Измеритель разности двух давлений Советский патент 1993 года по МПК G01L7/00 

Предполагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных системах автоматического управления, где измеряются давление, разность двух давлений или расход жидкостей и газов.

Целью предполагаемого изобретения являются повышение точности измерения разности двух давлений и повышение функциональных возможностей устройства.

На фиг. 1, 2, 3 представлены общий вид преобразовательной части измерителя и сечения, поясняющие его конструкцию; на фиг. 4 - структурная схема вторичного преобразователя измерителя; на фиг. 5 -схема хода оптических лучей в призменном блоке совместно с призмой полного внутреннего отражения; на фиг. 6 - структурная схема блока обработки сигнала; на фиг. 7 - картина интерференции на клине; на фиг. 8 - картина образования интерферирующих лучей в клине; на фиг. 9 - интерференционные полосы и относительное размещение апертуры линейной матрицы; на фиг. 10 - распределения интенсивности интерференционной полуполосы на апертуре линейной матрицы для различных моментов времени при движении полос справа налево.

Предложенный измеритель разности двух давлений содержит, первичный преобразователь, включающий в себя кольцевое основание 1 с боковой прорезью, к внешним торцам которого по всему периметру прикреплены предварительно изогнутые навстречу друг другу и жестко соединенные между собой тягой 2 мембраны 3 и 4, два фланца 5 с мембранной полостью каждый и подводящим трубопроводом 6. установленным на фланце с противоположной стороны мембранной полости и связанным с присоединительным основанием 7, каждый фланец 5 своей мембранной полостью по всему

00

Ю 4 СЛ

периметру прикреплен по другую сторону соответствующей мембраны 3 и 4, на тяге 2 жестко установлена пластина 8, выступающая за боковую прорезь кольцевого основа- ния 1; вторичный преобразователь, включающий в себя оптически последовательно сопряженные источник когерентного излучения 9, первую диафрагму 10, объектив 11, вторую диафрагму 12, приз- менный блок 13, призму полного внутренне- го отражения 14, связанную через призменный блок с линейной матрицей 15 фотоприемников 16, которая электрически через блок 17 обработки сигнала связана с регистрирующим блоком 18 (фиг. 1, 2, 3, 4).

Конструктивно преобразовательная часть измерителя разности двух давлений выполнена на присоединительном основании 7, которое закрепляется на каком-либо объекте, например трубопроводе, посредст- вом лапок 19, преобразовательная часть защищена кожухом 20 и содержит: корпус 21, в котором на резьбе установлена плата 22 из электроизоляционного материала, служащая для закрепления посредством клея когерентного источника света 9 в виде, например, световода типа ЗЛ1-02Б, и диафрагма 10, в оправе 23 установлены объектив 11 и вторая диафрагма 12. Поскольку световод 9 и диафрагма 10 установлены в фокальной плоскости объектива 11, то они являются точечным источником света для последнего и лучи от них после объектива идут параллельным пучком. Для исключения влияния пространственной когерентности источни- ка 9 пучок света после объектива 11 обрезается щелевой диафрагмой 12 до необходимых размеров. В корпусе 21 посредством винтов установлена планка 24, в которой посредством клея закреплен приз- менный блок 13, выполненный из трех призм полного внутреннего отражения: один большой, на катетние грани которой своими гипотенузными гранями установлены на клей две маленькие, причем места стыка призма в призменном блоке имеют полупрозрачное покрытие. С небольшим воздушным зазором di, составляющим 1 мм, за призменным блоком своей срезанной вершиной на выступающую часть план- ки 8 установлена посредством клея призма полного внутреннего отражения 14. Для сохранения параллельности между гипотенуз- ными гранями призмы 14 и большой призмой призменного блока 13, т.е. парал- лельности размера di (фиг. 4 и 5) во время установки призмы 14 на планку 8, между призмой 14 и призменным блоком 13 устанавливается на оптический контакт плоскопараллельная технологическая пластина (на

чертежах не показана), которая после установки корпуса 21 посредством кронштейна 25 на присоединительное основание 7 и затвердевания клея между призмой 14 и планкой 8 разблокируется от оптического контакта и убирается из конструкции (фиг. 1, 4,5).

В одном из двух световых потоков, выходящих из призменного блока 13, установлена линейная матрица 15 фотоприемников 16 типа ЛФО-5 или ФПП38Л. Матрица 15 установлена посредством клея на электроизоляционную подложку 26, служащую одновременно печатной платой для ряда входных элементов блока обработки сигнала 17 и имеющая возможность перемещаться вместе с линейной матрицей 15 поперек падающего на линейную матрицу светового потока,

Трубопроводы 6 своей внутренней полостью посредством отверстий в присоединительном основании 7 связаны со штуцерами 27, посредст вом которых производится подсоединение предложенного измерителя разности двух давлений к какому-либо трубопроводу или конструкции (фиг. 1-5).

Детали первичного преобразователя: кольцевое основание 1, тяга 2, мембраны 3 и 4, фланцы 5, трубопроводы 6 и пластина 8 выполнены из плавленого (аморфного) кварца, причем соединены жестко и герметично между собой посредством сварки расплавленным кварцем.

Блок обработки сигнала 17 содержит: коммутатор 28, п входов которого связаны с линейной матрицей 15 фотоприемников 16, а выход электрически последовательно связан с линейным усилителем 29, стробируе- мым компаратором 30, демультиплексором 31, п триггерами памяти 32, каждый с тремя выходами, связанными соответственно со схемой ИЛИ 33, детектором направления перемещения 34 и первым буферным регистром 35, выход которого связан с первым входом контроллера 36, выход схемы ИЛИ 33 и два выхода детектора направления перемещения 34 через счетчик полос 37 связаны с п входами второго буферного регистра 38, выход которого связан со вторым входом контроллера 36, один выход контроллера 36 через селектор адреса 39 связан с п+1-м входом коммутатора 28 и вторым входом демультиплексора 31 соответственно, третий выход селектора адреса 39 через генератор строба 40 связан со вторым входом стробируемого компаратора 30 и вторым входом каждого из п триггеров памяти 32, а второй выход контроллера связан с регистрирующим блоком 18.

Принцип работы вторичного преобразователя, измеряющего перемещение тяги 2, а вместе с ней пластины 8 и призмы 14, при измерении разности двух давлений основан на интерференции света.

Луч света, выйдя из световода 9 и пройдя диафрагму 10, находящуюся в фокусе объектива 11, является точечным источником для последнего. Поэтому пройдя объек- тив 11, луч :светгГ выходит из него параллельным пучком, т.е. имеет плоский фронт волны. Для исключения влияния пространственной когерентности источника 9 пучок света после объектива 1.1 обрезается щелевой диафрагмой 12 до необходимой ширины b и попадает на призменный блок 13. Призменный блок 13 имеет два светоде- лителЪных слоя, расположенных под углом 90° друг относительно друга (поверхности А и AI на фиг; J5). Прохождение пучка света в призменном блоке 13 хорошо видно из фиг. 5, где в % указаны энергетические уровни пучков, естественно, без учета небольших потерь на отражение и поглощение.

; Пройдя призменный блок 13, часть пуч- ка (25%) попадает на линейную матрицу 15, а другая часть пучка ( 50%) попадает на призму 14 и, выйдя из нее, попадает обратнрна призменный блок 13с другоиего стороны и снова делится на два пучка на поверхности At. Лучи, прошедшие призменный блок 13, интерферируют с лучами, отразившимися от призмы 14.

Рассматриваемый (фиг. 5) интерферометр flferisetCR, по существу, измененной схемой двухлучевого интерферометра Цёни дера-Маха и Рождественского .

Как известно, существуют различные виды полос интерференции. Возможность появления различных видов полос вытекает из условия максимумов для разности хода А возникающей в прозрачном плоскОпарал- лельном слое диэлектрика при произволь- ном угле падения луча на интерференционное ;устрОйство, например плоскбпараллёльную пластину: A 2dmcosr k Я,(1) где d-толщина слоя диэлектрика;

щ - показатель преломления;

г-угол падения луча на вторую повер- хность прозрачного слоя; А-длина волны;

k-порядок интерференции (равен числу длин волн, укладывающихся в разности хода);

Формула (1) дана без учета потери фазы. , . ....

Основное выражение для интерференции -...

f lo{H-cos(2jr/A ) A- cos0 }, (2) где to - интенсивность падающего луча;

А- геометрическая разность хода в. интерферометре;

Э- угол, однозначно связанный с углом падения луча на первую поверхность.

В дальнейшем нас интересуют полосы равной толщины, условием существования которых является

A const; О -const.

При использовании световода 9 с заданной длиной волны излучения и при показанном на фиг. 5 ходе лучей угол Опадения луча на. первую плоскость А призменного блока 10 будет 0 450 const, т.е. условие (3) соблюдается. : : / ., , :- .... ,, ; ,.: .: .

Полосы равной толщины образуются в интерферометре в результате изменения разности хода при пересечении вторичных лучей, возникающих из одного направления первичного луча, т.к; полосы равной толщины - это геометрическое место точек, и которых пересекаются интерферирующие лучи, вЬзникающие из единого направления первичного луча и имеющие некоторую постоянную разность хода А.

На фиг; 7 приведена схема образования полос равной толщины на клиновидной пластине, освещаемой наклонным параллельным фронтом волны. После деления пучка на первой поверхности пластины по амплитуде и отражения от второй поверхности в разных ее точках образуются две ветви когерентных лучей. В одной из них луч отразится под углом i от первой поверхности клина, а в другой переломится внутри клина и, отразившись под углом гот второй поверхности, выйдет в то же пространство, что и первый луч. В точках пересечения AI.AZ, ... вторичных интерферирующих лучей возникает интерференционный эффект, т.е. будет наблюдаться интерференционные максимумы и минимумы, согласно (2).

Выражение для ширины интерференционной полосы р, под которой понимается расстояние от максимума до максимума интенсивности в двухлучевой интерферометрии, можно определить из построений фиг. -8, где изображен частный случай перпендикулярного падения лучей 1 и 2 на вторую грань клина, имеющего угол а.. В этом случае интерференционная картина локализована на первой поверхности клина и ширина полосы b определяется следующим образом.

Разность хода в точках А и В равна

(d2-di)A,

где 2(d2-di)2bsina , Тогда из-за малости а имеем

где 2(d2-di)2bsina . Тогда из-за малости а имеем

ь-44- 4)

Соотношение (4) доказывает, что линейная ширина интерференционной полосы равной толщины зависит только от угла схождения &). Для гюлучения достаточно широкой полосы (1-2 мм) угол (О должен быть малым. Пусть светодиод 9 работает в видимой области спектра и ,5 мм. Для того чтобы получить ширину полосы мм, следует расположить когерентные источники на угловом расстоянии 5 104 рад, что соответствует углу схождения 60.

С уменьшением угла схождения а) ширина b полосы стремится к бесконечности, т.е. если поверхности А и Б (фиг. 5) будут строго параллельны, то отраженные от них встречные лучи будут также параллельны и интерференционную картину на плобкости линейной матрицы 15 Можно будет наблюдать, толькб если Перед матрицей установить объектив; а саму матрицу расположить в фокальной плоскости объектива.

Установки объектива перед матрицей 15 можно избежать, если отражающую плоскость Б у призмы 14 бы пол нить под некоторым углом а к плоскости А призменного блока 13. Так, задаваясь мм для ,5 мкм, имеем «И ,25 рад 25,7, и таким образом выполняя угол при вершине призмы 14 равным 90°-а и сохраняя параллельными грани AI и Bi (фиг. 5), можно обеспечить постоянную заданную ширину полос равной толщины, наблюдаемую на плоскости линейной матрицы 15.

Для фиг. 5 введем следующие обозначения:- . . .:-;;.: : :;; ;: , ,., ; . -. : .

d - расстояние между двумя отражающими гранями 3,5 мм;

dt - расстояние между призменным блоком 13 и призмой 14 полного внутреннего отражения 1 мм. Тогда из (1) имеем

A 2(d-d i)n i+diicosr

2 2dm-di(ni-1), (5) Tax при , ,5 для ,5 имеем ,7175 мм kA и k 13435,033. Из (5) видно, что переменным параметром дли разности хода А является di. Таким образом, изменяя di при соответствующем перемещении тяги 2, которому соответствует определенная разность измеряемых давлений, можно путем считывания числа интер- ферейцйонных максимумов определить аеличину измеряемой разности двух давлений. : .:- :

10 мм

Для этой цели выделим в выражении (5) изменяемую часть, т.е. с членом di, представив его в виде

Л .До+Д1,(6) где До - некая базовая разность хода, не зависящая от размера di,

Ai - разность хода, зависимая от изменения расстояния di и равная

(ni-1)(7) или

.,7071di k i A При подставке сюда известных данных имеем . . -

А ,707 ,2 при ,5мкм

Таким образом, при классической интерферометрии, когда считается число максимумов интенсивности, или, что то же самое, определяется волновое число ki, аб- солютная погрешность измерения расстояния di будет равна длине волны А , соответственно, число отсчетных единиц будет равно ki.

Современные линейные матрицы фото- приемников типа ЛФО имеют, Например, 1024 фотоприемника на длине 20 мм, т.е. расстояние между каждым фотоприемником ,02 мм. Если в такой матрице исполь- зовать п фотоприемников 16, т.е. полушириной интерференционной полосы засвечивать п фотоприемников (фиг. 9 и 10), то это однозначно квантованию каждой длины волны А на 2п.

Так, задаваясь , т.е. восьмиразряд- ным квантованием полуширины в/ч интерференционной полосы, выражение (7) может быть переписано в виде

Ai-dicosMJ,7071di-lci- (8)

отсюда k или абсолютная, погрешность измерения будет в 2п раз меньше, чем при классической интерферометрии.

Допустим, измеритель рассчитан на измерение давления от 1 до 104 Па. Для мембраны 3, 4 с наружным радиусом ,5 см, толщиной ,2 мм и для кварца 10 kr/см2, максимальное удельное давление на единицу площади ,1 кг/см2 и прогиб мембраны составит. (Справочник

машиностроителя, т.З. М.: Машгиз, 1956, с. 193).

,17

0,170,1 1,54

105 0.023

Е -h° 0,215156 мм

и Ai fcosr 0,215156-0,,152137 мм(9)

Поскольку

я

ТгГ

5

3,9-КГ6

2-64

мм, то число отсчетных единиц в этом диапазоне перемещений будет

П1о,е

0.152137мм .

3,9

38947,1 о.е.

Таким образом, абсолютная погрешность измерения будет

10 Па Ю4Па .

60,257 Па,

кю.е, 38947 что для большинства задач считается вполне приемлемой точностью, поскольку относительная погрешность будет

е .57 .

Строго говоря, погрешность можно уменьшить и далее, однако при этом растут габариты призменного блока 13, призмы 14, объектива 11 и диафрагмы 12, поскольку ширина интерференционной полосы определяется из выражения

Ч

где t-шаг фотоприемников в линейной матрице.

Так, при 64 0,,56 мм и из (4)

„ К 5 2 -2.56мм

1,95-10 4раД 40,2 : Из фиг. 10 можно определить направление движения полос. Так, если рассматривать два фотоприемника п-2 и п-1, то если в моменты времени ti и 12 амплитуда интенсивности у фотоприемника п-1, то полосы движутся справа налево. Если же амплитуда интенсивности у фотоприемника п-2 в те же моменты времени меньше, чем у фотоприемника п-1, то полосы движутся слева направо. Это обстоятельство позволяет определить знак перепада давления.

Картины, представленные на фиг. 10. анализируются блоком обработки сигнала 17, который работает следующим образом.

Ток любого фотоприемника 16 линейной матрицы 15, соответствующей интенсивности через коммутатор 28, построенный на основе интегральной схемы (ИС) типа 590КНЗ или 591КН1, в соответствии с выбранным n-м каналом поступает на вход усилителя 29 с автома- тической регулировкой усиления, выполненного на основе операционного усилителя ОУ типа 574УД01 или 154УД1. Усилитель 29 с АРУ служит для нормирования уровней входных сигналов. Далее сигнал поступает на стробируемый компаратор 30 типа 521 САЗ, предназначенный для преобразования аналоговых сигналов в дискретные с уровнями ТТЛ.

Далее через демультиплёксор 31, выполненный на ИС типа 133КП1. в соответствии с выбранным фотоприемным каналом дискретный сигнал записывается в один из D-триггеров памяти 32, выполненных на ИС типа 133ТМ2. На выходе каждого триггера памяти 32 сигнал разветвляется на три выхода и поступает в три адреса: схему ИЛИ 33, детектор 34 направления перемещений и первый буферный регистр 35.

Схема ИЛИ 33, определяющая накопленное число п сигналов и выполненная на ИС типа 133ЛЕ2, вырабатывает сигнал для счетчика 37 интерференционных полос, выполненного на ИС типа 133ИЕ7. Детектор 34 направления перемещений полос, построенный на ИС 133 серии, управляет направлением счета счетчика полос 37. С триггеров 32 и счетчика полос 37 сигнал поступает через буферные регистры 35 и 38 непосредственно на вход контроллера 36. управляющего работой блока 17 и вычисляющего перемещения.

При большой скорости перемещения полос контроллер 36 снимает показания только со счетчика полос 37, в этом случае точность отсчета не является определяющей - важно знать порядок перемещения.

При медленном перемещении полос показания снимаются как со счетчика полос 37, так и непосредственно с D-триггеров 32, Затем путем математической обработки происходит вычисление величины перемещения.

Контроллер 36 вырабатывает сигналы управления селектором адреса 39 и другими элементами блока и собран на ИС и БИС серии 580 и 533.

Селектор адреса 39 предназначен для управления работой коммутатора 28, де- мультиплёксора 31, D-триггерами 32 и стро- бируемого компаратора 31 через генератор стробов 40. Селектор адреса в зависимости от записанного в него контроллером 36 адреса переключает каналы коммутатора 28 и демультиплексора 37, а также вырабатывает сигналы управления работой генератора стробов 40.

Вследствие того что при переключении коммутатора 28 в усилителе с АРУ 29 возникают переходные процессы из-за разницы входных токов, генератор стробов 40 вырабатывает сигнал разрешения для работы стробируемого компаратора 30 с задержкой относительно момента переключения коммутатора 28 и выключает его незадолго до следующего переключения коммутатора, т.к. существенно зауживает импульс с коммутатора, обеспечивая этим самым его более помехоустойчивым.

Внутри строба разрешения работы компаратора 30 в зависимости от выставленного адреса генератор строба 40

вырабатывает сигнал записи в один из D- триггеров 32. Селектор адреса выполнен на ИС серии 580 и 533. На плате 26 размещены коммутатор 28, усилитель 29 и стробируе- мы.й компаратор 30. Остальные элементы блока обработки сигнала 17 и регистрирующий блок 18 размещены конструктивно в отдельном корпусе.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Включается световод 9 и его луч, пройдя диафрагму 10, объектив 11 и диафрагму 12, попадает в виде узкого пучка с плоским фронтом волны на призменный блок 13. На первой полупрозрачной поверхности А призменного блока происходит разделение пучка света по амплитуде на две равные части: одна часть пучка проходит большую призму полного внутреннего отражения призменного блока 13, образуя 1-е плечо интерферометра, попадает на вторую полупрозрачную поверхность AI призменного блока, снова делится пс амплитуде на две равные части (что показано направлением и частотой штриховки на фиг. Б) и выходит из блока 13, попадая на линейную матрицу 15 фотоприемников 16; вторая часть пучка выходит из призменного блока 13, проходит изменяющийся в зависимости от давления воздушный промежуток di, попадает на призму полного внутреннего отражения 14, образуя 2-е плечо интерферометра, выходит из призмы 14 и, пройдя снова воздушный промежуток dt, попадает в призменный блок 13, где делится по амплитуде на две равные части на грани AI и, выйдя из призменного блока, попадает на линейную матрицу 15.

Интерферирующие лучи первого и второго плеч интерферометра создают движущуюся в зависимости от разности двух давлений интерференционную картину на плоскости линейной матрицы, показание интенсивности которой фиксируются фотоприемниками 16 и после блока 17 обработки сигнала полученная на выходе контроллера 36 информация направляется на регистрирующий блок 1.8, который может быть выполнен в любом виде в зависимости от потребностей измерителя разности двух давлений.

Предложенный измеритель разности двух давлений имеет следующие преимущества в сравнении с аналогами и прототипом;

-получена высокая точность измерения с относительной погрешностью 0,002- 0,003%; .-:.

- выполнение деталей первичного преобразователя из кварцевого стекла позволяет устанавливать предложенное устройство в агрессивных средах, что увеличивает его функциональные возможности;

- использование оптических методов измерения во вторичном преобразователе исключают паразитное влияние внешних электромагнитных помех на точность измерения, что также увеличивает его функциональные возможности.

Формула изобретения Измеритель разности двух давлений, содержащий первичный преобразователь,

0 выполненный в виде первого и второго корпусов, каждый из которых содержит мембрану и соединен посредством первого и второго соответственно подводящих трубопроводов с тягой и основанием, и вторич5 ный преобразователь с блоком обработки сигнала и блоком регистрации, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения, в первичный преобразователь введена

0 пластина,установленная натяге, основание выполнено в виде кольца, с прорезью в боковой части, к торцам которого по всему периметру прикреплены мембраны, выполненные изогнутыми навстречу друг другу,

5 при этом мембраны, корпусы, трубопроводы, тяга и пластина выполнены из плавленого кварца, вторичный преобразователь выполнен в виде последовательно расположенных и оптически сопряженных источни-.

0 ка когерентного излучения, первой диафрагмы, объектива, второй диафрагмы, призменного .блока, выполненного в виде первой, второй и третьей призм полного внутреннего отражения с полупрозрачными

5 контактирующими поверхностями четвертой призмы полного внутреннего отражения, основание которой установлено на выступающей из кольцевого основания части пластины, и приемного устройства, вы0 полнённого в виде линейной матрицы из п фотопрйемников, причем гипотенузные грани первой и второй призм полного внутреннего отражения установлены на катетной грани третьей призмы полного внутреннего

5 отражения, а блок обработки сигнала выполнен в виде последовательно соединенных коммутатора, к входам которого подключены выходы фотоприемников, линейного усилителя, стробирующего компа0 ратора, демультиплесора, п элементов памяти, схемы ИЛИ, счетчика полос, второго буферного регистра, контроллера, первый выход которого подключен к регистрирующему блоку, селектора адреса

5 и генератора строба, детектора направления перемещения и первого буферного регистра, к входам которых подключены выходы элементов памяти, к входам которых подключен второй выход генератора строба, первый выход которого соединен с

вторым входом стробирующего компар ато-ра направления перемещения и выход перра, при этом второй и третий выходы селек-вого буферного регистра подключены сооттора адреса подключены соответственно кветственно к второму и третьему входам

вторым входам коммутатора и демультип-счетчика полос и второму входу контроллелексора, а первый и второй выходы детекто-5 ра.

ь

СМ,ф#Г,2)

84

Сущность изобретения: устройство содержит кольцевое основание с прорезью в боковой части, тягу, две изогнутые навстречу друг другу мембраны, два трубопровода, пластину, источник когерентного излучения, две диафрагмы, объектив, призменный блок из трех призм полного внутреннего отражения, приемное устройство, регистрирующий блок, коммутатор, усилитель, стро- бирующий компаратор, демультиплексор, п блоков памяти, схему ИЛИ, детектор направления перемещения, два буферных регистра, счетчик полос, контроллер, селектор адреса, генератор строба. Пластина установлена на тяге. Мембранные корпуса соединены с кольцевым бснованием и тягой посредством трубопроводов. Основание четвертой призмы установлено на выступающей из кольцевого основания части пластины, а гипотенузные грани первой и второй призм установлены на катетные грани третьей.8 ил.. in С

50

Фиг, Ъ.

.ФигЛО