Тепловой манометр

ОП ИКАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл З 6 0121/10 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытийДата опубликовакия описания 070681 с Е.А.Карцев, И.В.Творогов и Р.М.яхин 1(54) ТЕПЛОВОЙ МАНОМЕТР 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 середине нагреваемойтоком лейты 1 .Недостатком таких манометров является. низкая чувствительность, значительная погрешность измерения, трудность реализации дистанционной системы измерения из-за низкого уровня выходного сигнала термопары, не сущегополезную информацию.Наиболее близким по технической . сущности к предлагаемому является тепловой манометр, содержащий датчик давления с нагревательным и термо чувствительным элементами, подсоединенный к измерительной схеме. В качестве термочувствительного элемента используется кварцевый элемент " -среза. В качестве нагревателя используется металлическая дорожка, нанесенная по периферии кварцевого элемента, Кварцевый элемент с нагревательным элементом конструктивно выполнен .в виде датчика, подсоединенного к 30 2измерительной схеме, включающей цепь задачи тока нагревательного элемента, усилитель с положительной обратной связью и измерительный прибор, Кварцевый элемент подсоединен к усилителю с полсжительной 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 выхоцного сигнала функционально связано с измеряемым давлением 21.Недостатками теплового манометра этого типа является низкая точность измерения, поскольку термочувствительный кварцевый элемент . -среза в одинаковой мере реагирует как на изменение температуры нагревателя, так .и на изменение температуры окружающей среды, а также большая тепловая инерционность, поскольку масса кварцевого 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 давленияи уменьшение тепловой инерциончостиманометра.Эта.цель достигается тем, что втепловом манометре, содержащем датчик давления с размещенным в корпусечувствительным элементом и измерительную схему, включающую токовуюцепь нагрева с последовательно соединенными стабилизированным источникомпостоянного напряжения, регулировочнымсопротивлением и амперметром, усилитель с положительной обратной связью 15и выходной измерительный прибор, вдатчик 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 струнызакреплены на стойках кронштейна иподключены ко входу усилителя, приэтом токовая цепь нагрева включенапараллельно входу усилителя и содержит последовательно включенный систочником постоянного напряжениядроссель.С целью уменьшения температурнойпогрешности в манбметре датчик давления может быть снабжен дополнительной струной, идентичной первой,концы которой закреплены на дополнительных стойках, струна помещенав воздушный зазор дополнительноймагнитной системы возбуждения ееколебаний. При этом струны расположены симметрично относительно осисимметрии корпуса датчика, а в измерительную схему введены смеситель 40и второй усилитель с положительнойобратной связью, ко входу которогоподсоединена дополнительная струна,причем выходы усилителей подключены через смеситель к выходному измерительному прибору,На фиг, 1 изображен датчик теплового манометра, разрез; на Фиг. 2, 3и 4 - сечения А-А, Б-Б, В-В нафиг. 5 - измерительная схема теплового манометра.Датчик теплового манометра состоитиз корпуса 1 (фиг.1), внутри которогона резьбовой шпильке 2 установленкронштейн 3. На кронштейне 3 жесткозакреплены стойки 4 и 5На плоскостистойки 5 укреплена планка б. Торцыстойки 4 и планки б лежат в однойплоскости. Концы струны 7, имеющей,начальную упругую деформацию растяжения, закреплены на стойках 4 и 5, 60кронштейна 3 посредством накладок8 и 9. Струна 7 помещена в воздушный зазор магнитной системы возбуждения колебаний 10 (Фиг. 2), жесткоустановленной на кронштейне 3, Конец Я струны 7, закрепленный на стойке 4, электрически связан с корпусом 1 датчика. Для реализации струнного автогенератора с магнитоэлектрическим способом возбуждения автоколебаний второй конец струны 7 изолируетсяот 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 6 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 а и б электронного усилителя 21 с положительной обратной 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 О, стабилизированного источника постоянного напряжения О, переменного резистора Яр, измерительного сопротивления Яи, и амперметра вА. Дроссель 0 необходим для того, чтобы избежать эффекта шунтирования струны 7 по переменному току (току подкачки) цепью задачи тока подогрева. Переменный резистор Яр обеспечивает регулировку тока нагрева струны 7, Ток нагрева может контролироваться или путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении Я с помощью компенсатора, либо цифрового вольтметра, или по стрелочному амперметру аА.После балансировки моста путем изменения величины балансировочногО сопротивления Я и включения напряжения питания усилителя 21 струна 7 вместе с усилителем образует струнныйавтогенератор, частота которого определяется температурой струны 7. Амплитуда колебаний струны 7 регулируется путем подбора величины тока положительной обратной связи за счет изменения сопротивления резистора Яо . С выхода усилителя 21 электрический частотно-модулированный сигнал может быть подан на цифровой измерительный прибор 22 или аналоговый измерительный прибор 23. В качестве цифрового прибора 22 можетбыть использован любой стандартный .электронносчетный частотомер.Тепловой манометр работает следующим образом. Частота струнного автогенератора при нормальном атмосферном давлении в основном зависит от силы натяжения струны 7 и в первом приближении может быть определена выражением Ер 1 Ь,У 2 о 1 Р где 1 - начальная частота колебаний 35Острунного автогенераторапри нормальном атмосферномдавлении (9.,81 104 Па);Е - сила продольного натяжениястРуны 7; 4 О- напряжение растяжения вструне 7;Ир - длина струны 7;5 - площадь поперечного сеченияструны 7;У - плотность материала струны 7;45В соответствии с законом,Гука величина начальной упругой деформации струны 7)дЕ = Е О 50 где Ь 6- начальная упругая деформация струны 7;Е - модуль упругости второгорода материала струны 7.Откуда: 55Ь 6 Е(4)2 РО уПосле того, как по струне 7 будетпропущен постоянный ток 1, струна 7разогреется и ее температура с 65 При отсутствии тока разогрева частота струнного автогенератора определяется силой начального натяжения струны 7, После подачи тока разогрева от стабилизированного источника постоянного напряжения струна 7 нагревается и сила ее продольного натяжения уменьшается, что приводит к уменьшению частоты автогенератора, По мере уменьшения давления газообратной среды отвод тепла от струны 7 в окружающую среду эа счет теплопроводности 15 уменьшается и температура струны 7 возрастает. С ростом температуры уменьшается сила продольного натяжения струны 7 и частота струнного автогенератора. При неизменном на- " пряжении источника постоянного тока .разогрева частота струнного автогенератора будет одноэначн 9 связана с измеряемым давлением функциональной зависимостью,25 будет превышать температуру окружающей среды сцк на величину,Дйо (5)Начальная упругая деформация струны 7 л уменьшается на величинуВз = о(. а о (б) где д. - температурный коэффициент линейного расширения материала струны 7, Частота колебаний струнного авто- генератора после включения тока разогрева с учетом уравнений (4) и (б) 01 0(7)20 оИзменением 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 луче- испускания пренебрежимо мала, будет иметь вид ="-и(с +со)ак (+с фсо)1Гн где 3 - ток разогрева, текущий поструне 7;- к - активное сопротивлениеструны 7; - коэффициент теплопроводности газа, давление которого. иэмеяется; а - коэффициент, зависящий от геометрических размеров струны 7 и корпуса 1 датчика, - текущее значение температуры Сструны 7; 6 - внутренний диаметр корпуса К1 датчика;дс - диаметр струны 7.Прй плотности газа, соответствующей области атмосферного давления, теплопроводность газа Х практически не зависит от его плотности, т,е. 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 плотности), а не от его температуры.На основании вышесказанного можно считать, что в области относительно низких давлений коэффициент теплопроводности функционально связан с измеряемым давлением Л = Ч(Р), (9) где Р - давление газа в корпусе 1датчика.Из выражения (8) с учетом (9)будем иметь д. в4 = С СО рр - .(10)ВПолагая в выражении (10) все величины постоянными и обозначая их черезК , получимс - - -" ., ()Уменьшение упругой деформацииструны 7, обусловленное уменьшениемдавления газаЙр= 0 бЬф., щ ОрО(. ф- (12) Частота струнного автогенератораа учетом возрастания температурыструны 7 при уменьшении измеряемогодавления Г1 Поскольку для выбранных режимовЫу - сР 1 у - дКо = сопят, то К(14) ыбранных конструкатчика величинане 0,1-0,3.иональный сомно) в виде ряда,кГ 1 Т 24: 1- ----(15)02 Ч(Р) 6Ч(Р) 1Ограничиваясь вторым членом разложения, определим приращение частоты струнного автогенератора в зависимости от измеряемого давления как разность между начальным значением частоты Фи текущим значением Г:%- 2 у(р), (ь) При точно известнойзависимости и известныхких параметрах датчикаобразования такого теплра может быть определенпутем. Однако функционалмость для различных газся обычно опытным путемной точностью.В связи с этим для рвыми манометрами на пра боты с тепло тике испольПри рациональнотивных параметрах длежит, в диапазКп)Представляя ирражитель выражения (1получим функциональной геометричесункция превого манометрасчетным ьная зависив определяетс ограничен ЗО зуются градуировочные характеристики.В рассматриваемом случае это будетопределенная опытным путем зависимость частоты струнного автогенератора от величины измеряемого давления.На фиг. 6 изображен датчик теплового манометра с двумя струнами,разрез; на фиг. 7 " измерительнаясхема.Датчик теплового манометра содержит дополнительную струну 24, помещенную в воздушный зазор дополнительной магнитной системы 25 возбуждения ее колебаний. Струны 7 и 24расположены симметрично относительнооси симметрии корпуса 1 датчика.Дополнительная струна 24 (термо-компенсационная) подключается ковходу.а б электронного усилителя 26с положительной обратной .связью и 20 совместно с ним образует второй автогенератор (Фиг. 7). В отличии от пер-вого автогенератора (струна 7 и усилитель 21)по струне 24 ток разогрева.не пропускается и частота автогенератора определяется только температурой окружающей среды и температурными коэффициентами линейного расширения материалов струны 24 и кронштейна 3.Выходы усилителей 21 и 26 соединены со входами смесителя частот 27.Выход смесителя 27 подключен ко входам аналогового 28 и цифрового 29измерительных. приборов., измеряющих,раэностную частоту, выделяемую смесителем 27.При работе в режиме измеренияотношения частот сигналы с точекв и г измерительной схемы (фиг. 7)могут быть поданы на входы А и Б 40 стандартного цифрового электронносчетного частотомера 30 любого типа.Тепловой манометр работает следующим образом.При давлении 9,81104 Па 45 (760 мм рт.ст.) и токе нагрева, пропускаемом через одну из струн, час"тоты автогенераторов 0 и Го равны,т.е. У 2= Го . На выходе смесителя 27разностная частота Ы = Го 2 - 0 5 р равна нулю. При уменьшении давлениягаза в корпусе 1 преобразователя струна 7, по которой пропущен ток нагрева, увеличит свою температуру, по- скольку теплопроводность разреженного газа уменьшается. Увеличение температуры струны 7 приводит к уменьшению величины ее упругой деформациии к уменьшению частоты струнногоавтогенератора до значения Г . Разность частот на выходе смесителя 60 Ы - 102 - . = Го - 1 будет Функционально связана с измеряемым давлением.Вследствие Наличия разности температурных коэффициентов линейного 65 расширения материалов кронштейна 3и струн 7 и 24 при изменении температуры окружающей среды изменяютсяи частоты струнных автогенераторов.Но поскольку эти изменения будут одинаковыми, то на выходе смесителя 27 температурная погрешность нуля тепло вого манометра будет .скомпенсирована, что сниЖает суммарное значение температурной погрешности примерно на порядок.По аналогии с вышеизложенным происходит компенсация температурной погрешности и при работе измерительной схемы в режиме измерения отношения частот струнных автогенераторов.Струна 7, выполняющая роль нагревательного и термочувствительного элемента, при отсутствии тока нагрева имеет такую начальную упругую деформацию растя:жения, чтобы частота ее собственных поперечных колебаний при нормальном атмосферном давлении (9,81 104 Па) ", была бы выше частоты собственных поперечных колебаний термокомпенсационной струны 24 1 а), т.е.0 02. 25При протекании номинального тока нагрева частота собственных поперечных колебаний первой струны 7 уменьшится до величины Га, за счет появлениятемпературных деФормаций, умень шающих величину начальной упругой деформации, При этом можно обеспечить равенство частот колебаний обеих струн(17) 35 Частота собственных поперечныхколебаний первой струны 7 может бытьопределена в соответствии с известнымуравнением 40К(аЕа-д Е,ьЕа-- Эв)о 1-ге, у Е, гЕа уе,где 0 а - длина струны;р - плотность.материала струны; 45- модуль упругости материаластруны;Ь 1 а - начальная упругая деформация струны, соответствующаячастоте 50Ф 1 - температурная деформацияструны, обусловленная протекающим по ней током разогрева,Соответственно частота собственных 55поперечных колебаний второй термокомпенсационной струны 24- (19)2 Еа ЯЕагде а 1 д) - начальная упругая деформа ция струны 24Для выполнения равенства (17).необходимо, чтобыыо ь еаза 65 В 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, изменением. модуля 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 параметрах датчика функция преобразования такого теплового мансмстра может быть определсна расчетным путем, Но поскольку анапитические зависимости . = "(Р) зт)ачительно отличают-, ся от экспериментальных , то на практике,.с целью, повышения точности измерений давлений, используются градуировочные характеристики.В рассматриваемом случае это будет экспериментальная зависимость разности (отношения) частот двух струнных автогенераторов, полученная на выходе смесителя, от измеряемого . давления.В 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 материалов кронштейна 3 и струн 7 и 24 изменения частоты струнных автогенераторов не произойдет и погрешность измерения давления вследствие изменения температуры корпуса 1 практически будет отсутствовать,Однако на практике всегда будет существовать некоторая разница в температурных коэффициентах линейного расширения материалов 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, что при изменении темпе- ,ратуры частота первого струнного авто-. генератора также изменилась и в соотставитель О. Пол хред Н. Келушак, рректор О. Билак исное илиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная,дактор О. Филипповаказ 3102/32 НИИПИ Р по де 035, МоТираж 907ударственного комитета СССРам изобретений и открытийва, 3-35, Раушскан.наб., д. Ю . ЯыР