ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 G01L19/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в химической, нефтедобывающей, целлюлозной и других промышленностях для измерения давлений в высокотемпературных средах.

Известен измеритель того же назначения [1] содержащий датчик давления, капилляр, на торце которого через переходник закреплена приемная мембрана, при этом другой торец капилляра установлен в корпусе напротив мембраны датчика давления. Полости капилляра, переходников приемной мембраны и датчика давления заполнены ртутью.

Недостатком известного измерителя является влияние температуры среды на показания измерителя давления.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель давления высокотемпературных сред с температурой компенсацией, содержащий датчик давления, включающий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой смонтированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, два термопреобразователя, находящиеся в тепловом контакте с датчиком давления, и измерительный блок, включающий источник питания со стабилизатором напряжения и выходной регистрирующий прибор, а также капилляр, на торцах которого через переходники закреплены приемная мембрана с диаметром, превышающим диаметр капилляра, и мембрана датчика давления, причем капилляр защищен металлорукавом, оканчивающимся щупом датчика давления, а полости капилляра, переходников и датчика давления заполнены ртутью [2]
В этом устройстве термокомпенсация осуществляется с помощью двух термопар, одна из которых расположена у приемной мембраны, а вторая около мембраны датчика давления. При этом обе термопары включены в смежные плечи мостовой измерительной схемы последовательно с тензорезисторами.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерений давления из-за неполной компенсации температурной погрешности. Это происходит из-за того, что в прототипе термопреобразователи и датчик давления расположены в различных точках температурного поля, влияющего на результаты измерений. Кроме того, в известном решении отсутствуют термокомпенсация квадратичной составляющей температурной погрешности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в более полной компенсации температурной погрешности измерителя, включая квадратичную составляющую температурной погрешности.

Данный технический результат достигается тем, что в известном измерителе давления высокотемпературных сред, содержащем датчик давления, включающий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой смонтированы контактные площади, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, два термопреобразователя, находящиеся в тепловом контакте с датчиком давления, и измерительный блок, включающий источник питания со стабилизатором напряжения и выходной регистрирующий прибор, а также капилляр, на торцах которого через переходники закреплена приемная мембрана с диаметром, превышающим диаметр капилляра, и мембрана датчика давления, причем капилляр защищен металлорукавом, оканчивающимся щупом датчика давления, а полости капилляра, переходников и датчика давления заполнены ртутью, термопреобразователи расположены на корпусе датчика давления, причем в измеритель дополнительно введены два сумматора, три дифференциальных усилителя, умножитель, источник опорных напряжений, звено обратной связи, выходной транзистор и выходной резистор, при этом оба термопреобразователя с одной стороны заземлены, а с другой подключены соответственно к первому входу умножителя и к первому входу первого дифференциального усилителя, выход стабилизатора напряжения подключен к входу мостовой измерительной схемы, через ограничительные сопротивления к термопреобразователям и к первому входу первого дифференциального усилителя, к второму входу которого подсоединен первый вход источника опорных напряжений, а второй его выход соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, подключенного вторым своим входом к выходу умножителя, соединенного вторым своим входом с выходным резистором, который заземлен, причем положительная клемма источника соединена с коллектором выходного транзистора, эмиттер которого через выходной резистор подключен к защемленной отрицательной клемме источника питания, а первый выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, второй выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а третий с выходом звена обратной связи, подключенного входом к эмиттеру выходного транзистора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя, выход которого подключен к базе выходного транзистора, при этом выходной регистрирующий прибор подключен параллельно выходному резистору.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема измерителя давления высокотемпературных сред (ИДВС); на фиг. 2 общий вид полости капилляра, заполненной ртутью; на фиг. 3 электронная схема измерительного блока ИДВС.

Измеритель давления (фиг. 1, 2) содержит датчик 1 давления, установленный в корпусе 2, с закрепленной в нем мембраной 3, на которой смонтированы контактные площадки (на фиг. не показаны). В датчик давления также входят четыре тензорезистора (на фиг. не показаны), соединенные в мостовую измерительную схему 4 (фиг. 3). Диагональные плечи мостовой схемы подключены к контактным площадкам.

Имеются также два термопреобразователя 5 и 6 (фиг. 1), находящиеся в тепловом контакте с датчиком 1 давления за счет того, что они непосредственно намотаны на корпус датчика давления.

ИДВС также содержит приемную мембрану 7, которая вместе с мембраной 3 датчика давления соответственно через переходники 8, 9 (фиг. 2) перекрывает торцы капилляра 10. Полости капилляра и переходников заполнены ртутью. Капилляр 10 защищен металлорукавом 11.

Диаметр приемной мембраны 7 задают большим диаметром капилляра для уменьшения влияния линейного расширения ртути под действием высокой температуры среды.

Часть капилляра, непосредственно примыкающая к приемной мембране 7, заключают в металлический стержень (щуп) 12, который соединяется с металлорукавом 11. Щип 12, контактирующий с исследуемой средой, закрепляется на объекте (на фиг. не показан) с помощью гайки 13.

Измеритель также содержит измерительный блок 14, который через разъем 15 соединяется с выходным регистрирующим прибором 16 (фиг. 3).

Измерительный блок ИДВС включает в себя стабилизатор 17 источника питания (на фиг. не показан), два сумматора 18, 19, три дифференциальных усилителя 20, 21, 22, умножитель 23, источник 24 опорных напряжений, звено 25 обратной связи, выходной транзистор 26 и выходной резистор 27.

Схема электрических соединений элементов измерителя показана на фиг. 3 и описана выше.

Термопреобразователи 5, 6 подключены к стабилизатору 17 через ограничительные сопротивления R₁, R₂. Элементы 5, 6, 20, 21, 23, 24 образуют функциональный преобразователь 28.

Измеритель давления высокотемпературных сред работает следующим образом.

Располагают щуп 12 в исследуемой высокотемпературной среде. При этом на приемную мембрану 7 будут воздействовать давление исследуемой среды, передаваемое через капилляр, заполненный ртутью на мембрану датчика 1 давления.

Одновременно на щуп 12 будет воздействовать высокая температура (до 400^oC) среды, нагревая его. За счет теплопроводности тепло от исследуемой среды по капилляру будет частично передаваться на корпус датчика давления, нагревая его до более низкой температуры по сравнению с температурой среды (примерно до 80^oC).

При подаче измеряемого давления P на мембрану 9 тензорезисторы испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовой измерительной схемы 4 появляется сигнал ΔU_p= U_p1-U_p2, равный
ΔU_p= U_p1-U_p2= U_o[a_o+a₁Δt₁+(a₂Δt+a₃)P] (1)
здесь U₀ напряжение питания мостовой измерительной схемы;
a₀ коэффициент смещения нуля;
a₁ коэффициент температурного дрейфа нуля;
a₂ коэффициент температурного дрейфа чувствительности;
Δt = t-t_o отклонение температуры в месте расположения тензорезисторов от значения t=t₀, выбранной в качестве точки отсчета;
a₃ тензочувствительность мостовой измерительной схемы при t=t₀
p действующее давление.

Значение выходного напряжения на выходном резисторе 27 выходного транзистора 26 можно представить следующим образом
U_в= k(ΔU_p+U_t1-U_t2) (2)
здесь k коэффициент усиления, определяемый звеном 25 обратной связи;
U_t1, U_t2 выходные напряжения, формируемые функциональным преобразователем 28 для компенсации влияния температурной погрешности.

Для полной компенсации температурной погрешности и смещения нуля функциональный преобразователь 28 из входных воздействий U₀ U_B должен синтезировать выходные напряжения U_t1 и U_t2 вида
U_t= U_o(a_o+a₁Δt); U_t2= βU_в (3)
здесь β -масштабный коэффициент.

Из (1) и (2) с учетом (3) получим
U_в= kU_o[(a_oΔt+a₃)P-βU_в (4)
или

Из уравнения (5) следует, что для получения инвариантного к температурному воздействию выходного сигнала U_B достаточно, чтобы выполнялось условие

Обеспечить такой масштаб преобразования позволяет функциональный преобразователь 28, выполненный в виде, представленном на фиг.3.

Изменение температуры термопреобразователей 5, 6 вызывает, например, изменение их сопротивления. При этом на выходах дифференциальных усилителей 20, 21 функционального преобразователя 28 появляются выходные сигналы U_t1, U_t2, которые, складываясь в необходимой пропорции с выходными сигналами U_p1, U_p2 мостовой измерительной схемы 4, позволяют реализовать инвариантный к температуре алгоритм работы измерителя давления. При этом значения давления исследуемой среды регистрируются выходным прибором 16.

Таким образом, в измерителе осуществляется более полная компенсация температурной погрешности за счет того, что тензорезисторы датчика давления и термопреобразователи находятся в одном и том же температурном поле. Кроме того, в измерителе не появляется дополнительная квадратичная составляющая температурой зависимости чувствительности, и происходит полная компенсация всех составляющих температурной погрешности тензорезисторной мостовой схемы. При этом питающая диагональ мостовой измерительной схемы свободна для организации подавления нелинейности выходной характеристики измерителя.

Использование: в измерительной технике и может быть использовано в химической, нефтедобывающей, целлюлозной и других промышленностях для измерения давлений в высокотемпературных средах. Сущность изобретения: тензометрический датчик 1 давления содержит капилляр 10, заполненный ртутью, через который исследуемое давление высокотемпературной среды воздействует на мембрану 7 датчика 1. Датчик 1 снабжен функциональным преобразователем с двумя термоприемниками, вырабатывающими напряжение, которые, складываясь в необходимой пропорции с выходными сигналами датчика, позволяют реализовать инвариантный к температуре алгоритм работы измерителя давления. 3 ил.

Измеритель давления высокотемпературных сред, содержащий датчик давления, включающий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой смонтированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенных в мостовую измерительную схему, два термопреобразователя, находящихся в тепловом контакте с датчиком давления, и измерительный блок, включающий источник питания со стабилизатором напряжения и выходной регистрирующий прибор, а также капилляр, на торцах которого через переходники закреплены приемная мембрана диаметром, превышающим диаметр капилляра, и мембрана датчика давления, причем капилляр защищен металлорукавом, оканчивающимся щупом датчика давления, а полости капилляра, переходников и датчика давления заполнены ртутью, отличающийся тем, что термопреобразователи расположены на корпусе датчика давления, причем в измерительный блок дополнительно введены два сумматора, три дифференциальных усилителя, умножитель, источник опорных напряжении, звено обратной связи, выходные транзистор и резистор, при этом оба термопреобразователя с одной стороны заземлены, а с другой подключены соответственно к первым входам умножителя и первого дифференциального усилителя, выход стабилизатора напряжения подключен к входу мостовой измерительной схемы, через ограничительные сопротивления к термопреобразователям и к первому входу первого дифференциального усилителя, к второму входу которого подсоединен первый выход источника опорных напряжении, а второй его выход соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, подключенного вторым входом к выходу умножителя, соединенного вторым входом с выходным резистором, который заземлен, причем положительная клемма источника питания соединена с коллектором выходного транзистора, эмиттер которого через выходной резистор подключен к заземленной отрицательной клемме источника питания, а первый выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, второй выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а третий с выходом звена обратной связи, подключенного входом к эмиттеру выходного транзистора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя, выход которого подключен к базе выходного транзистора, при этом выходной регистрирующий прибор подключен параллельно выходному резистору.