Способ измерения гидростатического давления и устройство для его осуществления

. (9) ОЮЗ СОВЕТСНИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А(5) 6 0111/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГИДРОСТАТИЧЕ ВО ДЛЯ ЕГ я гидростатипомещения УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯКОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1, Способ измеренческого давления путем в среду составного резонатора, содержащего твердотельный звукопроводс двумя пьезопреобразователями наторцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, по величине которой судято давлении, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точностиза счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и средена результаты измерений, в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют по изменениючастоты одной из гармоник его механических колебаний, находящихся вдиапазоне 20и50, где и - номер гармоники механического резонанса в звукопроводе1144011 2, Устройство измерения гидростатического давления, содержащее резонатор, состоящий из механически последовательно соединенных излучателя,. твердотельного звукопровода и приемника и подключенный электрически входом излучателя к выходу генератора высокойчастоты,и входу частотомера, а выходом приемника - к входу усилителя высокой частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него дополнительно введен блок Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения высоких гидроста"тических давлений от 0,1 ГПа до3,0 ГПа в средах, обладающих электропроводностью или находящихся приповышенных температурах,Известен способ измерения гидростатического давления, заключающийсяв измерении изменения сопротивленияманганинавой проволоки от давления. ЦНедостатком этого способа является ограниченная область применения,ограниченная только неэлектропроводными средами,. Кроме того, он харак 15теризуется низкой точностью приповышенных температурах в связи свысоким коэффициентом температурногосопротивления манганина.20Наиболее близким к изобретению:по технической сущности является импульсно-фазовый способ измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резонатора,,25содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователямина торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определенияскорости звука, по величине которойсудят о давлении 12 .30Недостатком этого способа является большая методическая погрешность,обусловленная, невозможностью полностью скомпенсировать основной идважды отраженный ультразвуковые импульсы из-за поглощения в среде ишумов радиоаппаратуры. Кроме того,подстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последовательно соединенные амплитудный детектор, входом подключенный к выходуусилителя высокой частоты, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, выходом подключенный к генератору низкой частоты ивторому входу фазового детектора,при этом генератор высокой частотывыполнен управляемым и его входподключен к выходу интегратора,низкая точность этого способа обусловлена небольшим соотношением сигнал/шум вследствие того, что ультразвуковые импульсы имеют широкий спектр частот.Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния поглощения энергии в звукопроводе и среде на результаты измерений.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения гидростатического давления путем помещения в среду составного резона-. тора, содержащего твердотельный звукопровод с двумя пьезопреобразователями на торцах, возбуждения в нем ультразвуковых колебаний и определения скорости звука, в звукопроводе возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, а величину скорости звука определяют по изменению частоты одной из гармоник его механических колебаний., находящихся в диапазоне 20и ( 50, где и - номер гармоники механического резонанса.в звукопроволе.Поставленная цель достигается тем, что в устройство измерения гидростатического давления, содержащее резонатор, состоящий из механически последовательно соединенных излучателя, твердотельного звукопровода и приемника и подключенный электрически входом излучателя к выходу генератора высокой частоты и входу частотомера, а выходом приемника - к входу усилителя высокой3частоты, дополнительно введен блокподстройки частоты, содержащий генератор низкой частоты и последовательно соединенные амплитудный детектор,входом подключенный к выходу усилителя высокой частоты, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, выходом подключенный к ге-.нератору низкой частоты и второмувходу фазового детектора, при этомгенератор высокой частоты выполненуправляемым и его вход подключен квыходу интегратора,На Фиг. 1 изображен составнойрезонатор при возбуждении в нем непрерывных ультразвуковых колебаний,на фиг. 2 - эпюры выходных сигналов,возникающих в приемнике резонатора,на фиг. 3 - блок-схема устройства. для осуществления способа измерениягидростатического давления.импеданс материала звукопровода,импеданс измеряемой средыкоэффициент,пропорциональности, значение которогодля передающих давлениежидких сред лежит в интервале 0,5 1/кбар1,5 1/кбар,давление в среде,номер гармоники механического резонанса резонатора. 15 Р20и 144011 адобротность Ц ) 500 во всем диапазоне измеряемых давлений, что выполняется при р 1 ) 20. При этом добротност. резонатора и порядковый номер гармоники связаны соотношениемР35Я ф ь оеР,р р (г)о о На излучатель 1 составного резо- натора (фиг.1) подается переменное электрическое напряжение, нри этом в звукопроводе 2 возникают ультразву 25 ковые колебания. При частотах, соответствующих резонансным и определяемым для такого составного резонатора по формуле 1 : - п , где С -Си Юскорость звука в звукопроводе 2,- длина звукопровода 2, и - номер гармоники механического резонанса эвукопровода 2, наблюдается максимум электрического сигнала на приемнике 3. Резонансные кривые для основной (или первой гармоники) и для 11-й гармоники изображены на фиг. 2. Точность определения резо ,нансной частоты резонатора ограни ,чивается шумами приемной аппаратуры и зависит от добротности резонатора. Добротность резонатора, колеблющегося в вязкой среде, определяется Формулой (1 = Е /Е, где Е- коле- . 45 бательная энергия, запасенная в резонаторе, Гр 1 - энергия, теряемая 1 за период на излучение в среду и, трение в креплении резонатора. Увеличение номера рабочей гармоники ре зонатора позволяет уменьшить потери, так как при этом уменьшается амплитуда его механических колебанйй, ;что приводит к уменьшению потерь на внешнее трение и трение в крепле нии резонатора. Погрешность измерения давления меньше О,ЗХ достигается при работе на гармрниках, имеющих Ограничение р 1 ( 50 обусловлено поглощением ультазвука в материале звукопровода 2, которое растет пропорционально Р . При и50 поглощение настолько возрастает, что сигнал на приемнике 3 становится сравним с шумами аппаратуры.Давление в среде определяют поизменению резонансной частоты поформуле гРгде т - резонансная частота, соответствующая П -ой гармонике под давлением;резонансная частота 11 -ойгармоники при атмосферномдавлении,- коэффициенты, определяемые при градуировке датчика давления.Устройство для осуществления способа измерения давления состоитиз управляемого генератора 4 высокой частоты, нагруженного на излучатель 1 и частотомер 5. Сигнал с приемника 3 поступает на вход усилителя 6 высокой частоты и после усиления детектируется амплитудным детектором 7 с последующим усилением в усилителе 8 низкой частоты, выходом подключенном к одному из входов фазо 1144011вого детектора 9. На второй вход фазового детектора 9 поСтупает сигнал с генератора 10 низкой частоты, Выход генератора 10 подключен к управляющему входу генератора 4, выходу 5 интегратора 11, входом подключенного к выходу фазового детектора 9, входящему в блок 12 подстройки частотыУстройство для осуществления способа измерения давления работает 1 О следующим образом.Составной резонатор, помещенный в камере с измеряемым давлением, посредством излучателя 1 возбуждается .на одной из резонансных частот, 15 при этом возникают непрерывные механические колебания звукопровода 2, принимаемые приемником 3. Сигнал с приемника 3 поступает на усилитель 6, а затем блоком 12 подстройки 20 частоты подстраивает частоту генератора 4 на резонансную частоту резо" натора по максимуму сигнала на приемнике 3. Резонансная частота измеряется частотомером 5, по изменению 25 которой судят о давлении в среде. Блок 12 подстройки частоты работает следующим .образом.Вблизи резонанса составного резонатора имеет место зависимость амплитуды колебаний от частоты. Если несущая частота с генератора 4, предварительно промодулированная по частоте генератором 10, находится на резонансной кривой, то на сигнал, поступающий на приемник 3,накладывается амплитудная модуляция, При этом Фаза амплитудной модуляции зависит от того, справа или слева от 4 резонансной частоты окажется несущая частота. Сигнал с приемника 3, уси;ленный усилителем 6 и продетектированный детектором 7, поступает на вход усилителя 8. Фазовый детектор 9 сравнивает фазы низкочастотных сигналов с генератора 10 и усилителя 8. Если несущая частота меньше резонансной, то сигналы на входах фазового детектора 9 находятся в фазе, если частота больше, то эти сигналы находятся в противофазе. Знак сигнала на выходе Фазового детектора 9 зависит от положения несущей частоты относительно резонансной частоты, а его величина пропорциональна крутизне резонансной кривой в рабочей точке, При совпадении частоты генератора 4 с резонансной частотой напряжение на выходе фазового детектора 9 равно нулю, Режим работы устройства устойчив при соВпадении несущей частоты генератора 4 с одной из гармоник составного резонатора. При отклонении несущей частоты от резонансной на выходе фазового детектора 9 возникает сигнал рассогласования, который через интегратор 11 поступает на управляющий вход генератора 4, подстраивая его частотуУстройство настраивается на резонанс по максимуму сигнала на приемнике 3, причем сама величина этого сигнала мало влияет на работу устройства. Эта особенность устраняет влияние поглощения ультразвука в звукопроводе 2, Поскольку соотношение сигнал/шум в резонансных системах значительно выше, чем в импульсных, собственная частота составного резонатора может быть измерена с более высокой точностью, чем в известном устройстве.Кроме этого, реализация данного способа позволяет производить измерения давления при температурах доо200 С и выше. При соответствующем выборе материала звукопровода 2 температурной поправкой можно пренебречь.1144011 Л-я гармоника кима иг.Г Т 18 Составитель Н. КизилТехред А.Забинец ышев РедакторТ Лу орректор О.Тигор ПодписноССР з 896/35ВНИИПИ ий д113035"Патент", г Ужгород, ул, Проектная Тираж 897 Государствейного елам.изобретений ва, Ж, Раушск комитети открыя наб.