Устройство для измерения температуры и давления Советский патент 1986 года по МПК G01K7/32 G01L1/16 

«

Изобретение относится к техникь измерений неэлектрических величин и предназначено для одновременного измерения параметров давлений и тем ператур в экструдерах и насосах для формирования волокон,

Цель изобретения - повышение точности измерения в широком диапазоне давлений и температур.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства5 включающая схематичное изображение кварцевого датчика, на фиг. 2 - функциональная схема ячейки формирователя временных интерваловj на фиг, 3 - функциональная схема блока разделения сигналов; на фиг. 4 - диаграммы работы устройства, поясняющие принцип действия основных его узлов.

Устройство содержит кварцевый датчик 1, включающий в себя три пьезокварцевых чувствительных элемента 2-4, три авто генерато- ра 5-7,, три смесителя частоты 8 - 10, опорный генератор 11, nepBbrii З множитель частоты 12, четвертый смеситель частоты 13, второй умножитель частоты 14, формирователь временных интервалов 15, блок разделения сигналов 16, первый - третий счетчики импульсов 17 - 19.

Кварцевый датчик 1 выполнен в виде корпуса 20, в котором размещен жесткий шток 21, Корпус 1 имеет фиксатор 22 и упругую мембрану 23. Кварцевый термочувствительный элемент 4 установлен в штоке 21 в температурном поле Т, Кварцевые чувствительные элементы 2 и 3 установлены .между штоком 21 и фиксатором 22 корпуса в температурном поле Т.

Реальная конструкция датчика J отражает особенности закрепления элементов 2 - 4 в ее силопередаю- цих элементах и принципиально не отличается от модели, показанной на фиг. 1.

Формирователь временных интервалов 15 состоит из счетчиков импульсов 24 - 275- соединенных в двоичный делитель частоты, коммутационного поля 28, двух элементов 8И-НЕ 29, 30, элемента 2И-2Шт-НЕГ 31, схемы НЕ 32 и схем И-НЕ 33, 34.

Блок разделения сигналов (фиг.З) содержит D-триггеры 35-41, эле04969

менты И-НЕ 42 - 47 и элемент 2И-ИПИ-НЕ 48.

Устройство работает следующим образом.

5 На датчик 1 действует измеряемое давление Р и температура Т. Оба па; раметра являются информационными.

Действие давления Р приводит ;к прогибу мембраны 23 и передаче

10 усилия на элементы 2 и 3 чррез шток 21, в результате чего изменяются их частоты f и f. На элемент 4 давление не подается.

Действие температуры Т приво15 дит к изменению частоты элемента 4. Поскольку температура Т действует только в области приложения давления Р к мембраме 23 в местах установки элементов 2 и 3, имеется более низ20 кое температурное поле Т. Температура Tj тем меньше температуры Т,, чем больше длина штока и теплообмен в верхней части кварцевого датчика 1 с окружающей средой. При этом

25 частоты f и f зависят от температуры Т .

Кроме того, различия в коэффициентах температурного расширения элементов механических звеньев

30 кварцевого датчика 1 и элементов 2,3 приводят к дополнительному механическому сжатию - растяжению элементов 2,3, в результате чего их частоты дополнительно изменяются.

35 Частоты пьезокварцевых чувствительных элементов связаны с воздействующими на них параметрами системой уравнений:

f, Q,, д Рf а,2лТа «xi и Р, (лт;);

2 - го- 2 iiPteiiarj -aajAP f T;); ( Я 4,f,, а„.дТ; где частоты генерации при

начальных параметрах Р Т Т°

In

0 -ifn

,aj,j,aj,a j53ji коэффициенты сило- и термочувствитель- ностей кварцевых чувствительных элементов;

й.Р,АР ,uTj,,ftT°- приращения параметров давлений и температур йР;, (aTj ) - приращение дополнительного давления на первый и второй квар

цевые чувствительные элементы, обусловленное изменением температуры Т°.

Отрицательный знак при коэффициентах и a,j определяется ориентацией вектора приложения усилия к кварцевому чувствительному элементу относительно его оси Z.

Корректность записи .системы уравнений (1) (без учета нелинейных членов) доказывается тем, что первы и второй кварцевые чувствительные элементы установлены в зоне понижен ных температур Т, изменяющихся в

сравнительно небольших линейньпс

(

;пределах, а термочувствительный элемент имеет линейную зависимость частоты от температурь. Зависимость ) также линейна поскольку описывает удлинение штока и других элементов кварцевого датчика, преобразованное в передаваемое на первый и второй кварцевые чувствительные элементы давление лРд, температуры дТ° через коэффициенты

Ч

линейного расширения.

Сигналы с выходов автогенераторов 5 и 7 поступают на входы первого смесителя 8, на вькоде которого формируется сигнал разностной частоты л.

AU .,2А мT; ;j-ajj)

, (i)

где . ,,- 7fT:

Коэффициент термочувствительности третьего, кварцевого чувствительного элемента а,, выбирается так,

чтобы выполнялось условие

что позволяет записать

Д-Г гКо- з аийР глТг , (3)

После этого частота uf| j умножается первым умножителем частоты 12 в п раз для получения требуемой частоты FJ с необходимой для дальнейшей обработки информации крутизной характеристики преобразования

. Al ., n(Vfiohn-a,nP a«iu j ,.а;.лТ° .

к,--(1..); а;, Л «и; . Для кварцевого термочувствительного элемента 1 LC-среза с начальной частотой около 5 МГц и требуемой частоты F(20...50) кГц коэффициент умножения п 2,3.

204969

Сигнал с частотой F подается на первый вход блока разделения сигналов 16.

Из сигналов с частотами fj и f ,. 5 поступающих на входы смесителя 10, на его выходе формируется сигнал

.&C(o-fj))-«JbflT;. (5)

Из сигнала (5) в течение времен 10 ного интервала Tj-, формируемого из опорной частоты fо, формирователем временных интервалов 15 формируется код температуры NI° (14).

Из сигналов с частотами f и fo 15 формируется сигнал с разностной

частотой afjo выходе второго сме- сителя частоты 9. )--()-а,г-дР Хг1д . Х6)

После этого из сигналов с час то- 20 с

тами дГоз и /sfjy с помощью смесителя 13 формируется сигнал с частотой a-fjojo :

АС-((, 25 t (,,j)A r; . - (7)Коэффициент ajj выбирается так, чтобы aj, что позволяет записать

A-reo,o()- a iP ziAT i.(8)

f

Частота л fj умножается в два - три раза вторым умножителем частоты 14, причем число умножения (коэффициент умножения т) выбирается так, чтобы на выходе второго умножителя частоты 14 обеспечивалась частота Fj с требуемой для дальнейшей обработки информации крутизной характеристики преобразования по давлению и температуре , fl{ioio fl 2oM f 2o f3o-2-fo)-ma,j/5P- ,,..,; , (9)

где Pi--muf ojo, (flo + );

,j , Qjj-m-dii, Критерием выбора крутизны характеристик преобразования служит следующее: функции зависимостей частот генерации на входах блока

разделения 16, приведенные к шкалам измерений, должны быть перпендикулярны друг другу и наклонены к осям ординат под одинаковьми углами. Учет показанного критерия позволяет достичь оптимального соотношения параметров точность - быстродействие в предлагаемом преобразователе, поскольку быстродействие

определяется большим из временных ин тервалов, получаемых с формирователя временных интервалов 15, которые зависят от коэффициентов m а,, m п а, па,,, а точность измерения пропорциональна отмеченным временным интервалам.

Сигнал с частотой Fg(9) поступает на второй вход блока 15, причем частоты F и Fg на входах блока 16 связаны соотношениями

, ;

uF,.Fj-F,,-a ,,uP.ci;,ur: . ° Уравнения (10) связывают приращения информационных параметров лР и лТ с приращениями информа- ционньк частот и лРе через постоянные коэффициенты а,а,у

2i

Решение уравнений (10) относительно ьР и йТ осуществляется следующим образом.

Запишем обратную систему уравнений (10) относительно лР и аТ :

-йР,.

uR

г I

(11)

F. .

где

Разделим первое уравнение на мерность давления р, второе - размерность температуры Tj , в зультате получим

ft, о.., ,:Np-7 fh F 7ift-

0,

о«

fiF,

т р /1- tpo

(11}

где Np-uP/CP3, ATi/Cri .

Поскольку Np , NT - безразмерные величины, а uF , iFj имеют размерность Гц, то коэффициенты при fcF и AFg в системе (21) имеют размерность времени, что позволяет записать (12) в виде

Мр Т дР -Т лРг-МгМг ;

Nr- -TjuF.r., , Np и Nj - безразмерш

(13)

где NP и Щ° - безразмерные числа. Представляющие собой коды параметро Р и Т.

Определение величин Np и , а также Ny Tj- сводится к подсчету импульсов частот л F и cF;, в течение временных интервалов I - Tli и проведения логических операций сложения.и вычитания двух

импульсных потоков в соответствии с алгоритмом (13).

Временные интервалы Т.,- форми- руются формирователем временных интервалов 15 из сигнала опорного генератора 11 синхронно по приходу тактовых импульсов ТИ и ТИ от внешнего устройства управления (на

фиг. 1 не показано). Двоичные

коды временных интервалов выставляются на наборном поле коммутатора 28 (фиг. 3). При этом на выходах элементов 29 и 30 появляются О

только в том случае, если все выходы счетчиков 24 - 27, подключенных к входам элементов 8И-НЕ 29,30, будут находиться в состоянии . При наличии двух нулевых уровней

на выходах элементов 29, 30 триггер, собранный на элементах 33, 34, перебросится через элементы 31 и 32 в нулевое состояние, заканчивается формирование временного интервала. Каждый из временньпс интервалов Т/ - (фиг. 4) формируется аналогично.

Блок разделения сигналов работает следующим образом.

Элементы 35, 36, 42, 43 блока разделения сигналов 16 выполняют функцию разделения импульсного по-- тока частоты fo (фиг. 4) на две импульсные последовательности (а и Ь)

с чередующимися и не перекрывающимися отрицательными импульсами.

При наличии на D-входах триггеров 37 и 38 положительных импульсов частот лр,| и iFjp, импульсы а и b

перебрасывают триггеры 37, 38, на выходах которых формируются сигналы d и е. Из импульсов d и е элементами 44,40 и 45,41 формируются короткие информационные импульсы

g и h. Эти импульсы в течение временных интервалов Т, - Тц через соответствующие входы элементов 48,46,47 поступают на выходы , Njp блока 16 и далее на входы счетчиков 17, 18.

Таким образом, в счетчиках 17,18 записываются .коды Np и Nj, параметров Р и Т в соответствии с алгоритмом (13).

На управляющий вход счетчика 19 подается сигнал в течение времени Ту с выхода формирователя вре- менных интервалов 15. В течение вре

ме Ни Tj счетчики 19 .заполняются импульсами частоты & , несущими информацию о температуре ij в силу справедливости уравнения (5). I

В результате преобразований в счетчиках -17 - 19 оказываются записанными коды информационных

параметров Р и if, а также код дестабилизирующего параметра температуры Т, который в системе дальней- шей обработки информации может быть использован как в качестве информационного, так и для коррекции погрешностей измерений, обусловленных температурными изменениями.

iff

fe ft

ft

.щшщпсршлшшлшпдл

ллллг