專利名稱：文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種文杜里式氣動量儀，特別是一種文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱量儀。
目前常用的文杜里式氣動量儀，為美國TAft-Peirce公司生產(chǎn)的文杜里式氣動量儀，是由穩(wěn)壓器、輸入氣室、文杜里管、浮標(biāo)流量計、導(dǎo)管、輸出氣室、零位調(diào)整閥、輸出軟管、測量噴嘴等組成。其原理是從氣源來的壓縮空氣經(jīng)過穩(wěn)壓器和輸入氣室后，直接進(jìn)入同軸不同截面的文杜里管，經(jīng)過輸出氣室、輸出軟管和測量噴嘴噴向被測二件表面。噴嘴與工件表面之間的測量間隙發(fā)生變化時，引起氣體流量的變化。一定流量的氣流經(jīng)過文杜里管不同截面時，必然導(dǎo)致不同截面處的流速差異，此差異通過和導(dǎo)管相連接的浮標(biāo)流量計顯示，通過顯示的數(shù)據(jù)完成對工件的測量任務(wù)。不難看出，由于文杜里管的截面是固定的，所以量儀的放大倍率不能連續(xù)調(diào)整。如果想改變放大信率，必須更換不同規(guī)格尺寸的文杜里管，即麻煩、又增加成本，并給自動測控帶來困難。另外，機械式零位調(diào)整閥及浮標(biāo)流量計制造精度高、加工困難，因此在使用易出故障。在尺寸顯示方面，也有采用光柱顯示電路的，例為美國AIRgage公司生產(chǎn)的電子柱量儀及意大利MAPPOSS電子柱量儀，其光柱顯示電路都很復(fù)雜，使用的電子元件多、調(diào)試?yán)щy，可靠性也較差。
本發(fā)明的任務(wù)就是提供一種應(yīng)用文杜里氣動測量原理，氣動技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能優(yōu)良可靠，并采用電子柱顯示的氣電轉(zhuǎn)換式量儀。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明由氣路部分及電路部分組成。氣路部分只有一個穩(wěn)壓器和一個規(guī)格尺寸固定不變的文杜里管。為了提高量儀的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，本發(fā)明文杜管小截面處的直徑選為1～3mm。
本發(fā)明氣電路原理如下從氣源來的壓縮空氣經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，直接進(jìn)入同軸不同截面的文杜里管(見圖2)，經(jīng)過測量噴嘴噴向被測工作表面。設(shè)噴嘴與工作表面之間的測量間隙為s，不難看出，當(dāng)s變化時，必然引起氣體流量發(fā)生變化。當(dāng)一定流量的氣體流過文杜里管不同截面時，導(dǎo)致流速的差異，其結(jié)果引起的截面處壓力PA和PB的不同，即產(chǎn)生產(chǎn)壓力差。當(dāng)測量間隙s變化時，必然引起壓力差的改變。壓力差的改變則通過壓力傳感器將氣壓信號轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的電壓信號，經(jīng)過集成運算放大電路進(jìn)行差動放大、線性調(diào)整放大，直流放大、零位調(diào)整、跟隨濾波處理，最后由電壓比較式光柱顯示電路進(jìn)行顯示，完成對工件的測量。
由文杜里管PA和PB兩處的氣壓變化經(jīng)過壓力傳感器1轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?見

圖1及圖2)，作用在由運算放大器2、R1、R2、R3、R4組成的差動放大電路的輸入端進(jìn)行電壓放大。放大后的電壓信號進(jìn)入由運算放大器3、R5、R7、R11組成的同相放大器進(jìn)行第二次放大。在本級放大器的同相輸入端疊加一個由R8、R9、R10組成的取壓電路，R9為可調(diào)電位器，從R9取得的電壓信號通過R6加到運算放大器3的同相輸入端，并與放大器2的輸出信號進(jìn)行疊加。從放大器3輸出的電壓由同相輸入端進(jìn)入運算放大器4進(jìn)行第三次放大。在放大器4的反相輸入端接有由R13、R14組成的反饋電路，其中R14為可調(diào)電阻。經(jīng)第三次放大后的電壓進(jìn)入由運算放大器5、R16、R17、R18、R19組成的加法是路，其中R15為可調(diào)電阻。
經(jīng)過幾次放大的電壓信號，通過由R20、R21、C1、C2運算放大器6組成的二階通濾波電路處理后進(jìn)入光柱顯示電路。光柱顯示采用電壓比較法，電壓比較器采用10塊集成電路LM3914，每一塊LM3914對應(yīng)一組發(fā)光二極管。電壓比較器工作原理是(見圖4、5)設(shè)Vj為予先設(shè)定的取樣電壓，加在比較器“-”端。Vi為比較器輸入電壓，加在比較器“+”端。Vo為比較器輸出電壓，Vo有兩種狀態(tài)。當(dāng)Vi＜Vj時，Vo=0比較器輸出處于低電平狀態(tài)。當(dāng)Vi＞Vj時，Vo＞0比較器輸出處高電平狀態(tài)。不難看出，處于低電平狀態(tài)的比較器不能使發(fā)光二極管發(fā)光，而處于高電平狀態(tài)的比較器則使發(fā)光二極管發(fā)光。當(dāng)采用多塊集成電路LM3914時，放大后的電壓信號作為輸入信號同時加在電壓比較器的同相輸入端，而每個比較器反相輸入端接上不同的Vj，當(dāng)輸入的電壓信號變化時，就使比較器處于高電平或低電平狀態(tài)，使發(fā)光二極管依次發(fā)光或熄滅，從而完成了模擬量數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。
下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1是本發(fā)明的線路圖。
圖2是本發(fā)明的原理圖。
圖3是本發(fā)明PA-PB與測量間隙S之間的特性曲線圖。
圖4是本發(fā)明光柱顯示電壓比較原理示意5是本發(fā)明Vo-Vi-Vj關(guān)系圖。
圖1所描述的文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱量儀電路圖由壓力傳感器1、運算放大器2、3、4、5、6、電壓比較器7、發(fā)光二極管8等組成。由文杜里管不同截面輸出的氣壓PA、PB經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，作用在由運算放大器2、R1、R2、R3、R4組成的差動放大器電路輸入端進(jìn)行第一次電壓放大。放大后的電壓信號V2進(jìn)入由運算放大器3及R5、R7、R11組成的同相放大器進(jìn)行第二次放大。由三個串聯(lián)電阻R8、R9、R10組成取壓電路，R8一端接正電源(+V)，R10一端接員電源(-V)，且R8=R10=2R9，其中R9為可調(diào)電位器。調(diào)整R9可使從R9上取也的電壓值V1在1/5(+V)至1/5(-V)之間變化。V1通過電阻R6加到3的同相輸入端，與壓力傳感器的差動放大信號電壓疊加后再進(jìn)行同相放大。設(shè)R6=R5，則3的輸出電壓V3=12(1+R11R7)·(V2+V1)]]>，改變V1值，便可改變V3。當(dāng)量儀與不同的氣動測量裝置連接時，在進(jìn)行校準(zhǔn)件上、下艱尺寸定標(biāo)過程中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電位器R9(即V1值)，可以使V3的輸出電壓值比較適中，并使量儀最后一級放大電壓(V6)也即光柱顯示器的輸入電壓Vi不致處于飽和狀態(tài)，保證壓力傳感器信號放大電壓處于線性放大區(qū)域，也即圖3所示的S1-S2區(qū)間，解決不同氣動測量裝置與放大電路之間的正常匹配。運算放大器3的輸出電壓(V3)經(jīng)過由運算放大器4、R12、R13、R14組成的同相放大器進(jìn)行第三次放大，其中R14為可調(diào)電位器，并接于4的反相輸入端和輸出端之間，本級的放大倍率為(1+R14R13)]]>，改變R14便能改變整個放大電路的效益。R13確定之后，電路倍率的變化由R14的變化范圍所決定，且倍率的變化是連續(xù)可調(diào)的。這就是為什么只用一只電位器就能取代不同規(guī)格的文杜里管的原因。由4輸出的電壓(V4)進(jìn)入由運算放大器5、R15、R16、R17、R18、R19組成的加法是路。電壓信號V4經(jīng)過電陰R16接在5的同相輸入端。R15為可變電位器并接在電源+V與-v之間，從R15上取出的電壓(V7)經(jīng)電阻R17接在5的同相輸入端。電阻R18一端接5的反相輸入端，另一端接地。R19為反饋電阻。設(shè)R16=R17=R18=R19，則V5=V4+V7。顯然，當(dāng)調(diào)整電位器R15的阻值時，V7隨之改變，5的電壓輸出(V5)也發(fā)生變化，從而達(dá)到改變量儀光柱顯示器零點位置的目的。R15也就是量儀的零位調(diào)整電位器，它取代了文杜里氣動量儀的機械式零位調(diào)整閥。
經(jīng)過零位調(diào)整后的放大電壓，通過由運算放大器6、R20、R21、C1、C2組成的二階低通濾波電路處理后進(jìn)入光柱顯示電路，驅(qū)動100個發(fā)光二極管，進(jìn)行被測尺寸的電子柱顯示。光柱顯示電路采用電壓比較法。顯示器由100個發(fā)光二極管組成，每10個發(fā)光二極管為一組，直接插在顯示器電路板上。電壓比較器采用10塊集成電路LM3914，每一塊LM3914對應(yīng)著一組發(fā)光二極管。圖4為光柱顯示原理圖，Vj為予先設(shè)定的取樣電壓，加在比較器“-”端。Vi為比較器輸入電壓，加在比較器“+”端。Vo為比較器輸出電壓。比較器輸出電壓Vo有兩種狀態(tài)，當(dāng)Vi＜Vj時，Vo=0，比較器處于低電平狀態(tài)。當(dāng)Vi＞Vj時Vo＞0，比較器處于高電平狀態(tài)。由LM3914組成的顯示電路見圖1。電路由100個單電壓比較器組成。電位器R22、R23的作用是設(shè)置光柱顯示電壓區(qū)間。電阻r1、r2、r3……r100是取樣電阻，且r1=r2=r3……r100。R為發(fā)光二極管限流電阻。當(dāng)Vi小于第一個電壓比較器的Vj時，所有比較器處于低電平狀態(tài)，發(fā)光二極管不亮。當(dāng)Vi大于第一個電壓比較器的Vj而小于第二個電壓比較器的Vj時，第一個電壓比較器處于高電平狀態(tài)，其它比較器均處于低電平狀態(tài)，此時第一個發(fā)光二極管發(fā)光。當(dāng)Vi大于第二個電壓比較器的Vj而小于第三個電壓比較器的Vj時，第一個和第二個比較器均處于高電平狀態(tài)，此時第一個和第二個發(fā)光二極管發(fā)光。以此類推當(dāng)Vi不斷增大、發(fā)光二及管依次由第一個到第100個依次發(fā)光。Vi由高向低變化時，發(fā)光二極管由第100個到第一個依次熄滅。發(fā)光二極管發(fā)光和熄滅的數(shù)目是隨輸入電壓Vi的增和減少而呈線性變化關(guān)系，從而完成了模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定、可靠可進(jìn)行各種接觸或非接觸氣動測量等特點。
本發(fā)明最高分辨率達(dá)0.2μm，重復(fù)顯示精度1％，零位漂移0.5μm/4小時，線性誤差1％。
權(quán)利要求
1.由壓力傳感器，運算放大器、電壓比較器、發(fā)光二極管等組成的文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱量儀，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)變的電壓信號由運算放大器2、R1、R2、R3、R4組成的差動放大器進(jìn)行電壓放大、放大后的信號進(jìn)入由運算放大器3、R5、R7、R11組成的放大器進(jìn)行第二次放大，由三個串聯(lián)電阻R8、R9、R10組成取壓電路，從R9上取出的電壓V1通過電阻R6加到3的同相輸入端，與壓力傳感器的差動放大信號電壓疊加后再進(jìn)行同相放大、運算放大器3的輸出電壓(V3)經(jīng)過由運算放大器4、R12、R13、R14組成的同相放大器進(jìn)行第三次放大、由運算放大器4輸出的電壓(V4)進(jìn)入由運算放大器5、R15、R16、R17、R18、R19組成的加法電路，電壓信號V4經(jīng)過R16接在5的同相輸入端。最后，經(jīng)過幾次放大后的電壓信號，通過由運算放大器6、R20、R21、C1、C2組成的二階低通濾波電路處理后進(jìn)人光柱顯示電路，驅(qū)動發(fā)光二極管進(jìn)行被測尺寸的電子柱顯示。其特征是a)、在由R8、R9、R10組成的取壓電路中，R8一端接壓電源(+v),R10一端接負(fù)電源(-v)，且R8=R10=2R9。b)在進(jìn)行第三次放大的同相放大電路中，R14接于4的反相輸入端和輸出端之間。c)在由運算放大器5、R15、R16、R17、R18、R19組成的加法電路中，R15接于+v與-v之間，且R16=R17=R18=R19。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱測量儀電路，其特征是R9、R14、R15為可調(diào)電位器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱測量儀電路，其特征是光柱顯示電路比較器的集成電路采用的是LM3914。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱測量儀，其特征是文杜里管小截面處的直徑為1～3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由氣路和電路組成的文杜里式氣電轉(zhuǎn)換電子柱量儀。氣路部只有一個穩(wěn)壓器和一個尺寸不變的文杜里管。經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成的電壓信號經(jīng)過集成電路處理后同電壓比較式光柱顯示電路進(jìn)行測量顯示。本發(fā)明電路分別由三個可調(diào)電位器解決匹配,零位調(diào)整和倍率調(diào)整。光柱顯示電路采用10塊LM3914和100個發(fā)光二極管。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定、可靠、顯示清晰等特點。分辨率達(dá)0.2μm,重復(fù)顯示精度1%,零位漂移0.5μm/4小時,線性誤差1%。
文檔編號G01B13/00GK1209539SQ97114479
公開日1999年3月3日 申請日期1997年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月22日
發(fā)明者劉中成 申請人:第一汽車集團公司