УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в информационно-измерительных системах косвенного определения давления в малоинерционном объекте. Наиболее эффективно ее использовать в многопараметрических информационно-сервисных системах микромеханических узлов.
Известно устройство для определения давления, содержащее последовательно включенные мультивибратор, осциллятор, трансформатор, электрический нагревательный элемент, расположенный в контролируемом объекте, датчик температуры нагревательного элемента и блок обработки результатов, оснащенный узлом индикации, где первый вход блока обработки результатов связан с датчиком температуры нагревателя, а второй вход - с выходом осциллятора. При этом блок обработки результатов выполнен с возможностью определения длительности достижения установившегося значения температуры нагревателя, по значению которой судят о давлении в контролируемом объекте (JP 56018752, G 01 L 21/12; G 01 N 27/16; G 01 P 5/12; G 01 L 21/00; G 01 N 27/14; G 01 P 5/10, 1981).
Однако данное устройство обладает низкими точностью и чувствительностью из-за отсутствия непосредственной информации о состоянии контролируемого объекта.
Известно также устройство для определения давления, содержащее установленный в контролируемом объекте электромеханический вибрационный резонатор, подключенный к источнику переменного напряжения, фазовый детектор и узел индикации, где фазовый детектор выполнен с возможностью определения сдвига фазы на выходе вибрационного резонатора по отношению к фазе напряжения питания для расчета значения давления в объекте в зависимости от величины сдвига фаз (JP 62137533, G 01 L 9/00; G 01 L 9/00; G 01 L 21/00, 21/22, 1987).
Недостатком данного устройства являются значительные габариты элементов его чувствительного узла (вибрационного резонатора).
Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения давления, содержащее установленный в контролируемом объекте электронагревательный элемент (ЭНЭ), подключенный к источнику переменного напряжения с длительностью периода полуколебания не более постоянной времени ЭНЭ, датчик температуры ЭНЭ, подключенный к первому входу блока обработки результатов, блок измерения мощности, рассеиваемой ЭНЭ, и узел индикации, связанный с выходом блока обработки результатов, причем блок обработки результатов представляет собой вычислительное устройство, выполненное с возможностью определения давления в контролируемом объекте по градуировочным зависимостям давления от температуры разогрева и мощности, рассеиваемой ЭНЭ (RU 2036448, G 01 L 21/10, 21/12, 1995).
Однако прототипное устройство неудобно в эксплуатации, так как оно требует предварительного определения семейства градуировочных зависимостей между давления в объекте от температуры ЭНЭ и рассеиваемой им мощности. Это усложняет выполнение блока обработки результатов. Кроме того, оно обладает низкой надежностью из-за отсутствия корректировки обрабатываемой информации в зависимости от действующей помехи, вызывающей, в частности, изменение температуры и связанного с ней давления в объекте.
Технической задачей предлагаемого устройства является обеспечение удобства его эксплуатации.
Решение указанной задачи заключается в том, что в устройство для определения давления, содержащее установленный в контролируемом объекте ЭНЭ, подключенный к источнику переменного напряжения с длительностью периода полуколебания не более постоянной времени ЭНЭ, датчик температуры нагревателя, подключенный к первому входу блока обработки результатов, и узел индикации, связанный с выходом блока обработки результатов, вносятся следующие изменения:
1) устройство дополнительно содержит датчик температуры контролируемого объекта;
2) датчик температуры контролируемого объекта подключен ко второму входу блока обработки результатов;
3) блок обработки результатов выполнен в виде фазового дискриминатора.
Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигнутым техническим результатом заключается во впервые установленной авторами неизвестной ранее закономерности увеличения фазового сдвига между колебаниями температур в малоинерционных объекте и ЭНЭ по мере увеличения давления в объекте. Данный принцип действия ограничивает область применения предлагаемого устройства малоинерционными объектами, поскольку в инерционных объектах будет происходить сглаживание колебаний температуры.
Основная погрешность описанного устройства связана с дрейфом средней температуры объекта и/или ЭНЭ. Поэтому для повышения точности измерений целесообразно дополнительное оснащение устройства контуром автоматического регулирования среднего значения температуры объекта или ЭНЭ. Для предотвращения сглаживания колебаний температуры в объекте и ЭНЭ на входе регулирующего контура может быть установлен интегрирующий элемент. Еще более целесообразно использовать регулирующий контур с интегральным или пропорционально-интегральным (изодромным) алгоритмом управления (законом регулирования). Для миниатюризации узла контролируемого объекта датчик температуры ЭНЭ и сам ЭНЭ могут быть выполнены совместно в виде резистора из высокоомного материала, что общеизвестно.
На фиг 1. приведена функциональная схема предлагаемого устройства в варианте с контуром автоматического регулирования средней температуры ЭНЭ.
Данное устройство содержит установленный в контролируемом объекте 1 электронагревательный элемент 2, подключенный к регулируемому источнику 3 переменного напряжения с длительностью периода полуколебания не более постоянной времени ЭНЭ, датчик 4 температуры электронагревательного элемента 2, подключенный к первому входу блока 5 обработки результатов, и узел 6 индикации, связанный с выходом блока 5 обработки результатов. Устройство дополнительно содержит датчик 7 температуры контролируемого объекта 1, подключенный ко второму входу блока 5 обработки результатов. Блок 5 выполнен в виде фазового дискриминатора и оснащен масштабным преобразователем для настройки коэффициента пересчета значения рассогласования фаз колебаний температур в ЭНЭ и объекте в единицы давления.
Данный вариант устройства оснащен также контуром 8 автоматического регулирования среднего значения температуры ЭНЭ 2, включающим изодромный регулятор 9, выполненный на базе микроконтроллера, и операционный усилитель 10, используемый в качестве исполнительного механизма для управления регулируемым источником 3 переменного напряжения. Вход регулятора 9 связан с выходом блока 4 измерения температуры ЭНЭ 2, выход регулятора 9 связан с входом операционного усилителя 10, а выход операционного усилителя 10 подключен к управляющему входу источника 3 переменного напряжения.
При изменении давления в контролируемом объекте 1 происходит соответствующее изменение сдвига фаз колебаний температур в объекте 1 и ЭНЭ 2, которое измеряется блоком 5 и учитывается с помощью узла 6 индикации в единицах давления. Для уменьшения систематической погрешности в данном варианте контур 8 осуществляет автоматическое регулирование средней температуры ЭНЭ 2.
Чувствительность предлагаемого устройства с включенным и выключенным контуром 8 определялась на моделях с постоянными времени микромеханических объекта и ЭНЭ, равными соответственно 0,4 и 0,1 с, и длительностью
2
2
полуколебания напряжения, подаваемого на ЭНЭ, равной 0,02 с. Установлено, что данное устройство чувствительно к изменению давления в диапазоне от 0,1 до 5 кгс/см. При этом диапазону изменения давлений от 0,1 до 1 кгс/см соответствует изменение сдвига фаз колебаний температур объекта и ЭНЭ от 2 мкс до 4 мс.
Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивает удобство в эксплуатации, так как при настройке блока обработки результатов требуется снятие лишь одной экспериментальной характеристики, а именно зависимости сдвига фазы колебаний измеряемых температур от давления в объекте. Техническим результатом, производным от достигнутого, является упрощение и миниатюризация конструкции в связи с отсутствием датчика рассеиваемой мощности ЭНЭ и возможностью монолитного исполнения датчика температуры ЭНЭ и самого ЭНЭ.