Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначенной для измерения избыточного давления агрессивных и высокотемпературных сред. Датчик давления выполнен в виде СВЧ-резонатора и содержит цилиндрический корпус, на одном конце которого закреплена крышка, а на другом конце выполнено днище, на котором соосно корпусу установлены стержень и две петли связи для подвода и съема СВЧ-энергии. Датчик дополнительно снабжен двумя плоскими дисками, образующими обкладки конденсатора, один из которых прикреплен с помощью штока к центру мембраны, а другой закреплен на торце стержня параллельно первому диску с зазором не более 0,1% длины волны, а крышка выполнена в виде чашеобразной мембраны с плоским дном и высотой, равной длине штока, и изготовлена из легированной стали, имеющей модуль упругости, не изменяющийся от температуры среды. Данное изобретение направлено на повышение точности измерения избыточного давления за счет достижения высокой добротности резонатора. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью избыточного давления агрессивных и высокотемпературных сред.

При измерении давления с применением СВЧ-резонатора для достижения высокой точности измерения необходимо обеспечить высокую добротность резонатора, что в условиях агрессивных и высокотемпературных сред во многих случаях не удается реализовать.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому датчику давления является устройство, описанное в [1], которое представляет собой полый круговой цилиндр с крышкой и с опорной пластиной, являющейся днищем цилиндра. В днище цилиндра выполнено два отверстия для подвода и отвода электромагнитной СВЧ-энергии с помощью петель связи, а в центре днища вдоль оси кругового цилиндра, являющегося корпусом датчика, установлен стержень, который совместно с цилиндрическим корпусом образует СВЧ-резонатор. На стержне закреплен чувствительный элемент датчика - измерительная манометрическая коробка.

Датчик подобного типа имеет тот недостаток, что имеет ограниченную область применения, т.к. рассчитан только для измерения хорошо текучих сред ввиду закрытой полости манометрической коробки. Большая температурная погрешность датчика ввиду наличия коробки не позволяет его применять для измерения давления высокотемпературных сред. Большой сложностью для этого датчика является изменение диапазона измерения, т.к. необходимая для этого замена манометрической коробки связана с технологическими трудностями. Таким образом, рассмотренный датчик давления, построенный на основе СВЧ-резонатора, имеет ограниченную область применения.

Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является расширение области применения за счет использования в качестве чувствительного элемента плоской мембраны с закрепленным к ней диском, обеспечивающим электромагнитную экранировку мембраны.

Решение указанной выше задачи достигается тем, что известный датчик давления, выполненный в виде СВЧ-резонатора, содержащий цилиндрический корпус, на одном конце которого закреплена крышка, а на другом конце выполнено днище, на котором соосно корпусу установлен стержень и две петли связи для подвода и съема СВЧ-энергии, снабжен дополнительно двумя плоскими дисками, образующими обкладки конденсатора, один из которых прикреплен с помощью штока к центру мембраны, а другой закреплен на торце стержня параллельно первому диску с зазором не более 0,1% длины волны, а крышка выполнена в виде чашеобразной мембраны с плоским дном и высотой, равной длине штока, и изготовлена из легированной стали, имеющей модуль упругости, не изменяющийся от температуры измеряемой среды.

На чертеже показан общий вид датчика давления.

Устройство содержит корпус 1, мембрану 2, днище 3, стержень 4, петли связи 5 и 6, шток 7, диски 8 и 9.

Корпус 1, днище 3 и стержень 4 образуют коаксиальный резонатор, на конце которого выполнен конструктивный конденсатор с обкладками в виде дисков 8 и 9; мембрана 2 воспринимает измеряемое давление; петли связи 5 и 6 служат для подвода и съема СВЧ-энергии.

Датчик работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана 2 деформируется, через шток 7 диск 8 перемещается, и емкость конструктивного конденсатора изменяется. Соответственно изменяется резонансная частота датчика f согласно уравнению [2]: где W - волновое сопротивление резонатора; ε - диэлектрическая проницаемость среды резонатора; Д - внутренний диаметр корпуса 1; d - диаметр стержня 4; V - скорость распространения электромагнитных волн в резонаторе Vo - 3•10¹⁰ см/с - скорость света в вакууме; L - длина резонатора;
- емкость конструктивного конденсатора;
Д₁ - диаметр дисков 8 и 9;
Δ - зазор между дисками 8 и 9.

Резонансная частота датчика, как видно из приведенного выражения, зависит от геометрических размеров резонатора и величины зазора между дисками, который пропорционален измеряемому давлению. Причем коаксиальное исполнение датчика обуславливает неизменность результата измерений при относительно одинаковом изменении внутреннего диаметра корпуса 1 и диаметра стержня 4, т.к. в выражении они представлены через отношение
Для снижения температурной погрешности датчика мембрана выполнена из материала с малым температурным коэффициентом модуля упругости, что позволяет использовать датчик для работы в условиях высоких температур. Для повышения чувствительности датчика к перемещению мембраны к ее центру, соответствующему геометрическому месту мембраны с наибольшей чувствительностью, с помощью стержня 7 закреплен диск 8. Такое решение позволяет практически не учитывать при расчете резонансной частоты резонатора ту часть полости резонатора, которая лежит между диском 8 и мембраной 2, т.к. при соотношении диаметров диска и внутреннего диаметра корпуса резонатора, как 9:10, диск 8 можно рассматривать как электромагнитный экран. Тогда требования к электрическим характеристикам материала мембраны 2 могут быть снижены, и его невысокая электропроводность не скажется на значении добротности резонатора.

Для снижения температурной погрешности, связанной с изменениями линейных размеров резонатора, мембрана 2 и шток 7 выполнены из однородного материала, мембрана выполнена чашеобразной формы с плоским дном и имеет высоту, равную длине штока. С этой же целью из однородного материала выполнены корпус 1 и стержень 4, геометрическая длина которых одинакова. Плоское дно чашеобразной мембраны позволяет исключить электрическую неоднородность волновода, которая появляется в случае применения гофрированной мембраны; такое решение устраняет появление дополнительных гармонических составляющих около резонансной частоты резонатора, которые являются источником помех, влияющих на результат измерения резонансной частоты датчика.

В соответствии с техническими идеями предлагаемого изобретения были разработаны, изготовлены и проведены стендовые испытания 2-х образцов датчиков давления с диапазоном измерения 0-0,6 МПа и 0-40 МПа. При длине резонатора 60 мм, его внутреннем диаметре 20 мм и начальном зазоре между дисками 1 мм резонансная частота датчика составила 670 МГц (измерялось характериографом типа X1-42). Корпус резонатора и стержень изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, а мембрана и шток из элинвара марки 29Н26КХВТЮ. Испытания проводились при температурах среды +20^oС и +400^oС, и температурный уход при этом составил менее 0,3% на каждые 100^oС.

Конструкция датчика технологична; при изготовлении его деталей на токарном станке с частотой обработки не выше 4 класса точности, не используя операцию шлифовки, удается получить добротность датчика в пределах 80-90; такая добротность позволяет построить вторичную аппаратуру, измеряющую резонансную частоту резонатора с точностью не ниже 0,1%.

Литература
1. Патент ЕP 0132222 A1, G 01 L 9/12.

2. Орлов С.И. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. - М.: Сов. радио, 1970, - 252 с.

Формула изобретения

Датчик давления, выполненный в виде СВЧ-резонатора, содержащий цилиндрический корпус, на одном конце которого закреплена крышка, а на другом конце выполнено днище, на котором соосно корпусу установлены стержень и две петли связи для подвода и съема СВЧ-энергии, отличающийся тем, что датчик дополнительно снабжен двумя плоскими дисками, образующими обкладки конденсатора, один из которых прикреплен с помощью штока к центру мембраны, а другой закреплен на торце стержня параллельно первому диску с зазором не более 0,1% длины волны, а крышка выполнена в виде чашеобразной мембраны с плоским дном и высотой, равной длине штока, и изготовлена из легированной стали, имеющей модуль упругости, не изменяющийся от температуры среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1