УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01L7/04 

Изобретение относится к измерительной технике. Конкретно - к устройствам измерения давления среды.

Известно устройство для измерения давления [1], содержащее держатель-основание, оканчивающийся штуцером, трубчатую пружину Бурдона, закрепленную герметично в держателе-основании одним концом и оканчивающуюся герметизирующим ее другой конец наконечником, и преобразователь перемещения наконечника в изменение электрического сигнала. Устройство преобразователя перемещения в [1] не раскрыто, также не приведен электронный блок, который должен соединятся с выходом преобразователя перемещения. Недостатком устройства является накопление неустранимой погрешности от временного дрейфа нуля и изменения чувствительности пружины Бурдона (устройство для измерения давления с трубкой Бурдона требует периодической коррекции аддитивной и мультипликативной погрешностей).

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения давления [2], содержащее держатель-основание, оканчивающийся штуцером, трубчатую пружину Бурдона, закрепленную герметично в держателе-основании одним концом и оканчивающуюся герметизирующим ее другой конец наконечником, преобразователь перемещения наконечника в частоту, подвижная часть которого механически соединена с наконечником, а неподвижная - с держателем-основанием. Преобразователь перемещения выполнен в виде автогенератора, в частотозадающую цепь которого включен конденсатор, одна из обкладок которого связана с названным наконечником, а вторая жестко закреплена на неподвижной пластине, которая в свою очередь жестко закреплена на держателе-основании. Недостатком устройства-прототипа также является накопление неустранимой погрешности от временного дрейфа нуля и изменения чувствительности трубчатой пружины Бурдона. Наличие одного подстроечного конденсатора, имеющегося в автогенераторе, не позволяет одновременно скорректировать аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности измерения.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - повышение точности измерения давления за счет автоматической коррекции погрешности измерения от временного дрейфа нуля, периодической полуавтоматической коррекции погрешности от временного изменения чувствительности трубчатой пружины Бурдона, программной линеаризации характеристики преобразования давление-частота, а также расширение функциональных возможностей устройства (осуществление обмена информацией в виде цифрового сигнала с внешними устройствами, дистанционное управление устройством, использование блока сигнализации, выдающего сигналы при достижении измеряемым давлением устанавливаемых порогов срабатывания, использование унифицированного выходного аналогового сигнала, цифровая индикация измеряемого давления).

Это достигается тем, что в устройство, содержащее держатель-основание, оканчивающийся штуцером, трубчатую пружину Бурдона, закрепленную герметично в держателе-основании одним концом и оканчивающуюся герметизирующим ее другой конец наконечником, преобразователь перемещения наконечника в изменение электрического сигнала, подвижная часть которого механически соединена с наконечником, а неподвижная жестко соединена с держателем-основанием, дополнительно введены электрически управляемый двухканальный переключатель давлений, первый входной канал которого соединен с отверстием штуцера, второй входной канал - с отверстием, соединенным с атмосферой, а выходной канал - с внутренней полостью трубчатой пружины Бурдона, электронный блок, вход которого электрически соединен с выходом преобразователя перемещения наконечника, а в состав электронного блока входят микроконтроллер, первый выход которого подсоединен к управляющему входу переключателя давлений, устройство индикации, два входа которого подсоединены ко второму и третьему выходам микроконтроллера, цифроаналоговый преобразователь, содержащий один вход, соединенный с четвертым выходом микроконтроллера, и два выхода, первый из которых соединен с первым входом микроконтроллера, блок управления, три выхода которого соединены со вторым, третьим и четвертым входами микроконтроллера, перепрограммируемое запоминающее устройство, вход и выход которого соединены соответственно с четвертым выходом и с первым входом микроконтроллера, преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а его выход образует выход аналогового сигнала, пропорционального значению измеряемого давления, блок сигнализации, входы которого соединены с пятым и шестым выходами микроконтроллера, блок цифрового интерфейса, вход и выход которого соединены с седьмым выходом и пятым входом микроконтроллера, выход автогенератора соединен с шестым входом микроконтроллера, а преобразователь перемещения выполнен в виде автогенератора, в частотозадающую цепь которого включена цилиндрическая катушка индуктивности, входящая в состав неподвижной части преобразователя перемещения, внутри катушки размещен магнитопроводящий цилиндрический сердечник, жестко связанный с наконечником.

В частном случае катушка индуктивности размещена на диэлектрическом шпульно-катушечном цилиндре, имеющем сквозное центральное отверстие, часть которого выполнена цилиндрической, а часть - резьбовой, шпульно-катушечный цилиндр размещен на одном конце уголкового кронштейна своей резьбовой частью и соединен с ним через отверстие, выполненное на этом конце кронштейна, при помощи названной резьбовой части и винта, проходящего через это отверстие, а другой конец уголкового кронштейна жестко закреплен на держателе-основании, подвижная часть преобразователя перемещения наконечника содержит изогнутую под углом скобу, имеющую отверстие возле ее первого конца, втулку с внутренним резьбовым отверстием, размещенную в отверстии скобы и жестко с ней соединенную, и упомянутый магнитопроводящий цилиндрический сердечник, состоящий из ферритового сердечника и соединенной с ним механически, например, при помощи клеевого слоя, цилиндрической головки, на цилиндрической поверхности которой выполнена наружная резьба, соответствующая внутренней резьбе втулки, а второй конец скобы приварен к наконечнику трубчатой пружины Бурдона, при этом размеры кронштейна, его место закрепления на держателе-основании, месторасположение шпульно-катушечного цилиндра на кронштейне, размеры и угол изгиба скобы выбраны такими, что свободный конец магнитопроводящего цилиндрического сердечника находится в цилиндрической части центрального отверстия шпульно-катушечного цилиндра в области катушки с зазором от его внутренней поверхности.

На чертеже изображена структура предлагаемого устройства для измерения давления.

На чертеже обозначены:

1 - держатель-основание; 2 - штуцер; 3 - трубчатая пружина Бурдона; 4 - наконечник; 5 - катушка индуктивности; 6 - головка ферритового сердечника; 7 - ферритовый сердечник; 8 - шпульно-катушечный цилиндр; 9 - скоба; 10 - втулка; 11 - уголковый кронштейн; 12 - электрически управляемый двухканальный переключатель давления; 13 - автогенератор; 14 - блок управления; 15 - устройство индикации; 16 - блок сигнализации; 17 - блок цифрового интерфейса; 18 - микроконтроллер; 19 - перепрограммируемое запоминающее устройство; 20 - преобразователь напряжение - ток; 21 - цифроаналоговый преобразователь.

Принцип действия устройства основан на преобразовании хода свободного конца манометрической пружины в изменение частоты, измерении частоты и дальнейшем цифровом преобразовании, в том числе линеаризации характеристики преобразования. автоматической коррекции погрешности измерения от временного дрейфа нуля.

Манометрическая пружина 3 одним концом жестко и герметично крепится к держателю-основанию 1. Ее другой конец оканчивается герметизирующим наконечником 4, перемещающимся под воздействием контролируемого давления. На наконечнике 4 жестко закреплена скоба 9, в отверстии которой закреплена металлическая втулка 10, имеющая внутреннее резьбовое отверстие. В резьбовом отверстии втулки 10 размещена головка ферритового сердечника 6, имеющая наружную резьбу, и частично ферритовый сердечник 7, соединенный с головкой 6. На уголковом кронштейне 11, жестко закрепленном на держателе-основании 1, расположен шпульно-катушечный цилиндр 8 с намотанной на него катушкой индуктивности 5. Шпульно-катушечный цилиндр 8 имеет сквозное центральное отверстие, в цилиндрической части которого размещен конец ферритового сердечника 7, а в резьбовой части - винт, при помощи которого цилиндр 8 крепится к кронштейну 11. В держателе-основании 1 размещен электрически управляемый переключатель давлений 12, первый входной канал которого соединен с отверстием штуцера 2, второй входной канал - с отверстием, соединенным с атмосферой, а выходной канал - с внутренней полостью трубчатой пружины Бурдона 3.

Катушка индуктивности 5 входит в частотозадающую цепь автогенератора 13. При перемещении ферритового сердечника 7 внутри катушки 5 изменяется ее индуктивность, что приводит к изменению частоты автогенератора 13. Напряжение с автогенератора 13 поступает в электронный блок, в состав которого входят микроконтроллер 18, первый выход которого подсоединен к управляющему входу переключателя давлений 12, устройство индикации 15, два входа которого подсоединены ко второму и третьему выходам микроконтроллера 18, цифроаналоговый преобразователь 21, содержащий один вход, соединенный с четвертым выходом микроконтроллера 18, и два выхода, первый из которых соединен с первым входом микроконтроллера 18, блок управления 14, три выхода которого соединены со вторым, третьим и четвертым входами микроконтроллера 18, перепрограммируемое запоминающее устройство 19, вход и выход которого соединены соответственно с четвертым выходом и с первым входом микроконтроллера 18, преобразователь напряжение-ток 20, вход которого соединен со вторым выходом цифроаналогового преобразователя 21, а его выход образует выход аналогового, пропорционального значению измеряемого давления сигнала, блок сигнализации 16, входы которого соединены с пятым и шестым выходами микроконтроллера 18, и блок цифрового интерфейса 17, вход и выход которого соединены с седьмым выходом и пятым входом микроконтроллера 18, а выход автогенератора 13 соединен с шестым входом микроконтроллера 18.

Устройство имеет три режима работы: режим настройки, режим измерения и режим автокоррекции погрешности от временного дрейфа нуля.

В режим настройки устройство переводится при помощи блока управления 14 (представляющего собой, в частности, сенсорную клавиатуру) либо дистанционно при помощи блока цифрового интерфейса 17. Этот режим позволяет осуществлять нормирование характеристики чувствительного элемента (трубки Бурдона). Для этого на вход первого канала переключателя давлений 12 последовательно подаются контрольные значения давления, а по командам от блока управления 14 либо блока цифрового интерфейса 17 микроконтроллером 18 измеряются значения соответствующих измеряемым значениям давлений частот автогенератора 13, которые запоминаются в запоминающем устройстве 19. При этом в запоминающем устройстве 19 формируется массив данных, содержащий зафиксированные значения частот. Названный массив используется в режиме измерения для аппроксимации характеристики давление-частота. Для уменьшения случайной составляющей погрешности используются многократные измерения с усреднением их результата. Режим настройки также позволяет устанавливать следующие параметры устройства: вид исполнения контактного устройства блока сигнализации 16 по подключению внешних цепей (по ГОСТ 2405), значения порогов срабатывания блока сигнализации 16, начальное и конечное значения выходного токового сигнала, а также восстанавливать исходные параметры, установленные при производстве устройства. По окончании режима настройки по команде от блока управления 14 либо блока цифрового интерфейса 17, устройство переводится в режим измерения.

В режиме измерения давления (основном режиме работы устройства) переключатель давлений 12, управляемый микроконтроллером 18, перекрывает второй входной канал, т.е. перекрывает доступ к атмосфере и устанавливает связь внутренней полости пружины 3 с измеряемой средой. Микроконтроллер 18 производит измерение значения частоты сигнала автогенератора 13, преобразование частоты в технические единицы измерения давления путем аппроксимации характеристики давление-частота, определенной в режиме настройки, управление устройством индикации 15, сравнение текущего значения измеренного давления с порогами срабатывания, выдачу сигналов управления на блок сигнализации 16 и передачу цифрового кода в цифроаналоговый преобразователь 21. Преобразователь напряжение-ток 20 преобразует сигнал, поступающий с цифроаналогового преобразователя 21, в выходной токовый сигнал.

В режим автокоррекции погрешности от временного дрейфа нуля устройство переводится автоматически через заданные промежутки времени либо с помощью блока управления 14 (нажатием соответствующей кнопки). В этом режиме микроконтроллер 18 формирует сигнал управления переключателем давлений 12. При этом переключатель 12 закрывает первый и открывает второй входной канал, тем самым перекрывает доступ к измеряемой среде и устанавливает связь внутренней полости пружины 3 с атмосферой. Микроконтроллер 18 производит измерение частоты сигнала автогенератора 13, соответствующее нулевому значению избыточного давления, вычисление разности частот, зафиксированных в режимах автокоррекции и настройки и соответствующих нулевому избыточному давлению, а также запоминание результата вычисления - значения абсолютной погрешности от временного дрейфа нуля. После этого устройство автоматически переводится в режим измерения, в котором микроконтроллер 18 производит вычитание названной погрешности (разности частот) от временного дрейфа нуля из текущего значения измеренной частоты автогенератора 13. Коррекция погрешности от временного изменения чувствительности пружины Бурдона производится периодически, через определенные интервалы времени переводом устройства с помощью блока управления 14 или блока цифрового интерфейса 17 в режим настройки и последующей коррекции характеристики давление-частота.

По отношению к устройству-прототипу предлагаемое устройство имеет следующие преимущества. Оно имеет повышенную точность измерения давления за счет автоматической коррекции погрешности от временного дрейфа нуля, периодической полуавтоматической коррекции погрешности от временного изменения чувствительности пружины Бурдона и программной линеаризации характеристики преобразования пружины Бурдона 3. Функциональные возможности устройства расширены. Осуществляется обмен информацией с внешними устройствами, в том числе и дистанционное управление во всех трех названных режимах работы предлагаемого устройства. Блок сигнализации 16 позволяет использовать предлагаемое устройство в качестве сигнализатора пороговых (заданных) значений измеряемого давления, а устройство индикации 15 позволяет считывать показания непосредственно с его лицевой панели.

Источники информации

1. Патент РФ №2118804, кл. G 01 L 9/02. Устройство для измерения давления. Опубл. 10.09.98. Бюл. №25.

2. А.с. СССР №1679226, кл. G 01 L 9/12. Датчик давления. Опубл. 23.09.91. Бюл. №35 - прототип.

Сущность: устройство содержит держатель-основание, оканчивающийся штуцером, трубчатую пружину Бурдона, закрепленную герметично в держателе-основании одним концом и оканчивающуюся герметизирующим ее другой конец наконечником, преобразователь перемещения наконечника в изменение электрического сигнала. Дополнительно в устройство введены электрически управляемый двухканальный переключатель давлений, первый входной канал которого соединен с отверстием штуцера, второй входной канал с отверстием, соединенным с атмосферой, а выходной канал - с внутренней полостью трубчатой пружины Бурдона, электронный блок, вход которого электрически соединен с выходом преобразователя перемещения наконечника. В состав электронного блока входят микроконтроллер, устройство индикации, цифроаналоговый преобразователь, блок управления, перепрограммируемое запоминающее устройство, преобразователь напряжение-ток, блок сигнализации и блок цифрового интерфейса. Преобразователь перемещения выполнен в виде автогенератора, в частотозадающую цепь которого включена цилиндрическая катушка индуктивности, входящая в состав неподвижной части преобразователя перемещения, внутри катушки размещен магнитопроводящий цилиндрический сердечник, жестко связанный с наконечником. Технический результат - повышение точности измерения давления за счет автоматической коррекции погрешности от временного дрейфа нуля, периодической полуавтоматической коррекции погрешности от временного изменения чувствительности пружины Бурдона, программной линеаризации характеристики преобразования давление-частота, а также расширение функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения давления, содержащее держатель-основание, оканчивающийся штуцером, трубчатую пружину Бурдона, закрепленную герметично в держателе-основании одним концом и оканчивающуюся герметизирующим ее другой конец наконечником, преобразователь перемещения наконечника в изменение электрического сигнала, подвижная часть которого механически соединена с наконечником, а неподвижная жестко соединена с держателем-основанием, отличающееся тем, что в него дополнительно введены электрически управляемый двухканальный переключатель давлений, первый входной канал которого соединен с отверстием штуцера, второй входной канал - с отверстием, соединенным с атмосферой, а выходной канал - с внутренней полостью трубчатой пружины Бурдона, электронный блок, вход которого электрически соединен с выходом преобразователя перемещения наконечника, а в состав электронного блока входят микроконтроллер, первый выход которого подсоединен к управляющему входу переключателя давлений, устройство индикации, два входа которого подсоединены ко второму и третьему выходам микроконтроллера, цифроаналоговый преобразователь, содержащий один вход, соединенный с четвертым выходом микроконтроллера, и два выхода, первый из которых соединен с первым входом микроконтроллера, блок управления, три выхода которого соединены со вторым, третьим и четвертым входами микроконтроллера, перепрограммируемое запоминающее устройство, вход и выход которого соединены соответственно с четвертым выходом и с первым входом микроконтроллера, преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен со вторым выходом цифроаналогового преобразователя, а его выход образует выход аналогового, пропорционального значению измеряемого давления, сигнала, блок сигнализации, входы которого соединены с пятым и шестым выходами микроконтроллера, и блок цифрового интерфейса, вход и выход которого соединены с седьмым выходом и пятым входом микроконтроллера, выход автогенератора соединен с шестым входом микроконтроллера, а преобразователь перемещения выполнен в виде автогенератора, в частотозадающую цепь которого включена цилиндрическая катушка индуктивности, входящая в состав неподвижной части преобразователя перемещения, а внутри катушки размещен магнитопроводящий цилиндрический сердечник, жестко связанный с наконечником.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катушка индуктивности размещена на диэлектрическом шпульно-катушечном цилиндре, имеющем сквозное центральное отверстие, часть которого выполнена цилиндрической, а часть - резьбовой, шпульно-катушечный цилиндр размещен на одном конце уголкового кронштейна и своей резьбовой частью соединен с ним через выполненное на этом конце кронштейна отверстие, при помощи названной резьбовой части и винта, проходящего через это отверстие, а другой конец уголкового кронштейна жестко закреплен на держателе-основании, подвижная часть преобразователя перемещения наконечника содержит изогнутую под углом скобу, имеющую отверстие возле ее первого конца, металлическую втулку с внутренним резьбовым отверстием, размещенную в отверстии скобы и жестко с ней соединенную, и упомянутый магнитопроводящий цилиндрический сердечник, состоящий из ферритового сердечника и соединенной с ним механически, например, при помощи клеевого слоя, цилиндрической головки, на цилиндрической поверхности которой выполнена наружная резьба, соответствующая внутренней резьбе втулки, второй конец скобы приварен к наконечнику трубчатой пружины Бурдона, при этом размеры кронштейна, его место закрепления на держателе-основании, месторасположение шпульно-катушечного цилиндра на кронштейне, размеры и угол изгиба скобы выбраны такими, что свободный конец магнитопроводящего цилиндрического сердечника находятся в цилиндрической части центрального отверстия шпульно-катушечного цилиндра, в области катушки, с зазором от его внутренней поверхности.