Тепловой манометр Советский патент 1981 года по МПК G01L21/10 

(54) ТЕПЛОВОЙ МАНОМЕТР

., . ,,. 1 ,. : . : Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловым вакуумным манометрам. Известные тепловые манометры состоят из нагревателя в виде ленты и термочувствительного элемента, например термопары, спай которой приварен к серединенагреваемой током ленты .l. Недостатком таких манометров является.низкая чувствительность, значительная пЪгрешность измерения трудность реализации дистанционной системы измерения из-за низкого уро ня выходного сигнала термопары, несущего: полезную информацию. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является тепловой манометр, содержащий датчи давления с нагревательным и термочувствительным элементс1ми, подсоеди ненный к измерительной схеме. В ка честве термочувствительного элемен используется кварцевый элемент jp за. В качестве нагревателя использу ся металлическая дорожка, нанесенн по периферии кварцевого элемента. Кварцевый элемент с нагревательным элементом конструктивно выполнен в виде датчика, подсоединенного к измерительной схеме,включающей цепь задачи тока нагревательного элемента, усилитель с положительной обратной связь1о и измерительный прибор. Кварцевый элемент подсоединен к усилителю с поло кительной обратной связью и используется в качестве частотозадающего элемента автогенератора. При изменении измеряемого давления изменяется температура нагревателя и кварцевого элемента, что приводит к изменению частоты автогенератора. Это изменение частоты выходного сигнала функционально связано с измеряемым давлением 2. Недостатками теплового манометра этого типа является низкая точность измерения, поскольку термочувствительный кварцевый элемент jr -среза в одинаковой мере реагирует как.на изменение температуры нагревателя, так и на изменение температуры окружающей среды, а также большая тепловая инерционность, поскольку масса кйарцевого элемента значительно больше массы нагревательного элемента и для достижения теплового равновесия при- вновь установившемся значении измеряемого давления требу- ется длительное время. Такой манометр нельзя использовать для измерения, относительно быстроизменяющихся давлений.

Целью изобретения является повышение точности измерения давления и уменьшение тепловой инерционности манометра;

Эта цель достигается тем, что в тепловом манометре, содержащем -датчик давления с размещенным в корпусе чувствительным элементом и измерительную схему, включающую токовую цепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источнико постоянного напряжения, регулировочны сопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной связью и выходной измерительный прибор, в датчик давления введен кронштейн, закрепленный в корпусе, а чувствител ный элемент выполнен в виде металлической струны, помещенной в воздушный зазор магнитной системы возбуждения ее колебаний, причем концы струн закреплены на стойках кронштейна и подключены ко входу усилителя, при этом токовая цепь нагрева включена параллельно входу усилителя и содержит последовательно включенный с источником постоянного напряжения дроссель.

С целью уменьшения температурной погрешности в манЬметре датчик давления может быть снабжен дополнительной струной, идентичной первой, концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещена в воздушный зазор дополнительной магнитной системы возбуждения ее колебаний. При этом струны расположены симметрично относительно ося симметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель и второй усилитель с положительной обратной связью, ко входу которого подсоединена дополнительная струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору.

На фиг. 1 изображен датчик теплового манометра, разрез,- на фиг. 2, 3 и 4 - сечения А-А, Б-Б, В-В; на фиг. 5 - измерительная схема теплового манометра.

Датчик теплового манометра состои из корпуса 1 (фиг.1), внутри которог на резьбовой шпильке 2 установлен кронштейн 3. На кронштейне 3 жестко закреплены стойки 4 и 5. На плоскост стойки 5 укреплена планка б. Торцы стойки 4 и планки б лежат в одной плоскости. Концы струны 7, имеющей. начальную упругую деформацию растяжения, закреплены на стойках 4 и 5, кронштейна 3 посредством накладок 8 и 9 i Струна 7 помещена в воздушный зазор магнитной системы возбуждения колебаний 10 (фиг. 2), жестко установленной на кронштейне 3. Конец

струны 7, закрепленный на стойке 4, электрически связан с корпусом 1 датчика. Для реализации струнного автогенератора с магнитоэлектрически способом возбуждения автоколебаний второй конец струны 7 изолируется от корпуса 1 датчика посредством слюдяной прокладки 11 (фиг. 3) и слюдяных шайб 12 и 13, подложенных под головки.крепежных винтов 14, 15. Металлические шайбы 16 и 17 служат для более равномерного распределения усилий, действующих на слюдяные шайбы 12 и 13 при затяжке винтов 14 и 15. Между телом винтов 14 и 15 и отверстиями в планке б имеется воздушный зазор. Винты 18 служат для поджатия накладок 8 и 9 при фиксации концов струны 7. Конец струны 7, изолированный от корпуса 1, присоединяется к электрическому гермовыводу 19 (фиг. 1). Электрический вывод второго конца струны 7 снимается с корпуса датчика. Корпус 1 закрывается крышкой 20.

Концы струны 7 подсоединяются к входным клеммам аи б электронного усилителя 21 с положительной обратно связью (фиг. 5). Мостовая схема, в одно из плеч которой включена струна 7, является частью входного каскада электронного усилителя 21. Параллельно входу а-б усилителя 21 подключена цепь.задачи тока, обеспечивающего нагревание струны 7. Эта цепь состоит из последовательно включенных дросселя Dp, стабилизированного источника постоянного напряжения U, . переменного резистора Rp, измерительного сопротивления Ra, и амперметра тА. Дроссель Ор необходим для того, чтобы избежать эффекта шунтирования струны 7 по переменному току (току подкачки) цепью задачи тока подогрева. Переменный резистор ftp обеспечивает регулировку тока нагрева струны 7. Ток нагрева может контролироватьс или путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении R с помощью компенсатора, либо цифрвого вольтметра, или по стрелочному амперметру шА.

После, балансировки моста путем изменения величины балансировочного сопротивления Rg и включения напряжения питания усилителя 21 струна 7 вместе с усилителем образует струнный автогенератор, частота которого определяется температурой струны 7. Амплитуда колебаний струны 7 регулируется путем подбора величины тока положительной обратной связи за счет изменения сопротивления резистора . ос. - выхода усилителя 21 электрический частотио-модулированный сигнал может быт-ь подан на цифровой измерительный прибор 22 или аналоговый измерительный прибор 23. В качестве Цифрового прибора 22 может быть использован любой стандартный ;электронносчетный частотомер. Тепловой манометр работает следующим образом. При отсутствии тока разогрева час тота струнного автогенератора опреде ляется дилой начального натяжения струны 7. После подачи тока разогрева от стабилизированного источника постоянного напряжения струна 7 нагр вается и сила ее продольного натяжения уменьшается, что приводит к умен шению частоты автогенератора. По мере уменьшения давления газообратной среды отвод тепла от струны 7 в окру жающую среду за счет теплопроводност уменьшается и температура струны 7 возрастает. С ростом температуры уменьшается сила продольного натяже ния струны 7 и частота струнного автогенератора. При неизменном напряжении источника постоянного тока разогрева частота струнного автогене ратора будет однозначн9 связана с измеряемым давлением функциональной зависимостью. Частота струнного автогенератора лпри нормсшьном атмосферном давлении в основном зависит от силы натяжения -струны 7 и в первом приближении может быть определена выражением - (1) где fjj - начальная частота колебани струнного автогенератора при нормальном атмосферном давлении (9,81-10- Па); Fg - сила продольного натяжения струны 7; io - напряжение растяжения в струне 7 8р - длина струны 7; S - площадь поперечного сечени струны 7;. J - плотность материала струны В соответствии с законом Гука величина начальной упругой д: еформац струны 7 , , ле, , (2) где дВчу- начальная упругая деформация струны 7; Е - модуль упругости второго рода материала струны 7. Откуда: (3) выражение (1) примет С учетом 2Ео р Во После того, как по струне 7 будет пропущен постоянный TQK I, струна 7 разогреется и ее температура будет превышать температуру окружающей среды на величину,i Л.о ° co -oii начальная упругая деформация струны 7 дЕч; уменьшается на величину, У tcroL л to у dL - температурный коэффициент линейного расширения материала струны 7. Частота колебаний струнного автогенератора после включения тока разогрева с учетом уравнений (4) и (6) - J Е(де - ) /74 Y - Изменением модуля упругости при изменении температуры струны 7 с точностью, вполне приемлемой для инженерных расчетов, пренебрегаем вследствие малости. .Уравнение теплового- баланса струны 7, нагретой током с учетом того, что основная часть тепловой энергии рассеивается за счет теплопроводности газа, а теплопроводность через элементы преобразователя, а также за счет конвекции и лучеиспускания пренебрежимо мала, будет иметь вид (Vt,o)|(ie-too), ,3с где 3 - ток разЬгрева, текущий по струне 7; R - активное сопротивление: струны 7; X - коэффициент теплопроводности газа, давление которого. изменяется; а - коэффициент, зависящий от геометрических размеров струны 7 и корпуса 1 датчика;t - текущее значение температуры струны 1; djj - внутренний диаметр корпуса 1 датчика) dj. - диаметр струны 7. При плотности газа, соответствующей области атмосферного давления, теплопроводность газа % практически не зависит от его плотности, т.6. не зависит от изменения давления. По мере уменьшения давления во внутренней полости датчика средняя длина свободного пробега молекул газа становится того же порядка, что и расстояние между струной 7 и стенками корпуса 1 датчика. В этом случае теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул и зависит, главным образом, от давления газа (его плотнорти), а не от его температуры. На основании вышесказанного можно считать, что в области относительно низких давлений коэффициент теплопроводности функционально связан с из ряемЕлм давлением (Р). где Р - давление газа в корпусе 1 датчика. Из выражения (8) с учетом (9) будем иметь At tc- t Ф(РЬа Полагая в выражении (10) все ве чины постоянными и обозначая их чер К , получим Д VTFT. Уменьшение упругой деформации струны 7, обусловленное уменьшением давления газа Лр l o-dL&t. EoflL cpf , (12) Частота струнного автогенератора о. учетом возрастания температуры струны 7 при уменьшении измеряемого давления il--fr-( д &х,)(1з Поскольку для выбранных режимов ЛЙу - cfKo const, то - . ся-epV. пГ RoJi адяёг Ч сЛВо Ч(Р) 0-1 где К- -2. - . При рагдионально выбранных конст тивных параметрах датчика величина ...Л . лежит, в диапазоне 0,1-0,3. Представляя иррациональный сомн житель выражения (14) в виде ряда, получим г / - г Ка 1 V /,,-л i oi(-24(P) e- WTJ Ограничиваясь вторым членом раз ложения, определим приращение част ты струнного автогенератора в зави симости от измеряемого давления ка разность между начальнЕлм значением частоты fg и текущим значением f Д -f fai-faib При точно известной функциональ зависимости и известных геометричес ких параметрах датчика функция пре образования такого теплового маноме ра может быть определена расчетным путем. Однако функциональная зависи мость для различных газов определяе ся обычно опытным путем с ограничен ной точностью. В связи с этим для работы с тепл выми манометрами на практике исполь зуются градуировочные характеристики. В рассматриваемом случае это будет определенная опытным путем зависимость частоты струнного автогенератора от величиныизмеряемого давления. На фиг. б изображен датчик теплового манометра с двумя струнами, разрез/ на фиг. 7 - измерительная схема. Датчик теплового манометра содержит дополнительную струну 24, помещенную в воздушный зазор дополнительной магнитной системы 25 возбуждения ее колебаний, струны 7 и 24 расположены симметрично относительно оси симметрии корпуса 1 датчика. Дополнительная струна 24 (термо-.компенсационная) подключается ко входу а б электронного усилителя 26 с положительной обратной .связью и , совместно с ним образует второй автогенератор (фиг. 7). В отличии от первого автогенератора (струна 7 и усилитель 21)по струне 24 ток разогрева .не пропускается и частота автогенератора определяется только т мпературой окружающей среды и температурными коэффициентами линейного расширения материалов струны 24 и кронштейна 3. Выходы усилителей 21 и 26 соединёны со входами смесителя частот 27. Выход смесителя 27 подключен ко входам аналогового 28 и цифрового 29 измерительных при.боров, измеряющих разностную частоту, выделяемую смесителем .27. При работе в режиме измерения отношения частот сигналы с точек в и г измерительной схемы (фиг. 7) могут быть поданы на входы А и Б стандартного цифрового электронносчетного частотомера 30 любого типа. Тепловой манометр работает следующим образом. При давлении 9,81« Ю Па (760 ммрт.ст.) и токе нагрева, пропускаемом через одну из струн, частоты автогенераторов ff. и f(;2 равны, т.е. fQ3 f И выходе смесителя 27 разностная частота f f 01 равна нулю. При уменьшении давления газа в корпусе 1 преобразователя струна 7, по которой пропущен ток нагрева, увеличит свою температуру, поскольку теплопроводность разреженного газа уменьшается. Увеличение температуры струны 7 приводит к уменьшению величины .ее упругой деформации и к уменыяению частоты струнного автогенератора до значения f .Разность частот на выходе смесителя д{ foa - f-j f 0 - f-t будет функционально связана с измеряемым давлением. . Вследствие наличия разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов кронштейна 3 и струн 7 и 24 при изменении темпера туры окружающей среды изменяются и частоты струнных автогенераторов. Но поскольку эти изменения будут оди наковыми, то на выходе смесителя 27 температурная погрешность нуля тепло ,вого манометра будет.скомпенсирована что сни)сает суммарное значение темпе ратурной погрешности примерно на порядок. По аналогии с вьплеизложенным происходит компенсация температурной погрешности и при работе измерительной схемы в режиме измерения отношения частот струнных автогенераторов. Струна 7 , выполняющая роль нагреватель рого и термочувствительного элемента при отсутствии тока нагрева имеет та кую начальную упругую деформацию растя Зкения, чтобы частота ее собственных поперечных колебаний при нормальном атмосферном давлении (9,81-10 Па) fj бЕЛла бы выше частоты собственных поперечных колебаний термокомпенсационной струны 24 fo2, т.е. ОаПри протекании номинального тока нагрева частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 уменьшится до величины f за счет появления температурных деформгщий, уменьшакнцих величину начальной упругрй деформации. При этом можно обеспечит равенство частот колебаний обеих струн (17) Частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 может быть определена в соответствии с известны уравнением струны, обусловленная протекающим до ней током разогрева. Соответственно частота собственны поперечных колебаний второй термоком пенсационной струны 24 Е Д Е(П U f01 - начальная упругая деформа ция струны 24.. Для выполнения равенства (17) необходимо, чтобы t( д Еоав рассматриваемой конструкции геометрические размеры обеих струн 7 и 24 материалы,., из которых они изготовлены, одинаковы. Строго говоря, значение модуля упругости в выражении (18) будет несколько меньше, чем в выражении (19), вследствие того, что температура первой струны 7 выше. Однако вследствие малости этого различия, изменениеммодуля упругости при изменении температуры первой струны 7 будут пренебрегать . Такое допущение для инженерных расчетов в рассматриваемом случае вполне допустимо. . При. точно известной функциональной зависимости и известных геометрических пар.аметрах датчика функция преобразования такого теплового манометра может быть определена расчетным путем. Но поскольку анэл-иткчсские зависимости Я (Р) значительно отличают-. ся от экспериментальных , то на практике,:с целью.повышения точности измерений давлений, используются градуировочные характеристики. В рассматриваемом случае это будет эксперимента.)1ьная зависимость разнобти (отношения) частот двух струнных автогенераторов, полученная на выходе смесителя, от измеряемого давления. D качестве цифрового измерительного прибора в предложенном тепловом манометре может быть, использован стандартный электронно-счетный частотомер любого типа, а в качестве аналогового измерительного прибора любой конденсаторный частотомер со стрелочным показывающим прибором. Принцип температурной компенсации заключается в следующем. При изменении температуры окружающей среды меняется температура корпуса 1 датчика. По .истечении некоторого времени изменится и температура кронштейна 3 и струн 7 и 24. При идеальном равенстве температурных коэффициентов линейного расширения материа.лов кронштейна 3 и струн 7 и 24 изменения частоты струнных автогенераторов не прс|изойдет и погрешность измерения давления вследствие изменения температуры корпуса 1 практически будет отсутствовать. Однако н§ практике всегда будет существовать некоторая разница в температурных коэффициентах линейного расширения м,атериалов струн 7 и 24 и кронштейна 3. В этом случае изменение температуры корпуса 1, кронштейна 3 и струн 7 и 24, обусловленное изменением температуры окружающей среды, приведет к изменению частот струнных автогенераторов. Допустим, ч.то при изменении темпе.ратуры частота первого струнного авто.генератора также изменилась и в соответствии с (15) ее значение можно записать в виде

,Г (i i)

pj().

(20) Если величина измеряемого давления оценивалась бы- по частоте перво струны 7, то как видно из(14), погрешность измерения складывалась бы из погрешности нуля ± д f и погре ности чувствительности 1 jfb) При этом, поскольку максимальное зн чение величины 2,руне превышает зна ний .0,05-0,15, то максимальное з-нач ние погрешности чувствительности в 7-20 раз меньше погрешности нуля. Следовательно, если бы имелась возм ность скомпенсировать температурную погрешност;ь нуля, то суммарную погрешность измерения, обусловленную изменением температуры окружающей среды, удалось бы уменьшить в 7-20 раз. Для этой цели в конструкцию тепло вого манометра и введена термокомпен сационная струна 24. Поскольку она изготовлена из того же материала, чт и первая (нагреваемая токОм) струна то при изменении температуры окружаю щей среды, и как следствие, температуры корпуса 1 датчика, кронштейна 3 и самой струны 24, частота второго автогенератора изменится на ту же величину u.fj. и будет -равна 02Г 01 i ft Тогда в соответствии с выражением (16) разность частот струн 7 и 24 на выходе смесителя 27 определится вычитанием выражения (14) из (15), т.е. (5) .д.-(±д).Ч{Р)р. ) Из последних двух выражений следует, что введение термокомпенсационной струны 24 позволяет полность исключить температурную погрешность нуля Af . Это снижает суммарное значение температурной погрешности струнного теплового манометра, в зависимости от выбранных конструкционных параметров датчика, в 7-20 раз.

В случае работы измерительной схемы в режиме измерения отношейия ;частот двух струнных автогенераторов, соответствующем выборе начальных частот струн f и f, можно получить с аналоговый эффект уменьшения температурной погрешности. . формула изобретения 1.Тепловой манометр, содержащий датчик давления с размещенным;в корпусе чувствительным элементом и измерительную схему, включающую в себя токовую цепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источником постоянного напряжения, регулировочным сопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной связью и ВЫХОДНОЙ измерительный прибор, отличающийся тем, что, с . целью повышения точности измерения давления и уменьшения тепловой инерционности, в датчик давления введен кронштейн, закрепленный в корпусе, а чувствительный элемент выполнен в виде металлической струны, помещенной в воздушный зазор магнитной системы возбуждения ее колебаний, причем концы струны закреплены на стойках кронштейна и подключены ко входу усилителя, при этом токовая цепь нагрева включена параллельно входу усилителя и содержит последоватёльно включенный с источником постоянного напряжения дроссель. 2.Тепловой iviaHOMeTp по п.1, от лич а ющ ий с я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, датчик давления снабжен дополнительной магнитной системой возбуждения колебаний и дополнительной струной, идентичной первой, концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещена в воздушный зазор дополнительной магнитной системы возбуждения колебаний, при этом струны расположёны симметрично отно- сительно оси.симметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель и второй усилитель с положительной обратной связью, ко входу которого подсоединена дополнительная струна, причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Турицин A.M. и др. Электрические измерения неэлектрически-х величин... Л., Энергия, 1975, с. 360. 2.Авторское свидетельство СССР .№ 513283, кл. G 01 L 21/10, 1974 (прототип).

Фиг. 2

Фиг.

Фиг. 5

..

ыг кх, 4 Y У/ 1 I

/ у/.., Л

. Фиг. 7 1 Л7 1// I u-/f/ I