давлением . . Вследствие наличи  разности температурных коэффициентов линейного расширени  материалов кронштейна 3 и струн 7 и 24 при изменении темпера туры окружающей среды измен ютс  и частоты струнных автогенераторов. Но поскольку эти изменени  будут оди наковыми, то на выходе смесител  27 температурна  погрешность нул  тепло , вого манометра будет.скомпенсирована что сни)сает суммарное значение темпе ратурной погрешности примерно на пор док. По аналогии с вьплеизложенным происходит компенсаци  температурной погрешности и при работе измерительной схемы в режиме измерени  отношени  частот струнных автогенераторов. Струна 7 , выполн юща  роль нагреватель рого и термочувствительного элемента при отсутствии тока нагрева имеет та кую начальную упругую деформацию раст  Зкени , чтобы частота ее собственных поперечных колебаний при нормальном атмосферном давлении (9,81-10 Па) fj бЕЛла бы выше частоты собственных поперечных колебаний термокомпенсационной струны 24 fo2, т.е. ОаПри протекании номинального тока нагрева частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 уменьшитс  до величины f за счет по влени  температурных деформгщий, уменьшакнцих величину начальной упругрй деформации. При этом можно обеспечит равенство частот колебаний обеих струн (17) Частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 может быть определена в соответствии с известны уравнением струны, обусловленна  протекающим до ней током разогрева . Соответственно частота собственны поперечных колебаний второй термоком пенсационной струны 24 Е Д Е(П U f01 - начальна  упруга  деформа ци  струны 24.. Дл  выполнени  равенства (17) необходимо, чтобы t( д Еоав рассматриваемой конструкции геометрические размеры обеих струн 7 и 24 материалы,., из которых они изготовлены, одинаковы. Строго говор , значение модул  упругости в выражении (18) будет несколько меньше, чем в выражении (19), вследствие того, что температура первой струны 7 выше. Однако вследствие малости этого различи , изменениеммодул  упругости при изменении температуры первой струны 7 будут пренебрегать . Такое допущение дл  инженерных расчетов в рассматриваемом случае вполне допустимо. . При. точно известной функциональной зависимости и известных геометрических пар.аметрах датчика функци  преобразовани  такого теплового манометра может быть определена расчетным путем . Но поскольку анэл-иткчсские зависимости Я (Р) значительно отличают-. с  от экспериментальных , то на практике,:с целью.повышени  точности измерений давлений, используютс  градуировочные характеристики. В рассматриваемом случае это будет эксперимента.)1ьна  зависимость разнобти (отношени ) частот двух струнных автогенераторов, полученна  на выходе смесител , от измер емого давлени . D качестве цифрового измерительного прибора в предложенном тепловом манометре может быть, использован стандартный электронно-счетный частотомер любого типа, а в качестве аналогового измерительного прибора любой конденсаторный частотомер со стрелочным показывающим прибором. Принцип температурной компенсации заключаетс  в следующем. При изменении температуры окружающей среды мен етс  температура корпуса 1 датчика. По .истечении некоторого времени изменитс  и температура кронштейна 3 и струн 7 и 24. При идеальном равенстве температурных коэффициентов линейного расширени  материа .лов кронштейна 3 и струн 7 и 24 изменени  частоты струнных автогенераторов не прс|изойдет и погрешность измерени  давлени  вследствие изменени  температуры корпуса 1 практически будет отсутствовать. Однако н§ практике всегда будет существовать некотора  разница в температурных коэффициентах линейного расширени  м,атериалов 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, ч.то при изменении темпе .ратуры частота первого струнного авто .генератора также изменилась и в соответствии с (15) ее значение можно записать в виде

,Г (i i)

pj().

(20) Если величина измер емого давлени  оценивалась бы- по частоте перво струны 7, то как видно из(14), погрешность измерени  складывалась бы из погрешности нул  ± д f и погре ности чувствительности 1 jfb) При этом, поскольку максимальное зн чение величины 2,руне превышает зна ний .0,05-0,15, то максимальное з-нач ние погрешности чувствительности в 7-20 раз меньше погрешности нул . Следовательно, если бы имелась возм ность скомпенсировать температурную погрешност;ь нул , то суммарную погрешность измерени , обусловленную изменением температуры окружающей среды, удалось бы уменьшить в 7-20 раз. Дл  этой цели в конструкцию тепло вого манометра и введена термокомпен сационна  струна 24. Поскольку она изготовлена из того же материала, чт и перва  (нагреваема  токОм) струна то при изменении температуры окружаю щей среды, и как следствие, температуры корпуса 1 датчика, кронштейна 3 и самой струны 24, частота второго автогенератора изменитс  на ту же величину u.fj. и будет -равна 02Г 01 i ft Тогда в соответствии с выражением (16) разность частот струн 7 и 24 на выходе смесител  27 определитс  вычитанием выражени  (14) из (15), т.е. (5) . д.-(±д).Ч{Р)р. ) Из последних двух выражений следует , что введение термокомпенсационной струны 24 позвол ет полность исключить температурную погрешность нул  Af . Это снижает суммарное значение температурной погрешности струнного теплового манометра, в зависимости от выбранных конструкционных параметров датчика, в 7-20 раз.

В случае работы измерительной схемы в режиме измерени  отношейи  ;частот двух струнных автогенераторов, соответствующем выборе начальных частот струн f и f, можно получить с аналоговый эффект уменьшени  температурной погрешности. . формула изобретени  1.Тепловой манометр, содержащий датчик давлени  с размещенным;в корпусе чувствительным элементом и измерительную схему, включающую в себ  токовую цепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источником посто нного напр жени , регулировочным сопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной св зью и ВЫХОДНОЙ измерительный прибор, отличающийс  тем, что, с . целью повышени  точности измерени  давлени  и уменьшени  тепловой инерционности , в датчик давлени  введен кронштейн, закрепленный в корпусе, а чувствительный элемент выполнен в виде металлической струны, помещенной в воздушный зазор магнитной системы возбуждени  ее колебаний, причем концы струны закреплены на стойках кронштейна и подключены ко входу усилител , при этом токова  цепь нагрева включена параллельно входу усилител  и содержит последоватёльно включенный с источником посто нного напр жени  дроссель. 2.Тепловой iviaHOMeTp по п.1, от лич а ющ ий с   тем, что, с целью уменьшени  температурной погрешности, датчик давлени  снабжен дополнительной магнитной системой возбуждени  колебаний и дополнительной струной, идентичной первой, концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещена в воздушный зазор дополнительной магнитной системы возбуждени  колебаний, при этом струны расположёны симметрично отно- сительно оси.симметрии корпуса датчика , а в измерительную схему введены смеситель и второй усилитель с положительной обратной св зью, ко входу которого подсоединена дополнительна  струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Турицин A.M. и др. Электрические измерени  неэлектрически-х величин... Л., Энерги , 1975, с. 360. 2.Авторское свидетельство СССР .№ 513283, кл. G 01 L 21/10, 1974 ( прототип).

Фиг. 2

Фиг.

Фиг. 5

..

ыг кх, 4 Y У/ 1 I

/ у/.., Л

. Фиг. 7 1 Л7 1// I u-/f/ I

Claims (2)

1. Формула изобретения (21) ^f02i~ ^f0i - ^Δ /

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

   ^Х^0Г^Л^)⁼2.ч>(Р) ^£01* 2ЧХР) ’^Δί17 (22) или _Δ£χ-^-(£ο-ι^±Δ^)·^^ίΡ)Γ¹ (23)

   I

   Из последних двух выражений дует, что введение термокомпенса— ционной струны 24 позволяет полностью исключить температурную погрешность нуля Afi · Это снижает суммарное значение температурной погрешности струнного теплового манометра, в зависимости от выбранных конструкционных параметров датчика, в 7—20 раз.

   сле. <q 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 щ и й с я 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 последо‘ватёльно включенный с источником

   3 постоянного напряжения дроссель.
2. 2. Тепловой манометр по п.1, от лич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, датчик давления снабжен дополнительной магнитной системой

   40 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 расположёны симметрично отно- _У сительно оси.симметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель и второй усилйтель с положительной обратной связью, ко входу которого подсоединена дополнительная струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору.