ЖИДКОСТНЫЙ МАНОМЕТР
LIQUID GAUGE

Устройство относится к области средств для измерения разности давления газа, в том числе дифференциального. Его можно использовать также для измерения скорости воздушного потока в природных условиях и на исследовательских стендах. Известен ряд аналогичных устройств для измерения давления воздуха, например в аналоге [1: А.С. СССР №480933 «Жидкостный манометр»].
Изобретение относится к области средств измерения давления, в том числе абсолютного. Манометр содержит U-образную трубку, заполненную жидкостью, а также резистивный датчик, содержащий 2 электрода, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Кроме того, U-образная трубка манометра содержит горизонтальную герметизированную камеру, в основании которой на расстоянии один от другого расположены электроды, подключенные к измерителю сопротивления. С повышением уровня жидкости (ртути) проводимость межэлектродного участка растет соответственно измеряемому давлению. Недостаток данного аналога, как показали проведенные оценки, состоит в понижении чувствительности, точности и динамического диапазона.
Также известен аналог [2: А.С. СССР №634131 «Способ измерения разности давлений»]. Манометр, реализующий данный способ, содержит U-образную трубку, заполненную жидкостью, а также резистивный датчик, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Кроме того, U-образная трубка манометра выполнена проводящей, а давление измеряют по изменению активного сопротивления участка токопроводящей трубки токопроводящей жидкости, шунтирующей электросопротивление трубки по мере перемещения столба жидкости. Данному способу присущи недостатки вышеуказанного аналога [1].
Наиболее близким к заявляемому является принятое в качестве прототипа устройство [3: патент RU №1840362 «Жидкостный манометр»], содержащее U-образную трубку, заполненную жидкостью, и последовательно включенные генератор зондирующего сигнала, приемник информационного сигнала, решающий блок и индикаторный блок, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом генератор выполнен в виде лазера, связь его с приемником и жидкостью манометра формируется излучением с использованием отражающего и полупрозрачного зеркал, приемник выполнен в виде фотоприемника, решающий блок подсчитывает число сдвинутых интерференционных полос при изменении уровня жидкости.
Недостаток прототипа состоит в повышении сложности, стоимости реализации и весогабаритных показателей.
Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом устройстве, блок-схема которого приведена на фиг.1. Оно содержит U-образную трубку 1, заполненную жидкостью, входное колено которой соединено с воздушным потоком, генератор 2 зондирующего сигнала, приемник 3 информационного сигнала, решающий блок 4 и индикаторный блок 5, что соответствует признакам прототипа. Кроме того, решающий блок 4 выполнен в виде АЦП, между выходом генератора 2 и входом приемника 3 включен импедансный двухполюсник 6, ко второму выводу которого подключен также верхний конец одного из двух параллельных электродов 8 импедансного датчика 7, верхний конец второго электрода 9 импедансного датчика 7 соединен с земляной шиной 10, нижние концы указанных электродов 8 и 9 опущены ниже уровня жидкости в контрольном колене жидкостного манометра 1, а между выходом приемника 3 и входом решающего блока 4 включен блок компенсации постоянной составляющей 11 выходного сигнала приемника 3.
Кроме того, импедансный датчик выполнен погружным, и нижние концы его электродов погружены в жидкость внутри второго колена жидкостного манометра.
Кроме того, импедансный датчик выполнен без контакта с жидкой средой и его электроды 8 и 9 размещены с наружной стороны колена U-образной трубки 1, заполненной жидкостью (фиг.2).
3
5
Кроме того, блок компенсации постоянной составляющей выполнен в виде гальванического элемента, приемник 3 выполнен в виде последовательно соединенных полупроводникового диода 12 и фильтра нижних частот (ФНЧ) 13, как показано на принципиальной схеме фиг.3, частоту сигнала генератора 2 выбирают в диапазоне 10-10Гц, причем компенсацию постоянной составляющей выходного сигнала приемника 3 обеспечивают подстройкой амплитуды и/или частоты сигнала генератора 2 либо подстройкой импеданса импедансного двухполюсника 6.
3
6
Кроме того, приемник выполнен в виде последовательно соединенных полупроводникового диода и фильтра нижних частот (ФНЧ), частоту сигнала генератора выбирают в диапазоне 10-10 Гц, причем компенсацию постоянной составляющей выходного сигнала приемника обеспечивают подстройкой ЭДС, формируемой блоком компенсации постоянной составляющей 11.
6
6
Кроме того, импедансный двухполюсник 6 выполнен в виде резистора R или конденсатора С.
Кроме того, электроды 8 и 9 установлены в наклонном колене U-образной трубки 1, заполненной жидкостью, параллельно ее продольной оси (фиг.4).
Кроме того, электроды установлены в вертикальном колене наклонно по отношению к продольной оси колена U-образной трубки 1, заполненной жидкостью, как показано на фиг.5.
Кроме того, первый и второй электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в колене жидкостного манометра параллельно продольной оси манометра у его стенок, причем энергии смачивания жидкостью стенок манометра и электродов погружного датчика противоположны по знаку.
Кроме того, одно из колен U-образной трубки, заполненной жидкостью, выполняет функции как входного, так и контрольного колена, как показано на фиг.6.
Кроме того, используют жидкость с пониженным значением поверхностного натяжения.
Кроме того, первый и второй электроды изготовлены в виде прямых спиц радиусом r, равным радиусу мениска, и отстоящих от стенок колена манометра на расстояние не менее 2 радиусов мениска.
Кроме того, импедансный двухполюсник выполнен в виде конденсатора, жидкость манометра выбрана непроводящей с плотностью, меньшей чем у воды, а электроды выполнены в виде плоскопараллельных пластин.
Список фигур чертежей
Фиг.1. Блок-схема предлагаемого устройства.
Фиг.2. Вариант исполнения узла предлагаемого устройства в по п.3 формулы.
Фиг.3. Принципиальная схема предлагаемого устройства.
Фиг.4. Вариант исполнения узла предлагаемого устройства в по п.9 формулы.
Фиг.5 Вариант исполнения узла предлагаемого устройства в по п.10 формулы.
Фиг.6 Вариант исполнения узла предлагаемого устройства в по п.12 формулы.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, где для конкретности предположено, что датчик является погружным, и приняты следующие обозначения:
1 - U-образная трубка 1, заполненная жидкостью,
2 - генератор зондирующего сигнала,
3 - приемник информационного сигнала,
4 - решающий блок,
5 - индикаторный блок,
6 - импедансный двухполюсник,
7 - импедансный датчик,
8 и 9 - первый и второй электроды импедансного датчика,
10 - земляная шина,
11 - блок компенсации постоянной составляющей.
Также показано, что первый и второй электроды 8 и 9 импедансного датчика 7 закреплены в диэлектрическом держателе (отдельной позицией не обозначен).
На фиг.2 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п.3 формулы, где показано внешнее расположение электродов - вне U-образной трубки 1, заполненной жидкостью.
На фиг.3 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, где, кроме указанных для фиг.1, приняты следующие обозначения:
12 - полупроводниковый диод,
ф
ф
13 - фильтр нижних частот, содержащий R-C цепочку.
6
При этом показано, что импедансный двухполюсник 6 выполнен в виде резистора R, а блок компенсации постоянной составляющей 11 выполнен в виде элемента питания.
На фиг.4 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п.9 формулы, где контрольное колено U-образной трубки 1, заполненной жидкостью, выполнено наклонным.
На фиг.5 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п.10 формулы, где показано наклонное размещение электродов в вертикальном колене.
На фиг.6 представлен вариант исполнения узла предлагаемого устройства по п.12 формулы, где одно из колен U-образной трубки, заполненной жидкостью, выполняет функции как входного, так и контрольного колена. При этом электроды пропущены сквозь верхнюю часть входного патрубка, выполненного из диэлектрического материала, например стекла, и погружены в воду.
2
6
3
6
г
Предлагаемое устройство в одном из возможных режимов представлено на принципиальной схеме фиг.3 и работает следующим образом. Генератор 2 с внутренним сопротивлением R формирует высокочастотное напряжение частотой 100 кГц, приложенное к цепочке последовательно соединенных сопротивлений - импедансного двухполюсника 6 в виде резистора R и сопротивления R датчика 7, включенного между выходом резистора R и заземленной шиной 10, образующих делитель амплитуды сигнала генератора А.Амплитуда выходного сигнала этого делителя определяется выражением:
<mrow><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>А</mi><mi>г</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
6
6
6
где R=R+R, a R - сопротивление резистора R.
ф
ф
вых
3
0
0
ати
Сигнал с выхода этого делителя поступает на последовательно соединенные диод 12 и образованный цепочкой R-C фильтр низких частот (ФНЧ) 13, на выходе которого выделяется огибающая сигнала U. Сопротивление R=R+r(t), где R - сопротивление датчика 7 в отсутствие сигнала, когда избыточное атмосферное давление Р=0 и r(t)=0.
Сопротивление r(t) соответствует изменению импеданса датчика 7 за счет изменения высоты уровня жидкости в контрольном колене U-образной трубки 1, заполненной жидкостью.
вых.
Понятно, что даже в отсутствие сигнала при r(t)=0 на выходе приемника 3, т.е. на выходе ФНЧ 13 на фиг.3, будет присутствовать сигнал постоянного уровня - огибающая сигнала UЭта постоянная составляющая в рабочем режиме при обработке информационного сигнала «съедает» часть динамического диапазона АЦП, ограниченного разрядностью АЦП. Отметим, что использование АЦП для построения решающего блока выбрано с учетом его доступности и эффективности при решении задач измерения уровня сигнала.
эдс
вых
3
Блок смещения потенциала 11 вводит добавку U к выходному напряжению U и смещает значение потенциала на входе решающего блока 4 к нулевому значению при равенстве уровней жидкости в обоих коленах манометра. Этим устраняется постоянная составляющая сигнала на входе решающего блока 4, что обеспечивает оптимальные условия для его обработки (преимущественно, цифровой), т.к. разрядность АЦП решающего блока 4 используется наиболее эффективно. При отклонении измеряемого давления от атмосферного уровень жидкости во втором - контрольном колене манометра 1 и, соответственно, сопротивление R резистивного датчика 7 изменяются.
В одной из реализаций устройства импедансный датчик 7 может быть выполнен погружным, тогда нижние концы его электродов 8 и 9 погружены в жидкость внутри контрольного колена жидкостного манометра. Это возможно при использовании проводящей жидкости, например воды. При этом в основном задействован, как показали опыты, активный импеданс датчика 7.
Отметим, что в случае непроводящей жидкости информационный сигнал формируется, главным образом, за счет емкостного импеданса датчика 7.
Если жидкость является диэлектриком, то целесообразно, чтобы датчик был выполнен бесконтактным, и его электроды размещены с наружной стороны колена жидкостного манометра. Этим устраняется необходимость учета эффектов, связанных с мениском у поверхности электродов.
3
5
Блок компенсации постоянной составляющей 11 в целях упрощения и удешевления выполнен в виде стандартного гальванического элемента. С этой же целью приемник выполнен в виде последовательно соединенных полупроводникового диода 12 и фильтра нижних частот (ФНЧ) 13, частоту сигнала генератора выбирают в диапазоне 10-10 Гц, при котором упрощается реализация и повышается надежность функционирования электронной части устройства (снижается влияние низкочастотных сетевых наводок и влияние паразитных элементов в высокочастотной области). Перед началом измерения целесообразно обеспечить полное отсутствие постоянного смещения на входе решающего блока, чтобы эффективно использовать его динамический диапазон. Грубую компенсацию постоянной составляющей выходного сигнала приемника обеспечивают использованием элемента питания, что проще чем использовать блок смещения с подстройкой выходного напряжения, а более точную компенсацию - подстройкой амплитуды и/или частоты сигнала генератора 2.
Также целесообразно в одном из вариантов устройства точную компенсацию постоянной составляющей выходного сигнала приемника обеспечивать подстройкой потенциометра в роли импедансного двухполюсника 6.
Полную компенсацию постоянной составляющей выходного сигнала приемника также обеспечивают подстройкой выходного напряжения, формируемого блоком компенсации постоянной составляющей 11.
6
6
Импедансный двухполюсник выполнен в виде резистора R или конденсатора С, что обеспечивает простоту и надежность реализации.
Электроды 8 и 9 установлены в наклонном колене параллельно его продольной оси (фиг.4), что позволяет минимизировать габариты (диаметр) колена манометра и повысить чувствительность.
При необходимости повысить чувствительность устройства и некритичности его размеров электроды 8 и 9 установлены в вертикальном колене наклонно под углом α к продольной оси колена (фиг.5). При этом глубина погружения l электродов увеличивается с изменением h уровня жидкости по закону l=h/cosα. Отметим, что это соотношение выполняется и в наклонном колене (фиг.4), что позволяет делать его меньшего диаметра, размещая электроды параллельно оси наклона колена.
Дополнительное повышение качества измерения обеспечивается тем, что первый и второй электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в колене жидкостного манометра параллельно продольной оси манометра у его стенок, причем энергии смачивания жидкостью стенок манометра и электродов погружного датчика противоположны по знаку. Это снижает кривизну мениска вблизи электродов и уменьшает его влияние на точность измерений.
В некоторых случаях удобно, чтобы одно из колен U-образной трубки, заполненной жидкостью, выполняло функции как входного, так и контрольного колена. При этом электроды закреплены в верхней части входного патрубка диэлектрической, например, стеклянной U-образной трубки, как показано на фиг.6.
Использование жидкости с пониженным значением поверхностного натяжения понижает влияние мениска и повышает точность измерений.
То, что первый 8 и второй 9 электроды изготовлены в виде прямых спиц радиусом r, равным радиусу мениска, и отстоящих от стенок колена манометра на расстояние не менее 2 радиусов мениска, устраняет суперпозицию менисков у стенки и у электродов, что также понижает влияние мениска и повышает точность измерений.
6
6
6
При расположении электродов вне колена U-образной трубки (фиг.2) импедансный двухполюсник 6 выполняют в виде конденсатора С, жидкость манометра выбирают непроводящей с плотностью, меньшей чем у воды, а электроды выполняют в виде плоскопараллельных пластин. Так устраняют проблемы, связанные с наличием мениска и активными потерями электрического поля. При этом используют преимущественно емкостный характер импеданса, что снижает влияние частоты генератора на коэффициент деления сигнала генератора, определяемого формулой (1) при замене активного импеданса резистора R емкостным - конденсатора С.
При этом, как следует из вышеизложенного, недостатки прототипа действительно преодолеваются - в предлагаемом устройстве обеспечивается:
- повышенный динамический диапазон измеряемых физических величин,
- простота реализации, очевидная из принципиальной схемы предлагаемого устройства (фиг.3), обеспечивает повышенную надежность и экономическую эффективность устройства.
- функциональная гибкость устройства, которое способно измерять не только давление, но и скорость воздушного потока при соответствующей тарировке;
- высокая помехоустойчивость устройства к импульсным помехам наряду с его высокой чувствительностью, что обеспечивается инерционностью массы жидкостного столба, высоким быстродействием системы отсчета уровня жидкости и достаточно высокой чувствительностью датчика 7 в составе устройства (по результатам испытаний - 35 мВ/мм).
Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого.
Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого объекта изобретения.
Как следует из полученных экспериментальных данных, порог чувствительности предлагаемого устройства лежит в диапазоне:
- по скорости измеряемого потока воздуха <1 м/с;
-5
- по давлению <1 Па (10 ати).