ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G01K5/28 

Устройство относится к термо- и гигрометрии и может быть использовано в пневматических устройствах для измерения температуры и влажности.

Известно пневматическое устройство для измерения температуры, выполненное в виде мостовой схемы из четырех пневмосопротивлений, одно из которых служит термочувствительным элементом. Измерение производится за счет изменения давления в каналах под действием чувствительного элемента [Авторское свидетельство СССР 678333, М.Кл. G 01 К 5/28, 1979].

Недостатками устройства являются невысокая точность измерения, отсутствие возможности настройки диапазонов, а также невозможность измерения влажности.

Известен газовый термометр, работа которого основана на термическом расширении или сжатии газа в термобаллоне [Авторское свидетельство СССР 905661, М.Кл. G 01 К 5/32, 1982].

Недостатком изобретения является недостаточно широкий диапазон измерений и невозможность измерения влажности.

Существует способ определения температуры путем измерения разности давлений газа в двух герметизированных объемах с начальной разностью давлений между объемами, формирование которой осуществляют при одинаковой температуре [Авторское свидетельство СССР 1645852, М.Кл. G 01 К 5/00, 1991].

Недостатком способа также является невысокая точность измерения и невозможность измерения влажности.

Кроме того, известен датчик влажности, измеряющий относительную влажность путем изменения длины нити, вследствие чего изменяется кривизна дуги, заставляя закрепленный на ней стержень перемещаться внутри катушки индуктивности, которая может быть использована либо для непосредственного измерения, либо может быть включена в колебательный контур, питаемый генератором [Авторское свидетельство СССР 1288557, М.Кл. G 01 N 19/10, 1985].

Недостатком устройства является невозможность измерения температуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является пневматическое устройство, которое выполнено в виде мостовой схемы из четырех пневмосопротивлений, два из которых служат термочувствительным элементом и подстроечным пневмосопротивлением. Также устройство содержит нелинейный элемент, дифференциальный усилитель, стабилизированный источник питания, к которому подключены два параллельных пневмосопротивления, вторичный прибор и подстроечное пневмосопротивление, подключенное к выходу одного из пневмосопротивлений и к одному из входов нелинейного элемента, к симметричному входу которого подсоединены чувствительный элемент и выход другого пневмосопротивления. Выходы нелинейного элемента подключены ко входу дифференциального усилителя, выходы которого подключены ко входу вторичного прибора. Нелинейный элемент представляет собой две камеры, соединенные соплами с атмосферой, между которыми расположена эластичная мембрана [Авторское свидетельство СССР 901840, М.Кл. G 01 К 5/28, 1982].

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения при резких изменениях температуры и, кроме того, невозможность измерения влажности.

Задача изобретения - обеспечение возможности измерения влажности за счет введения в устройство элемента для забора воздуха, влажностного регулятора давления, блока вычисления отношений, подстроечного устройства для забора воздуха, преобразователя давления по влажности в аналоговый сигнал, преобразователя давления по температуре в аналоговый сигнал и за счет применения источника стабилизированного разряжения.

Поставленная задача достигается тем, что пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата, содержащее дифференциальный усилитель, нелинейный элемент и два пневмосопротивления, в отличие от прототипа дополнительно содержит элемент для забора воздуха, выход которого соединен со входом устройства для забора воздуха, соединенного с выходом первого пневмосопротивления, со вторым входом нелинейного элемента и, кроме того, устройство для забора воздуха соединено управляющими каналами с блоком вычисления отношений, первый выход которого соединен с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал, второй выход - с преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал, а его первый и второй входы соединены соответственно с выходами дифференциального усилителя, при этом пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата содержит источник стабилизированного разряжения, выход которого соединен со входами первого и второго пневмосопротивлений, причем второе пневмосопротивление соединено со входом подстроечного устройства для забора воздуха и с первым входом нелинейного элемента.

Поставленная задача достигается также тем, что пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата, содержащее дифференциальный усилитель и два пневмосопротивления, в отличие от прототипа, дополнительно содержит элемент для забора воздуха, выход которого соединен со входом устройства для забора воздуха, соединенного с выходом первого пневмосопротивления, со вторым входом капилляра, первый и второй выходы которого соединены соответственно со входами дифференциального усилителя и, кроме того, устройство для забора воздуха соединено управляющими каналами с блоком вычисления отношений, первый выход которого соединен с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал, второй выход - с преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал, а его первый и второй входы соединены соответственно с выходами дифференциального усилителя, при этом пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата содержит источник стабилизированного разряжения, выход которого соединен со входами первого и второго пневмосопротивлений, причем второе пневмосопротивление соединено со входом подстроечного устройства для забора воздуха и с первым входом капилляра
Сущность устройства поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема пневматического устройства для измерения параметров микроклимата в общем виде; на фиг.2 - нелинейный элемент, разрез (первый вариант); на фиг.3 - устройство для забора воздуха; на фиг.4 - влажностный регулятор давления, разрез; на фиг.5 - капилляр, разрез (второй вариант).

Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата (первый вариант) содержит элемент для забора воздуха 1, дифференциальный усилитель 2, нелинейный элемент 3, устройство для забора воздуха 4, блок вычисления отношений 5, пневмосопротивления 6 и 7, источник стабилизированного разряжения 8, подстроечное устройство для забора воздуха 9, преобразователь давления по влажности в аналоговый сигнал 10, преобразователь давления по температуре в аналоговый сигнал 11, соединительные каналы 12-26, 30 и управляющие каналы 27-29. Нелинейный элемент 3 состоит из корпусов 41 и 42, между которыми расположена эластичная мембрана 31, образующая камеры 32 и 33. На мембране 31 имеется заслонка 34. На корпусе 41 имеется вход 35, соединенный с каналом 19, выход 36, соединенный с каналом 21 и сопло 37, соединенное с атмосферой. На корпусе 42 имеются вход 38 и выход 39, соединенные соответственно с каналами 16 и 22, и сопло 40, соединенное с атмосферой. Устройство для забора воздуха 4 состоит из канала 45, влажностного регулятора давления 43, соединенного посредством канала 44 с элементом для забора воздуха 1, по каналам 15 и 17 - с выходом пневмосопротивления 6, по каналам 16 и 17 соединен со входом нелинейного элемента 3, а по управляющим каналам 27-29 поступают сигналы в блок вычисления отношений. Влажностный регулятор давления состоит из корпуса 53, в котором расположена дуга 47 из упругого материала, между концами которой закреплена нить 48 из влагочувствительного материала. Материалы дуги и нити могут иметь одинаковый коэффициент температурного расширения. Один конец дуги шарнирно закреплен на направляющих 49 для вертикально-горизонтального перемещения шарнира при настройке. Другой конец дуги снабжен устройством для зажатия нити 50, которое установлено на корпусе с возможностью скольжения, на середине дуги жестко закреплен стержень 46. Источник стабилизированного разряжения 8 соединен с каналом 12, который разветвляется на каналы 13, 14 и 30 соответственно к входу пневмосопротивлений 6 и 7 и ко входу питания дифференциального усилителя 2. Выход пневмосопротивления 7 соединен посредством каналов 18 и 19 с одним из входов нелинейного элемента 3 и одновременно каналом 20 со входом подстроечного устройства для забора воздуха 9. Выход пневмосопротивления 6 соединен со вторым входом нелинейного элемента 3 посредством каналов 15 и 16 и одновременно каналами 15 и 17 со входом устройства для забора воздуха 4, который, в свою очередь, соединен с элементом для забора воздуха 1, а также посредством управляющих каналов 27-29 - с блоком вычисления отношений 5. Выходы нелинейного элемента 3 через сопла 37 и 40 соединены с атмосферой, а каналами 21 и 22 соединены со входами дифференциального усилителя 2, выходы которого каналами 23 и 24 соединены с блоком вычисления отношений 5, который, в свою очередь, соединен каналами 25 и 26 соответственно с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал 10 и преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал 11.

Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата (второй вариант) содержит элемент для забора воздуха 1, дифференциальный усилитель 2, капилляр 3, устройство для забора воздуха 4, блок вычисления отношений 5, пневмосопротивления 6 и 7, источник стабилизированного разряжения 8, подстроечное устройство для забора воздуха 9, преобразователь давления по влажности в аналоговый сигнал 10, преобразователь давления по температуре в аналоговый сигнал 11, соединительные каналы 12-26, 30 и управляющие каналы 27-29. Капилляр 3 состоит из корпусов 41 и 42, между которыми расположена жидкость 31, например масло, образующая камеры 32 и 33. На поверхностях жидкости 31 имеются две пленки с закрепленными на них штоками 34. На корпусе 41 имеется вход 35, соединенный с каналом 19, выход 36, соединенный с каналом 21 и сопло 37, соединенное с атмосферой. На корпусе 42 имеются вход 38 и выход 39, соединенные соответственно с каналами 16 и 22, и сопло 40, соединенное с атмосферой. Устройство для забора воздуха 4 состоит из канала 45, влажностного регулятора давления 43, соединенного посредством канала 44 с элементом для забора воздуха 1, по каналам 15 и 17 - с выходом пневмосопротивления 6, по каналам 16 и 17 соединен со входом капилляра 3, а по управляющим каналам 27-29 поступают сигналы в блок вычисления отношений 5. Влажностный регулятор давления состоит из корпуса 53, в котором расположена дуга 47 из упругого материала, между концами которой закреплена нить 48 из влагочувствительного материала. Материалы дуги и нити могут иметь одинаковый коэффициент температурного расширения. Один конец дуги шарнирно закреплен на направляющих 49 для вертикально-горизонтального перемещения шарнира при настройке. Другой конец дуги снабжен устройством для зажатия нити 50, которое установлено на корпусе с возможностью скольжения, на середине дуги жестко закреплен стержень 46. Источник стабилизированного разряжения 8 соединен с каналом 12, который разветвляется на каналы 13. 14 и 30 соответственно к входу пневмосопротивлений 6 и 7 и ко входу питания дифференциального усилителя 2. Выход пневмосопротивления 7 соединен посредством каналов 18 и 19 с одним из входов капилляра 3 и одновременно каналом 20 со входом подстроечного устройства для забора воздуха 9. Выход пневмосопротивления 6 соединен со вторым входом капилляра 3 посредством каналов 15 и 16 и одновременно каналами 15 и 17 со входом устройства для забора воздуха 4, который, в свою очередь, соединен с элементом для забора воздуха 1, а также посредством управляющих каналов 27-29 - с блоком вычисления отношений 5. Выходы капилляра 3 через сопла 37 и 40 соединены с атмосферой, а каналами 21 и 22 соединены со входами дифференциального усилителя 2, выходы которого каналами 23 и 24 соединены с блоком вычисления отношений 5, который, в свою очередь, соединен каналами 25 и 26 соответственно с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал 10 и преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал 11.

Устройство работает следующим образом (первый вариант). При подключении стабилизированного источника разряжения 8 разряженный воздух по каналам 12, 13, 14 и 30 и через пневмосопротивление 7 по каналам 18-20 передается на вход 35 нелинейного элемента 3, на вход подстроечного элемента для забора воздуха 9, а через пневмосопротивление 6 по каналам 15-17 подается на вход 38 нелинейного элемента 3, на вход устройства для забора воздуха 4, затем - на элемент для забора воздуха 1, через канал 30 - на вход питания дифференциального усилителя 2. Затем под воздействием стабилизированного источника разряжения 8 воздух из помещения поступает на выход элемента для забора воздуха 1, затем - на выход устройства для забора воздуха 4, в котором по каналу 44 через влажностный регулятор давления 43, в котором под воздействием влажного воздуха, проходящего через отверстия 52 и 51, нить 48 изменяет свою длину, тем самым, изменяя кривизну дуги 47 и стержень 46, перемещается, изменяя сечение канала 54, тем самым изменяя подачу давления в зависимости от влажности. Одновременно как по каналу 44, так и по каналу 45 воздух поступает в каналы 15-17 и затем - на вход нелинейного элемента 3; с выхода нелинейного элемента 3 воздух по каналам 21 и 22 поступает соответственно на первый и второй входы дифференциального усилителя 2. Одновременно с устройства для забора воздуха 4 по управляющим каналам 27-29 в блок вычисления отношений 5 поступают следующие значения давлений соответственно:
Р - суммарное давление по влажности и температуре;
Р_вл - давление по влажности;
P_t - давление по температуре.

На выходах 23 и 24 дифференциального усилителя 2 появляется избыточная разность давлений, которая поступает в блок вычисления отношений 5. При помощи подстроечного устройства для забора воздуха 9 устанавливается давление, соответствующее начальной точке значений блока вычисления отношений 5, причем во время подстройки необходимо, чтобы сопло 37 не сообщалось с атмосферой. При повышении температуры измеряемой среды благодаря элементу для забора воздуха 1 и устройству для забора воздуха 4 поднимается давление в каналах 14-16, которое передается в камеру 33 через вход 38 нелинейного элемента 3, одновременно сообщается с атмосферой через сопло 40 и через выход 39 и канал 22 поступает на вход дифференциального усилителя 2. Одновременно давление по управляющим каналам 27-29 поступает в блок вычисления отношений 5. При дальнейшем увеличении температуры поднимается давление в камере 33 и эластичной мембраной 31, заслонкой 34 постепенно перекрываются сопла 37 и 40. После перекрытия сопел 37 и 40 давление в камерах 32 и 33 нелинейного элемента 3 соответственно через каналы 21 и 22 подается на входы дифференциального усилителя 2, через выходы 23, 24 которого поступает в блок вычисления отношений 5. Этот момент соответствует началу диапазона измерений.

Для того чтобы различить показания давления по влажности и по температуре, в устройство был введен блок вычисления отношений. Обозначим давление в каналах 23 и 24 как конечное (Р_кон), а разделенные значения давлений - давление по температуре и давление по влажности - соответственно как Р_кон.вл и Р_кон.t. Получив начальные значения давлений по управляющим каналам 27-29, а именно соответственно Р, Р_вл, P_t, можно вычислить конечные значения давлений по следующим отношениям:
Р_кон/Р_кон.вл=Р/Р_вл,
Р_вл/Р_кон.t=Р/Р_t.

Следовательно, получим
Р_кон.вл=Р_кон.• Р_вл/Р,
Р_кон.t=Р_кон.• Р_t/Р.

С блока вычисления отношений давление по каналам 25 и 26 соответственно поступает на преобразователь давления по влажности в аналоговый сигнал 10 и преобразователь давления по температуре в аналоговый сигнал 11.

Устройство работает следующим образом (второй вариант). При подключении стабилизированного источника разряжения 8 разряженный воздух по каналам 12, 13, 14 и 30 и через пневмосопротивление 7 по каналам 18-20 передается на вход 35 капилляра 3, на вход подстроечного элемента для забора воздуха 9, а через пневмосопротивление 6 по каналам 15-17 подается на вход 38 капилляра 3, на вход устройства для забора воздуха 4, затем - на элемент для забора воздуха 1, через канал 30 - на вход питания дифференциального усилителя 2. Затем под воздействием стабилизированного источника разряжения 8 воздух из помещения поступает на выход элемента для забора воздуха 1, затем - на выход устройства для забора воздуха 4, в котором по каналу 44 через влажностный регулятор давления 43, в котором под воздействием влажного воздуха, проходящего через отверстия 52 и 51, нить 48 изменяет свою длину, тем самым изменяя кривизну дуги 47 и стержень 46 перемещается, изменяя сечение канала 54, тем самым изменяя подачу давления в зависимости от влажности. Одновременно как по каналу 44, так и по каналу 45 воздух поступает в каналы 15-17 и затем - на вход капилляра 3, с выхода капилляра 3 воздух по каналам 21 и 22 поступает соответственно на первый и второй входы дифференциального усилителя 2. Одновременно с устройства для забора воздуха 4 по управляющим каналам 27-29 в блок вычисления отношений 5 поступают следующие значения давлений соответственно:
Р - суммарное давление по влажности и температуре;
Р_вл - давление по влажности.

Р_t - давление по температуре;
На выходах 23 и 24 дифференциального усилителя 2 появляется избыточная разность давлений, которая поступает в блок вычисления отношений 5. При помощи подстроечного устройства для забора воздуха 9 устанавливается давление, соответствующее начальной точке значений блока вычисления отношений 5, причем во время подстройки необходимо, чтобы сопло 37 не сообщалось с атмосферой. При повышении температуры измеряемой среды благодаря элементу для забора воздуха 1 и устройству для забора воздуха 4 поднимается давление в каналах 14-16, которое передается в камеру 33 через вход 38 капилляра 3, одновременно сообщается с атмосферой через сопло 40 и через выход 39 и канал 22 поступает на вход дифференциального усилителя 2. Одновременно давление по управляющим каналам 27-29 поступает в блок вычисления отношений 5. При дальнейшем увеличении температуры поднимается давление в камере 33 и жидкостью 31 с расположенными на ней пленками с закрепленными на них штоками 34 постепенно перекрываются сопла 37 и 40. После перекрытия сопел 37 и 40 давление в камерах 32 и 33 капилляра 3 соответственно через каналы 21 и 22 подается на входы дифференциального усилителя 2, через выходы 23, 24 которого поступает в блок вычисления отношений 5. Этот момент соответствует началу диапазона измерений.

Для того чтобы различить показания давления по влажности и по температуре в устройство был введен блок вычисления отношений. Обозначим давление в каналах 23 и 24 как конечное (Р_кон), а разделенные значения давлений - давление по температуре и давление по влажности - соответственно как Р_кон.вл и Р_кон.t. Получив начальные значения давлений по управляющим каналам 27-29, а именно соответственно Р, Р_вл, P_t, можно вычислить конечные значения давлений по следующим отношениям:
Р_кон/Р_кон.вл=Р/Р_вл,
Р_кон/Р_кон.t=Р/Р_t.

Следовательно, получим
Р_кон.вл=Р_кон.• Р_вл/Р,
Р_кон.t=Р_кон.• Р_t/Р.

С блока вычисления отношений давление по каналам 25 и 26 соответственно поступает на преобразователь давления по влажности в аналоговый сигнал 10 и преобразователь давления по температуре в аналоговый сигнал 11.

Итак, предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерять не только температуру, но и влажность, а также позволяет производить измерения и при более низких значениях температуры.

Изобретение относится к термо- и гигрометрии. Преимущественная область применения: измерение параметров микроклимата. Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата первого варианта содержит дифференциальный усилитель, нелинейный элемент и два пневмосопротивления. Кроме этого, оно дополнительно содержит элемент для забора воздуха, выход которого соединен с входом устройства для забора воздуха. Устройство для забора воздуха соединено с выходом первого пневмосопротивления, с вторым входом нелинейного элемента и соединено управляющими каналами с блоком вычисления отношений. Первый выход блока вычисления отношений соединен с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал, второй выход - с преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал. Первый и второй входы блока вычисления отношений соединены соответственно с выходами дифференциального усилителя. Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата содержит источник стабилизированного разряжения, выход которого соединен с входами первого и второго пневмосопротивлений, причем второе пневмосопротивление соединено с входом подстроенного устройства для забора воздуха и с первым входом нелинейного элемента. Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата второго варианта содержит дифференциальный усилитель и два пневмосопротивления. Кроме этого, оно дополнительно содержит элемент для забора воздуха, выход которого соединен с входом устройства для забора воздуха. Устройство для забора воздуха соединено с выходом первого пневмосопротивления, с вторым входом капилляра и соединено управляющими каналами с блоком вычисления отношений. Первый и второй выходы капилляра соединены соответственно с входами дифференциального усилителя. Первый выход блока вычисления отношений соединен преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал, второй выход - с преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал. Первый и второй входы блока вычисления отношений соединены соответственно с выходами дифференциального усилителя. Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата содержит источник стабилизированного разряжения, выход которого соединен с входами первого и второго пневмосопротивлений, причем второе пневмосопротивление соединено с входом подстроенного устройства для забора воздуха и с первым входом капилляра. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения влажности. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата, содержащее дифференциальный усилитель, нелинейный элемент и два пневмосопротивления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит элемент для забора воздуха, выход которого соединен с входом устройства для забора воздуха, соединенного с выходом первого пневмосопротивления, с вторым входом нелинейного элемента, кроме того, устройство для забора воздуха соединено управляющими каналами с блоком вычисления отношений, первый выход которого соединен с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал, второй выход - с преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал, а его первый и второй входы соединены соответственно с выходами дифференциального усилителя, при этом пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата содержит источник стабилизированного разряжения, выход которого соединен с входами первого и второго пневмосопротивлений, причем второе пневмосопротивление соединено с входом подстроечного устройства для забора воздуха и с первым входом нелинейного элемента. 2. Пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата, содержащее дифференциальный усилитель и два пневмосопротивления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит элемент для забора воздуха, выход которого соединен с входом устройства для забора воздуха, соединенного с выходом первого пневмосопротивления, с вторым входом капилляра, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами дифференциального усилителя, кроме того, устройство для забора воздуха соединено управляющими каналами с блоком вычисления отношений, первый выход которого соединен с преобразователем давления по влажности в аналоговый сигнал, второй выход - с преобразователем давления по температуре в аналоговый сигнал, а его первый и второй входы соединены соответственно с выходами дифференциального усилителя, при этом пневматическое устройство для измерения параметров микроклимата содержит источник стабилизированного разряжения, выход которого соединен с входами первого и второго пневмосопротивлений, причем второе пневмосопротивление соединено с входом подстроечного устройства для забора воздуха и с первым входом капилляра.