Способ измерения гидростатического давления и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01L11/04 

77777

ТТтТТ

Г/ТГ

Фиг. 1

2. Устройство измерения гидростатического давления, содержащее резонатор, состоящий из механически последовательно соединенных излучателя,, твердотельного звукопровода и приемника и подключенньй электрически входом излучателя к выходу генератора высокойчастоты, и входу частотомера, а выходом приемника к входу усилителя высокой частоты, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок

11

подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последовательно соединенные амплитудный детектор, входом подключенный к выходу усилителя 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 управляемым и его вход подключен к вькоду интегратора.

1. Способ измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резонатора, содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, по величине которой судят о давлении, отличающийся,, тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и среде на результаты измерений., в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний, находящихся в диапазоне 20 п 50, где п - но(Л мер гармоники механического резонанса в звукопроводе. ff - Unp ff

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназна чено для измерения высоких гидростатических давлений от 0,1 ГПа до 3,0 ГПа в средах, обладающих электропроводностью или находящихся при повышенных температурах.

Известен способ измерения гидростатического давления, заключающийся в измерении изменения сопротивления манганинавой пров,олоки от давления DJ

Недостатком этого способа является ограниченная область применения ограниченная только неэлектропроводными средами/. Кроме того, он характеризуется низкой точностью при повышенных температурах в связи с высоким коэффициентом температурного сопротивления манганина.

Наиболее близким к изобретению ,по технической сущности является импуЛьспо-фазовый способ измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резонатора, содержащего твердотельньй звукопровод с двумя.пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, по величине которой судят о давлении 2 .

Недостатком этого способа является большая методическая погрешность, обусловленная, невозможностью полностью скомпенсировать основной и дважды отраженньй ультразвуковые импульсы из-за поглощения в среде и шумов радиоаппаратуры. Кроме того.

низкая точность этого способа обусловлена небольшим соотношением сигнал/шум вследствие того, что ультразвуковые импульсы имеют широкий спектр частот.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и среде на результаты измрений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резонатора, содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, в звукопроводб

возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний., находящихся в диапазоне 20 п ; 50, где п - номер гармоники механического резонанса-в звукопроводе.

Поставленная цель достигается

тем, что в устройство измерения гидростатического давления, содержащее резонатор, состоящий из механически последовательно соединенных излучателя, твердотельного звукопровода и приемника и подключенный электрически входом излучателя к выходу генератора высокой частоты и входу частотомера, а выходом приемника - к входу усилителя высокой 3t частоты, дополнительно введен блок подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последователь но соединенные амплитудньм детектор, входом подключенный к выходу усилителя 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 управляемым 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 для осуществления способа измерения гидростатического давления. На излучатель 1 составного резонатора (фиг.1) подается переменное электрическое напряжение, при этом в звукопроводе 2 возникают ультразв ковые колебания. При частотах, соот ветствующих резонансным и определяе мым для такого составного резонатора по формуле , где С скорость звука в звукопроводе 2, t - длина звукопровода 2, п - номер гармоники механического резонанса звукопровода 2, наблюдается макси; мум электрического сигнала на при; емнике 3. Резонансные кривые для основной (или первой гармоники) и .для п-и гармоники изображены на фиг. 2. Точность определения резо нансной частоты резонатора ограни;чивается шумами приемной аппаратуры и зависит от добротности резонатора Добротность резонатора, колеблющегося в вязкой среде, определяется формулой Q Ер/Е„, где Ео - колебательная энергия, запасенная в резонаторе, Е( - энергия, теряемая i за период на излучение в среду и . трение в креплении резонатора. Увеличение номера рабочей гармоники ре зонатора позволяет уменьшить потери так как при этом уменьшается амплитуда его механических колебаний, : что приводит к уменьщению потерь на внешнее трение и трение в крепле НИИ резонатора. Погрешность измерения давления меньше 0,3% достигаетс при работе на гармрниках, имеющих 144011 доб не етс рез с НИК 4 ость Q 7 500 во всем диапазоряемых давлений, что, выполняи о 20. При этом добротности ора и порядковый номер гармоязаны соотношением (pcV импеданс материала звукопроводаимпеданс измеряемой среды коэффициент пропорциональности, значение которого для 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 становится сравним с аппаратуры. Давление в среде определяют по изменению резонансной частоты по формуле „ а ,.ц --,. „|t;-t; „, Р-7; К1г1--7ГР1тГ1 i резонансная частота, соответствующая п-ой гар- д монике под давлением; if, - резонансная частота t -ой гармоники при атмосферном давлении; - коэффициенты, определяемые при градуировке датчика давления. Устройство для осуществления способа измерения давления состоит из управляемого генератора 4 высокой частоты, нагруженного на излучатель 1 и частотомер 5. Сигнал с приемника 3 поступает на вход усилителя 6 высокой частоты н после усиления детектируется 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 управляющему входу генератора 4, выходу интегратора 11, входом подключенного к выходу фазового детектора 9, входящему в блок 12 подстройки частоты.

Устройство для осуществления способа измерения давления работает следующим образом.

Составной резонатор, помещенный в с измеряемьм давлением, посредством излучателя 1возбуждается на одной из резонансных частот, при этом возникают непрерывные механические колебания 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. Резонансная частота измеряется частотомером 5, цо изменению которой судят о давлении в среде.

Блок 12 подстройки частоты работает следующим .образом.

Вблизи резонанса составного резонатора имеет место зависимость амплитуды колебаний от частоты. Есл несущая частота с генератора 4, преварительно промодулированная по частоте генератором 10, находится на резонансной кривой, то на сигнал поступающий на приемник 3,накладывается амплитудная модуляция. При этом фаза амплитудной мо;|;уляции зависит от того, справа нпи слева от резонансной частоты окажется несуща частота. Сигнал с приемника 3, уси; ленный усилителем .6 и продетектированньпт детектором 7, поступает на вход усилителя 8. Фазовьй детектор

9 сравнивает фазы низкочастотных сигналов с генератора 10 и усилителя 8. Если несущая частота меньше резонансной, то сигналы на входах фазового детектора 9 находятся в фазе, если частота больше, то эти сигналы находятся в противофазе. Знак сигнала на выходе фазового детектора 9 зависит о.т положения несущей частоты относительно резонансной частоты,, а его величина пропорциональна крутизне резонансной .кривой в рабочей точке. При совпадении частоты генератора 4 с резонансной частотой напряжение 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 рассогласования, которьй через интегратор 11 поступает на управляющий вход генератора 4, подстраивая его частоту..

Устройство настраивается на резонанс по максимуму сигнала на приемнике 3, причем сама величина этого сигнала мало влияет на работу устройства. Эта особенность устраняет влияние поглощения ультразвука в звукопроводе 2. Поскольку соотношение сигнал/шум в резонансных системах значительно вьше, чем в импульсных, собственная частота составного резонатора может быть измерена с более высокой точностью, чем в известном устройстве.

Кроме этого,.реализация данного способа позволяет производить измерения давления при температурах до 200 С и Bbmie. При соответствующем выборе материала звукопровода 2 температурной поправкой можно пренебречь.

ПЯ гармонина

Фиг.2

и Щ- Uui

t-Я гармоника