Устройство для измерения температуры и давления

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) Ol) A@4 С 01 К 7/32, G 01 1 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЯ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "" :У., е»

4Я s

Н АВТОРСНОММ С»ДЕТ»ЬСТВЮ (21) 3765400/24-10 (22) 04.07.84 (46) 15.01.86. Бюл. В 2 (72) IO.С.Шмалий, Н.В.Гудков, В.В.Скрынник и В.А. Шевелев (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1045006, кл. G 01 К 7/32, С 01 L 1/16, 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 1068739, кл. С 01 К 7/32, С 01 L 1/16, 1982. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ, содержащее кварцевый датчик, включающий в себя корпус, упругую мембрану, контактирующую с источником измеряемых давления и температуры, и три пьезокварцевых чувствительных элемента, включенных в частотно-задающую цепь трех автогенераторов, выходы которых соответственно подключены к первым входам трех смесителей частоты, опорный автогенератор, выход которого подключен к вторым входам второго и третьего смесителей, третьему входу блока pasделения сигналов и входу формирователя временных интервалов, первый., второй,TpeTHN и четвертый выходы которого соответственно подключены к четвертому, пятому, шестому и седьмому входам блока разделения сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входам первого счетчика импульсов, а третий выход — к входу второго счетчика импульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и давления в широком диапазоне их изменения, в него введены два умножителя частоты, четвертый смеситель и третий счетчик, входы которого соответственно соединены с пятым выходом формирователя временных интервалов и выходом третье го смесителя, первый вход которого соединен с вторым входом первого смесителя, выход которого через первый умножитель частоты подключен к первому входу блока разделения сигналов, второй вход которого через второй умножитель частоты подключен к выходу четвертого смесителя, входы которого соответственно соединены с выходами второго и третьего смесителей, при этом первый и второй чувствительные элементы расположены на одном конце датчика между фиксатором корпуса и концом штока, проходящего внутри корпуса, другой конец которого жестко связан с иембраной, размещенной на другом конце корпуса, а третий чувствитель» ный элемент расположен с мембраной.

Изобретение относится к техник = измерений неэлектрических величин и предназначено для одновременного измерения параметров давлений и температур в экструдерах и насосах для формирования волокон.

Цепь изобретения — повышение точности измерения в широком диапазоне давлений и температур.

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

Устройство содержит кварцевьпЪ датчик 1, включающий в себя три пьезокварцевых чувствительных элемента 2 — 4, три автогенератора 5 — 7, три смесителя частоты 8—

10, опорный генератор 11, первьп умножитель частоты 12, четвертый

<меситель 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 о

?1 в температурном поле Т, Кварцевые чувствительные элементы 2 и 3 установлены между штоком 21 H фикса.тором 22 корпуса в температурном о поле Т

Реальная конструкция датчика Д отражает особенности закрепления элементов 2 — 4 в ее силопередающих элементах и принципиально не отличается от модели, показанной на фиг. 1.

Формирователь временных интервалов 15 состоит из счетчиков импульсов 24 — 27, соединенных в двоичный делитель частоты, коммутационного поля 28, двух элементов 8И-НЕ 29, 30, элемента 2И-2ИЛИ-HE 31, схемы

НЕ 32 и схем И-НЕ 33, 34, Блок разделения сигналов (фиг.3)

=одержит D-триггеры 35 - 41, элео д0 1» - о+ 0ц р+ а4Т, п„4 4 Р, (7„J

6 =. (го 0 г 4 цгг41г 0гз4 P<(47 );

3 ЬО Я 11

I частоты генерации при начальных параметрах о о

Ро, Т, Тго, коэффициенты силои термочувствительностей кварцевых чувствительных элементов; приращения параметров давлений и температур; приращение дополнительного давления на первый и второй квар У 1г Н 21Р Ы

В Р4 У Тг9

55 е аР„(ьТ, ) 204969

2 менты И-НЕ 42 — 47 и элемент

2И-ИЛИ-НЕ 48.

Устройство работает следующим образом.

На датчик 1 действует измеряемое о давление P и температура Т, ° Оба па-, раметра являются информационными.

Действие давления P приводит к прогибу мембраны 23 и передаче

10 усилия на элементы 2 и 3 через шток

2t, в результате чего изменяются их частоты f< и f<. На элемент 4 давление не подается, о

Действие температуры Т приводит к изменению частоты элемента 4.

Псскольку температура Т„ действует только в области приложения давления

Р к мембраме 23 в местах установки элементов 2 и 3, имеется более низо

20 кое температурное поле Т . Темпео г о ратура Тг тем меньше температуры Т„, чем больше длина штока и теплообмен в верхней части кварцевого датчика 1 с окружающей средой. При этом частоты f< и f зависят от температуры T „.

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.

Частоты пьезокварцевых чувствительных элементов связаны с воздействующими на них параметрами системой уравнений: цевые чувствительны элементы, обусловленное изменением темо пературы Т,.

Отрицательный знак при коэффициентах а» и а„ определяется ориентацией вектора приложения усилия к кварцевому чувствительному- :элемен» ту относительно его оси Z.

Корректность записи системы уравнений (1) (без учета нелинейных членов) доказывается тем, что первый и второй кварцевые чувствительные элементы установлены в зоне понижен ных температур Т, изменяющихся в сравнительно небольших "линейных" ! пределах, а термочувствительный элемент имеет линейную зависимость частоты от температурЫ. Зависимость о (Р,((ьТ») также линейна, поскольку описывает удлинение штока и других элементов кварцевого датчика, преобразованное в передаваемое не первый и второй кварцевые чувствительные элементы давление аР», темо пературы ьТ„ через коэффициенты линейного расширения °

Сигналы с выходов автогенераторов 5 и 7 поступают на входы первого смесителя 8, на выходе которого формируется сигнал разностной ! частоты а Е(. д63= {(-1 (- ю " (»4Р .",.4 () ар((() (3) где : ((=а

ЗЗ»3 4 о

»

Коэффициент термочувствительности третьего кварцевого чувствительного элемента аз выбирается так, ! чтобы выполнялось условие а» =a(> что позволяет записать

4f,,=(7„-{ )а»(4Р а„ат,, (З)

После этого частота af! умножает. ся первым умножителем частоты 12 в и раз для получения требуемой частоты F» = nf„> с необходимой для дальнейшей обработки информации крутизной характеристики преобразования л {„=E,= п(1 -{ ) п а,„ Р иа„4 1, =

= F, а„4Р». а„а l, Для кварцевого термочувствительного элемента 1 LC-среза с начальной частотой около 5 МГц-и требуемой частоты F (20...50) кГц коэффициент умножения и 2,3.

1204969

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

Из сигналов с частотами f> и f<, поступающих на входы смесителя 10, на его выходе формируется сигнал

Ь {м =({ )= ({ { о)- азу 4 I, (5)

Из сигнала (5) в течение времен10 ного интервала Тг, формируемого из опорной частоты f, формирователем временных интервалов 15 формируется код температуры И1" (14), !

Из сигналов с частотами Е и fo

15 формируется сигнал с раэностной

» частотой af на выходе второго сме сителя частоты 9. („=({,-{.) =({;,— {.)-а», 4Р+аг ь (6)

После этого из сигналов с часто20

» тами ьЙ„ и of, с помощью смесителя 13 формируется сигнал с частотой аЕ „„„:

«Л { =({ о — 4 !а )= (2а 3o ) (3

25 O У,-(o- з-аешь)а((7) !

Коэффициент а, выбирается так, ! чтобы а = а(,„что позволяет записать î

30 p j, „=(+g -2{,)-aÄ P+ а„4 (8)

Частота лй,о умножаетея в два— три раза вторым умножителем частоты

14, причем число умножения (коэффициент умножения m) выбирается

35 так, чтобы на выходе второго умножителя частоты 14 обеспечивалась частота F с требуемой для дальнейшей обработки информации крутизной характеристики преобразования по давлению и температуре .

= {;„. -г{.)-mа„аР+

Критерием выбора крутизны ха рактеристик преобразования служит следующее: функции зависимостей частот генерации на входах блока

50 разделения 16, приведенные к шкалам измерений, должны быть перпендикулярны друг другу и наклонены к осям ординат под одинаковыми углами.

Учет показанного критерия поэво55 ляет достичь оптимального соотношения параметров точность — быстродействие в предлагаемом преобразователе, поскольку быстродействие

1204969

30 чиков 17, 18.

50 определяется большим из времейных ин» тервалов, получаемых с формирователя временных интервалов 15, которые . зависят от коэффициентов m а»,, ш аг и а », и а»„, а точность измерения пропорциональна отмеченным временным интервалам.

Сигнал с частотой Fz(9) поступает на второй вход блока 15, причем частоты F» и Р на входах блока

16 связаны соотношениями ! rtl9

ЬГ»= Г,-Г„=О.„И а„ь!,, (z= z-"zg=-аг» d Р+Ф й", (10)

Уравнения (10) связывают прира, щения информационных параметров дР и aT с приращениями информационных частот аГ» и ьР через ! постоянные коэффициенты а„,а, а »

1 и azz

Решение уравнений (10) относительо но ьР и » Т осуществляется следующим образом.

Запишем обратную систему уравнений (10) относительно аР и ьТ

1 1 а„ а (11) ! I у аг» с, ац р

1, где h. = С(»» ((zz 0(z»

Разделим первое уравнение на размерность давления (Р, второе — на размерность температуры (Т ), в результате получим

I а„ а. б(P3 а(РТ (1 )

М -=- -". ьГf — . AF, те 6ГГ 7 Г )

Nр Р/t Р1 N> = 1 /(Поскольку Ео, И вЂ” безразмерные величины, а aF», aF имеют размерность Гц, то коэффициенты при

aFÄ z aFp в системе (21) имеют размерность времени, что позволяет записать (12) в виде

Nð Т» 4 » - 1 i a z 1» Nz (13) 1Т - ь » + 4 nF< =N» где Np и 1 NT - безразмерные числа, представляющие собой коды параметров

Р и Т

Определение величин Np и N1-, 1 а а также N e= Т p,f сводится к о3 подсчету импульсов частот ь Г» и айаг в течение временных интервалов

Т» — Т»(и проведения логических операций сложения.и вычитания двух импульсных потоков в соответствии с алгоритмом (13).

Временные интервалы Т»- Т„- форми. руются формирователем временных интервалов 15 из сигнала опорного reнератора 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 "0" только в том случае, если все выходы счетчиков 24 — 27, подключенных к входам элементов 8И-НЕ 29,30, будут находиться в состоянии "1" .

При наличии двух нулевых уровней на выходах элементов 8И-НЕ 29, 30 триггер, собранный на элементах 33, 34, перебросится через элементы 31 и 32 в нулевое состояние, заканчивается формирование i-го временного интервала, Каждый из временных интервалов T» — Т - (фиг. 4) формируется аналогично.

Блок разделения сигналов работает следующим образом.

Элементы 35, 36, 42, 43 блока разделения сигналов 16 выполняют функцию разделения импульсного потока частоты f О (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 hF1 и aF<, импульсы а и Ь 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 -u h. Эти импульсы в течение временных интервалов Т» — Т» через соответствующие входы элементов

48,46,47 поступают на выходы И,,М», Nz блока 16 и далее на входы счетТаким образом, в счетчиках 17,18

" записываются, коды Np и Мт, параг У метров Р и Т в соответствии с алгоритмом (13).

На управляющий вход счетчика

19 подается сигнал в течение времени Т с выхода формирователя временных интервалов 15..В течение вре

1204969 мени Т счетчики 19 заполняются

1 импульсами частоты ь Г, несущими информацию о температуре Т„ в силу справедливости уравнения (5).

В результате преобразований в счетчиках 17 — 19 оказываются записанными коды информационных параметров P и Т, а также код дестабилизирующего параметра температуры Т, который в системе дальнейшей обработки информации может быть использован как в качестве информационного, так и для коррекции погрешностей измерений, обусловленных температурными изменениями.

1204969

Ь

Ft

Fg

У

Ф с

Ф

4 и л

Ф

ВНИИПИ Закаэ 8517/42 Тираж 89б Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4