Устройство для измерения давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/10 

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к устройствам измерения параметров давления, пульсирующих в процессе работы технологического оборудования. Оно может быть использовано в целях технической диагностики текущего состояния этого оборудования и в качестве измерительного и сигнализирующего прибора, датчики которого могут уста- нэвливаться во взрывоопасных помещениях.

Сущность изобретения.

Недостаточное количество выдаваемых параметров, низкое быстродействие известных измерительных преобразователей давления в электрические сигналы и отсутствие взрывозащищенности не позволяют выполнять в условиях взрывоопасных производств регистрацию пульсаций давлений по их частотным характеристикам, по моментам возникновения импульсов и спадов давления, а также по их средним или средним квадратическим значениям. Однако такие данные необходимы для анализа текущего технического состояния технологического оборудования, своевременного выявления в нем развивающихся дефектов, предупреждения аварий и перевода методов его ремонта от циклов ППР (планово- предупредительных ремонтов) на ремонты по фактическому техническому состоянию. Выполнение последних условий дает эконо00

со

сь о со

со

мию средств за счет уменьшения циклов ремонта оборудования , предупреждении и иск- лючания аварий на производствах.

Предлагаемое устройство обеспечивает искробезопасность цепей его датчиков и позволяет использовать в них упругие элементы с повышенной жесткостью, которые дают } возможность воспроизводить в механических перемещениях все необходимые высокочастотные составляющие импульсов давления и передавать их ферромагнитному сердечнику с массой значительно меньшей массы упругого элемента, а также преобразовывать все его малые перемещения в электрические сигналы электронным безынерционным устройством в соответствующие им импульсные, частотные и усредненные параметры давления с минимальным уровнем помех.

Таким образом, сущность изобретения состоит в обеспечении взрывозащищенно- сти и в повышении точности измерения параметров давленияв его быстропротекающих процессах, чувствительности электронного преобразователя малых перемещений в выходной помехоустойчивый сигнал тока для использования устройства в условиях химических, нефтеперерабатывающих и других производствах с повышенной взрывоопасностью.

Существенные признаки изобретения состоят в том, что устройство для измерения давления содержит последовательно соединенные первичный измерительный преобразователь (датчик) и вторичный функциональный преобразователь, связанные между собой линией связи, где датчик содержит упругий элемент, преобразующий давление контролируемой среды в перемещение, и связанный с ним ферромагнитный сердечник, помещенный в двухобмоточную катушку, соединенную с узлом преобразования перемещения сердечника в промежу- точный сигнал постоянного тока, а вторичный функциональный преобразователь содержит усилитель промежуточного сигнала, узел уставок сигнализации и показывающий прибор.

Отличительная особенность устройства выражена в том, что узел преобразования перемещения сердечника и сигнал постоянного тока содержит высокочастотный управляемый по амплитуде напряжения автогенератор гармонических колебаний, в цепь обратной связи которого включены обмотки катушки датчика, а операционный усилитель генератора содержит Цепи дифференцирования входного сигнала, при этом формирователь выходного токового сигнала, в схему которого включен пороговый элемент, соединенный с первичной обмоткой выходного трансформатора генератора, снабжен усилителем импульсов тока и резистором, установленным в токовой цепи

этого усилителя и одновременно включенным в источник напряжения смещения порогового элемента, а импульсный трансформатор тока того же усилителя своей вторичной обмоткой соединен по0 средством балансного резистора с вторичной обмоткой выходного трансформатора генератора и с подключенными к ней обмотками датчика, а цепь первичной обмотки импульсного трансформатора отделена от

5 цепи фильтра постоянной составляющей токового сигнала конденсатором, которая через линию связи соединена с функциональным преобразователем на ре-, зистор, включенный в цепь нагрузки токово0 го сигнала и введенный в блок искробезопасности, установленный на входе преобразователя, выход которого через повторитель сигнала соединен с импульсным выходом устройства и с измерительны5 ми цепями преобразователя, в состав которых включены интегратор средней величины давления, детектор средней квздра- тической величины пульсации давления и детекторы максимальных и минимальных

0 экстремальных значений выходного сигнала давления, а также коммутатор цепей, включенный в последовательную цепь интегратора и показывающего прибора.

На фиг. 1 изображен первичный изме5 рительный преобразователь (датчик); на фиг. 2 - полная функциональная схема устройства; на фиг. 3 - принципиальная схема узла обработки сигнала датчика; на фиг. 4 - принципиальная схема функционального

0 преобразователя,

Первичный измерительный преобразователь (фиг, 1)содержит корпус 1, присоединительный штуцер 2, упругий элемент 3, соединенный посредством тяги 4 с двухоб5 моточной катушкой 5, выполненной по дифференциальной схеме намотки, и узел обработки сигнала УОС б, соединенный по линии связи 7 (фиг. 2) с функциональным преобразователем 8.

0 На входе преобразователя 8 установлен блок искробезопасности БИВ 9. Цепи питания к преобразователю, 8 подведены также от искробезопасного блока питания 10. Включение блока искробезопасности 9 фун5 кционально совмещено с преобразованием в нем промежуточного токового сигнала датчика в сигнал напряжения. Выход БИБ 9 через кнопочный переключатель КП 11 соединен с интегратором 12 среднего значения величины измеряемого давления, на

выход интегратора подключен показывающий прибор 13. Параллельно к выходу БИБ 9 подключены детекторы среднего квадра- тического значения СКЗ 14 пульсации давления, экстремальных значений по пикам максимума ЭДмакс 15, по пикам минимума Эдмин 16. Кроме того, в преобразователе 8 блок уставок сигнализации Уст 17 и два компаратора К-рмакс 18 и К-рмин 19. Их выходы 20 и 21 предназначены для присоединения внешних устройств сигнализации. Узел обработки сигнала УОС 6 по фиг. 1 содержит электронное устройство (фиг. 3), снабженное высокочастотным управляемым по амплитуде напряжения автогенератором гармонических колебаний, состоящим из операционного усилителя 22, снабженного входной дифференцирующей цепью в виде конденсатора 23 и резистора 24, и колебательным контуром с индуктивностью 25 и конденсатором 26.На выход усилителя 22 через разделительный конденсатор 27 включена первичная обмотка 28 выходного трансформатора 29 автогенератора. К выводу 30 от обмотки 28 присоединен пороговый элемент - транзистор 31, снабженный источником напряжения смещения, выполненным на резисторах 32, 33 и 34. Конденсатор 35 блокирует резистор 34, который присоединен ко второму входу усилителя 22 в качестве источника опорного напряжения, а конденсатор 36 блокирует резистор 32. соединенного с базой транзистора 31. К его коллектору подключен усилитель импульсов тока - транзистор 37 с резистором 38, содержащий резистор 39. установленный в токовой цепи усилителя и одновременно включенный в источник напряжения смещения порогового элемента на базу транзистора 31 через резистор 32 и конденсатор 36. В коллекторную цепь транзистора 37 усилителя импульсов тока включена первичная обмотка 40 импульсного трансформатора 41, зашунтиррванная диодом 42 и котировочным резистором 43. В посл едовательную цепь с обмоткой 40 включены резистор 44 и конденсатор 45, разделяющий цепи переменной и постоянной составляющих импульсов тока. В цепь постоянной составляющей включен фильтр токового выходного сигнала преобразователя, состоящий из конденсаторов 46, 47 и резистора 48, соединенного с клеммой 49 присоединения внешней цепи с линией связи 7 и резистором нагрузки RH . Вторичная обмотка выходного трансформатора 29 генератора 22 содержит секции 50 и 51, соединенные через котировочный резистор 52, заактированного третьей секцией 53. К котировочному резистору 52 присоединена

вторичная 54 обмотка импульсного трансформатора 41, входящая в цепь отрицательной обратной связи по самовозбуждению автогенератора 22. К обмоткам 50 и 51 при- 5 соединены обмотки 55 и 56 датчика 57, сое- диненным с упругим элементом 3 посредством связи 4 (фиг. 1).

Линия связи 7 (фиг. 2) присоединена к входу 58 (фиг. 4) блока искробезопасности

0 БИБ 9. содержащего (про требованиям ГОСТ 22782.5-78) токоограничивающий резистор 59 и стабилитрон 60. В цепь нагрузки токовой цепи сигнала включен резистор 61, а также резистор 62 и диоды 63 и 64. Выход

5 БИБ 9 соединен со входом повторителя сигнала 65, построенным на операционном усилителе и обладающим высоким входным .сопротивлением, его выход bb яёляется выходом импульсного сигнала, к которому мо0 жет быть присоединена дополнительная диагностическая аппаратура (например, осциллограф, спектроанализатор и др.). В устройстве выход 66 соединен с кнопочным переключателем 67-71 и через него со вхо5 дом интегратора 12, содержащего операционный усилитель 72, резисторы 73, 74 и конденсатор 75. К выходу интегратора подключен показывающий прибор 13.

Параллельно к точке 66 подключен де0 тектор среднего квадратического значения пульсаций давления, выполненный на операционном усилителе 76 с резистивными цепями 77-81, диодами 82, 83 и разделительным конденсатором 84. На операцион5 ных усилителях 85 и 86, снабженных электронными ключами 87 и 88 выполнены схемы детекторов максимального и минимального уровней сигнала давления с резистивными цепями 89-94, диодами 95, 96 и

0 конденсаторами 97, 98, соединенными с кнопками 68 и 69 переключателя.

Регуляторы уставок сигнализации 99, 100 соединены параллельно с кнопками 70 и 71 и входами компараторов 101, 102 с

5 резисторами 103-106. Компараторы совместно с транзисторами 107, 108 и реле 109, 110 с контактами 20, 21 Образуют узлы сигнализации 18 и 19 (фиг. 2).

Устройство работает следующим обра0 зом.

Автогенератор гармонических колебаний, выполненный на операционном усилителе 22, самовозбуждается по цепи положительной обратной связи, возникаю5 щей от начального разбаланса мостовой схемы, образованной вторичными обмотками 50.51 и 53 трансформатора 29 с резистором 52 и обмотками 55, 56 датчика 5. Величину разбаланса регулируют резистором 52. Последовательно с цепью положительной обратной связи действует на вход генератора 22 цепь отрицательной обратной связи, образованной обмоткой 54 импульсного трансформатора 41. Соотношением действий положительной и отрицательной.обратных связей определяется условие самовозбуждения автогенератора по балансу амплитуд, баланс фаз задан включением дифференцирующей цепи, состоящей из резистора 24 и конденсатора 23. При развитии амплитуды автоколебаний в генераторе открывается пороговый элемент 31 и усилитель импульсов тока 37, в цепи которого формируется косинусридальный импульс тока. Величина угла отсечки коси- нусоидального импульса задается с делителя напряжения на резисторах 32, 33.34 и 39 в сумме с напряжением n-р перехода транзистора 31 и напряжением снимаемым с отвода 30 первичной обмотки 28 трансформатора 29. В пределах углов отсечки 18-20° постоянная составляющая косинусоидаль- ного импульса тока с достаточной для многих технических измерений точностью пропорциональна амплитуде его первой гармоники, из которой в контуре 25,26 формируется действие отрицательной обратной связи. От падения напряжения на резисторе 39 пропорционально силе тока импульса вводится коррекция на точность формирования импульса по углу отсечки. В результате происходит стабилизация генерируемого напряжения, которое в свою очередь зависит от степени дальнейших разбалансиро- вок индуктивностей обмоток 55, 56 датчика 5 в зависимости от перемещений его сердечника 57, что приводит к соответствующему изменению постоянного тока на выходе 49 фильтра 46, 47, 48.

Принимая во внимание то, что в рассмотренной схеме автогенератор всегда работает в режиме порога генерации, регулируемого автоматически действиями двух обратных связей, его коэффициент усиления по отношению к разности напряжений этих связей стремится к бесконечности и фактически независим от коэффициент передачи сигнала в усилителе 22. Поэтому температурные дрейфы режимов полупроводниковых приборов оказывают минимальное воздействие на точность преобразования. Основная стабилизация режиме работы преобразователя здесь достигается стабильностью работы его моточных элементов в их коэффициентах трансформации и стабильностью резисторов, входящих в делители напряжения.

Баланс нуля в схеме выполняется резистором 52. регулирующим условия начала самовозбуждения, а чувствительность - резистором 43, шунтирующим первичную обмотку 40 импульсного трансформатора 41. Повышение помехозащищенности здесь достигается путем токовой передачи сигнала

по линии связи, поскольку постоянная составляющая импульсов тока не зависит от величины сопротивления нагрузки на выходе 49.

Малая инерционность в передаче сигна0 лов перемещения достигается тем, что генератор работает на частотах порядка 0,25-1.0 МГц. Это условие позволяет получать информацию об импульсах давления в широком спектре низких частот по отношению к

5 частоте генератора.

Сигнал тока, поступающий на вход 58 (фиг.4) создает на резисторе 61 сигнал напряжения .Его величина не превосходит на - пряжение отпирания стабилитрона 60 и

0 передается через резистор 59 на высокоом- ный вход повторителя 65. БИБ 9 построен из предположительного условия возникновения случайного пробоя изоляции и попадания переменного тока с напряжением 250

5 В на выход БИБ 9. В этом случае резистор 59 ограничивает силу тока, а стабилитрон 60 - остаточное напряжение, которое резистором 62 и диодами 63 и 64 не пропускается на вход 58, что обеспечивает требования,

0 предъявляемые к искробезопасности измерительной цепи по ГОСТ 22782.5-78.

В нормальных условиях работы и при отпущенных кнопках 67-71 сигнал с выхода 66 повторителя поступает непосредственно

5 на вход интегратора 12, который в данном случае выдает напряжение пропорциональ-, ное среднему значению давления на показывающий прибор 13. Параллельно с выхода 66 сигнал поступает на детектор СКЗ

0 14 (фиг.2), где (по фиг.4) через конденсатор 84 из сигнала выделяется только переменная составляющая, которая поступает на кнопку 67 по прямой цепи через резистор 80 и через однополупериодный усилитель 76 и

5 -резистор 80. Обе цепи сбалансированы резистором 78 так, что амплитуда усиленного сигнала в два раза превосходит амплитуду прямого. Тогда при нажатии кнопки 67 происходит суммирование этих амплитуд

0 тока в интеграторе 12, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный среднему значению двухполупериодного выпрямления переменной составляющей пульсации давления, которая приравнива5 ется посредством масштабирования к СКЗ гармонического сигнала.

Экстремальный детектор ЭДмакс 15 открывает с помощью усилителя 85 электронный ключ 87, когда напряжение на выходе 66 превосходит напряжение на

конденсаторе 97. Тогда при открытом ключе 87 происходит подзаряд конденсатора до максимального уровня напряжения, а затем, при спаде напряжения на выходе 66, усилитель 85 через диод 95 запирает ключ 87 оставляя заряд на конденсаторе. Разряд конденсатора 97 осуществляется через его резистивные нагрузки. При нажатий кнопки 68 напряженнее конденсатора поступает на вход интегратора 12 и через него на показывающий прибор 13.

Уставка предела срабатывания сигнализации производится при нажатии кнопки 70 путем вращения ручки резистора 99, напряжение с которого поступает на интегратор 12 и контролируется прибором 13. В процессе работы напряжение уставки и конденсатора 97 сравниваются компаратором 101, снабженного сигнализирующим устройством 20.

По аналогичной схеме работает ЭД- мин 16 с усилителем 86.

Таким образом обеспечивается взрыво- защищенность и повышается точность измерения параметров давления в его быстропротекающих процессах, чувствительность электронного преобразователя малых перемещений в выходной помехоустойчивый сигнал тока, что позволяет использовать предлагаемое устройство в условиях химических, нефтеперерабатывающих и других производствах с повышенной взрывоопасностью.

Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее последовательно соединенные через линию связи первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде размещенных на феррмаснитном середеч- нике, связанном с упругим элементом, двух обмоток дифференциально-индуктивного

датчика давления, включенный в цепь об ратной связи усилителя в управляемом генераторе высокочастотного переменного напряжения, в цепь управления амплитудой 5 которого включен детектор выходного сигнала, и вторичный функциональный преобразователь с интегратором, выходом соединенным с показывающим прибором. отличающееся тем, что во вторичный

0 функциональный преобразователь введены последовательно соединенные цепь искро- защиты, вход которой является входом функциональногопреобразователя, согласующий усилитель и коммутатор, вы5 ход которого подключен к входу интегратора, а также детекторы среднеквадратичного значения максимальных и минимальных амплитуд пульсаций с сигнализаторами, включенные между выходом цепи искроза0 щиты и соответствующими дополнительными входами коммутатора, детектор выходного сигнала выполнен в виде порогового элемента, связанного с первичной обмоткой трансформатора генератора

5 высокочастотного переменного напряжения, усилителя импульсов тока с импульсным трансформатором, выходом связанного с управляющей цепью смещения порогового элемента, последовательно

0 включенных в цепь первичной обмотки импульсного трансформатора усилителя импульсов тока, нагрузочного резистора, разделительного конденсатора и фильтра низких частот, выход которого является вы5 ходом первичного измерительного преобразователя, при этом вторичная обмотка импульсного трансформатора связана с вторичной обмоткой трансформатора генератора высокочастотного перемен но го

0 напряжения, усилитель которого выполнен в виде операционного дифференцирующего усилителя.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для индикации и контроля давления в системах технической диагностики текущего состояния оборудования а- ботающего в отраслях промышленности, связанных с получением, хранением или переработкой взрывоопасных веществ. Электронный манометр содержит первичный измерительный преобразователь, включающий упругий элемент, соединенный посредством тяги с дифференциальным индуктивным полумостом электронного блока обработки сигнала, функциональный преообразователь, блок искробезопасно- сти. конечный переключатель, индикатор среднего значения величины давления, показывающий прибор. Манометр позволяет контролировать несколько видов параметров давления, например среднее его значение в интегральном выражении за определенный интервал времени, среднюю квадратическую величину пульсации давления, пиковые значения по максимуму и минимуму , параметры пиков с временными и амплитудными характеристиками и др. 4 ил. СП с

ю

Фиг. 1

20

21

Фиг.I

S2

j Фиг- $

--, $ВЛ В 68 69 JO n

ч j ni.

rilJTI

l/g Вь/х pj.

, ..

T

I

пит .. 7S

7П

106 18 &

Фиг,4