Датчик давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения избыточного давления высокотемпературных сред в широком диапазоне его изменения. Датчик давления выполнен в виде совокупности первого коаксиального резонатора, содержащего цилиндрический корпус, соосный с ним стержень, к которому на одном из его торцов подсоединен плоский диск, установленный перпендикулярно продольной оси стержня и образующий первый конденсатор с другим аналогичным параллельным ему плоским диском, соединенным другим стержнем с параллельной ему деформируемой крышкой на одном торце цилиндрического корпуса, воспринимающей измеряемое давление, к другому торцу стержня подсоединено днище на другом торце цилиндрического корпуса, и две петли связи, и второго коаксиального резонатора с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора (корпус, соосный с ним стержень, два плоских диска и две петли связи), причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, а днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, при том что стержень второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск, идентичный первому плоскому диску, оба этих диска установлены перпендикулярно продольной оси этого стержня и каждый из них образует конденсатор с параллельной им указанной деформируемой крышкой второго резонатора. Технический результат - расширение функциональных возможностей датчика давления, повышение его чувствительности. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения избыточного давления высокотемпературных сред в широком диапазоне его изменения.

Известно устройство для измерения давления, содержащее коаксиальный резонатор, на торце которого расположены два плоских диска, выполняющих функцию конденсатора. Один из этих дисков прикреплен с помощью штока к центру мембраны, воспринимающей измеряемое давление, а другой диск закреплен на торце внутреннего проводника коаксиальной линии параллельно первому диску (RU 2221228 С2, 10.01.2004).

Недостатком этого устройства является строгое фиксирование диапазона измерения, что обусловлено имеющей место предельной величиной прогиба мембраны датчика давления.

Известно также устройство (RU 2457451 С2, 27.07.2012), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит датчик в виде коаксиального резонатора, который содержит цилиндрический корпус, стержень, два плоских диска, крышку, воспринимающую измеряемое давление, днище и две петли связи. При этом датчик снабжен дополнительным коаксиальным резонатором с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора, причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, жесткость которой рассчитывается исходя из диапазона измеряемого давления и жесткости крышки первого резонатора.

Недостатком устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная предельной величиной прогиба деформируемой крышки, воспринимающей измеряемое давление. Если давление превышает предельное значение, связанное с максимальным прогибом крышки, то устройство становится неработоспособным.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей датчика давления за счет расширения диапазона измерения давления, повышение его чувствительности.

Технический результат достигается тем, что датчик давления выполнен в виде совокупности первого коаксиального резонатора, содержащего цилиндрический корпус, соосный с ним стержень, к которому на одном из его торцов подсоединен плоский диск, установленный перпендикулярно продольной оси стержня и образующий первый конденсатор с другим аналогичным, параллельным ему, плоским диском, соединенным другим стержнем с параллельной ему деформируемой крышкой на одном торце цилиндрического корпуса, воспринимающей измеряемое давление, к другому торцу стержня подсоединено днище на другом торце цилиндрического корпуса, и две петли связи, и второго коаксиального резонатора с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора (корпус, соосный с ним стержень, два плоских диска и две петли связи), причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, а днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, при этом что стержень второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск, идентичный первому плоскому диску, оба этих диска установлены перпендикулярно продольной оси этого стержня и каждый из них образует конденсатор с параллельной им указанной деформируемой крышкой второго резонатора.

Устройство поясняется чертежом, изображающим схему устройства.

На нем показаны: корпус 1, крышка 2, днище 3, стержни 4 и 5, элементы связи 6, 7, 8 и 9, диски 10, 11, 12, 13 и 14, днище 15, стержень 16.

Устройство работает следующим образом.

Корпус 1, крышка 2, днище 3 и стержень 4 образуют первый коаксиальный резонатор, внутри которого на стержне 4 закреплен диск 10, образующий с параллельным ему диском 11 электрическую емкость (конденсатор), плоская мембрана крышки 2 воспринимает измеряемое давление и перемещает диск 11, элементы связи 6 и 7 служат для подвода и съема электромагнитной энергии. Корпус 1, днище 15, П-образный стержень 5 образуют второй (дополнительный) коаксиальный резонатор совместно с параллельными дисками 12, 13 и 14; элементы связи 8 и 9 служат для подвода и съема электромагнитной энергии в дополнительном резонаторе.

Под воздействием измеряемого давления Р плоская мембрана крышки 2 деформируется и диск 11 перемещается. Электрическая емкость Сн1 конденсатора первого резонатора изменяется; соответственно этому изменяется резонансная частота электромагнитных колебаний датчика. Подключение электрической емкости Сн1 эквивалентно удлинению разомкнутого на этом конце отрезка длинной линии на величину , равную (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С. 18-19)

где ƒ - частота, c - скорость света (3⋅108 м/с), W0 - волновое сопротивление длинной линии. Поэтому резонансная (собственная) частота ƒp1 электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, на одном конце которого подключена емкость Сн1, равна

где - длина отрезка длинной линии (длина стержня 4).

Резонансная частота ƒp1 первого коаксиального резонатора зависит величины электрической емкости Сн1, которая, в свою очередь, зависит от геометрических параметров резонатора и величины зазора между дисками 10 и 11, который функционально связан с измеряемым давлением (RU 2457451 С2, 27.07.2012):

где D1 - диаметр каждого из дисков 10 и 11, Δ1 - зазор между дисками 10 и 11.

При измеряемом давлении, равном Pmax, являющимся предельным для первого резонатора, этот резонатор перестает работать, так как зазор Δ1 между дисками 10 и 11 становится разным нулю. При дальнейшем увеличении измеряемого давления Р, то есть при Р>Pmax - превышении значения Р предельного значения Pmax, стержень 4 начинает прогибать днище 3. Тогда диск 12, перемещаясь, уменьшает зазор между дисками 12 и 13, что приводит, к изменению электрической емкости конденсатора второго (дополнительного) резонатора. Следовательно, резонансная частота ƒp2 второго резонатора также будет изменяться.

В данном устройстве стержень 5 второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск 14, идентичный первому плоскому диску 13, подсоединенному к первому торцу стержня 5. Оба этих диска 13 и 14 установлены перпендикулярно продольной оси стержня 5, и каждый из них образует конденсатор - электрическую емкость Сн2 (будем считать эти электрические емкости одинаковыми, что непринципиально) с параллельным им диском 12, соединенным с днищем 3 - деформируемой крышкой второго резонатора при Р>Pmax.

Эти электрические емкости Сн2 являются оконечными реактивными (емкостными) нагрузками второго коаксиального резонатора. С помощью элементов связи 8 и 9 второй коаксиальный резонатор соединен с электронным блоком, служащим для возбуждения электромагнитных колебаний в этом резонаторе и измерения его резонансной частоты ƒp2. Элементы связи 8 и 9, как и элементы связи 6 и 7, могут быть, в частности, выполнены, как показано на чертеже, в виде петель связи (магнитных элементов связи). Во втором коаксиальном резонаторе с П-образным внутренним проводником (стержнем 5) на его концах с электрическими емкостями, образуемыми диском 12 и каждым из дисков 13 и 14, имеются максимумы значений напряженности электрического поля стоячей волны, в то время как в центральной области этого резонатора - там, где имеет место изгиб внутреннего проводника, - электрическое поле стоячей волны отсутствует, а магнитное поле имеет максимальное значение. Поэтому подсоединение металлического стержня 16 накоротко одним концом к стержню 5 в середине его длины (там, где электрическое поле стоячей волны отсутствует) и другим концом к днищу 15, что обеспечивает его жесткую конструкцию, не влияет практически на распределение электрического и магнитного полей стоячей волны во втором резонаторе.

В зависимости от величины внешнего измеряемого давления Р, при Р>Pmax изменяется величина прогиба деформируемой крышки второго резонатора - днищем 3. При этом изменяется зазор Δ2 - расстояние между диском 12 и каждым из дисков 13 и 14, и, как следствие, величины электрической емкости Сн2 - реактивной (емкостной) нагрузки на каждом торце второго коаксиального резонатора (отрезка коаксиальной длинной линии).

Покажем, что при подключении к обоим торцам второго коаксиального резонатора нагрузочных сопротивлений в виде сосредоточенных электрических емкостей Сн2, имеет место увеличение чувствительности к величине измеряемого зазора по сравнению с коаксиальным резонатором, имеющем нагрузочное сопротивление - электрическую емкость Сн1 лишь на одном торце. Последнее имеет место в случае первого коаксиального резонатора, рассмотренного выше, для которого справедливо соотношение (2) для его резонансной частоты ƒp1.

Подключение на каждом конце коаксиального резонатора (отрезка длинной линии) электрической емкости Сн2 эквивалентно удлинению каждого, разомкнутого на этом конце, отрезка длинной линии на величину , равную (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С. 18-19)

где ƒ - частота, с - скорость света (3⋅108 м/с), W0 - волновое сопротивление длинной линии. При этом эквивалентная длина отрезка коаксиальной длинной линии, разомкнутого, на обоих концах, есть , где - длина самого отрезка коаксиальной длинной линии с П-образным внутренним проводником (длина П-образного стрежня 5). Поэтому резонансная (собственная) частота ƒp2 электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, на каждом из двух концов которого подключена емкость Сн2, равна

Если одна из емкостей Сн2 является чувствительным элементом, а другая имеет фиксированную величину Сн20, не зависящую от измеряемого параметра, то такой отрезок длинной линии сходен с отрезком длинной линии (вторым коаксиальным резонатором) в устройстве-прототипе, где "рабочим" является только один торец соответствующего резонатора. В этом случае для коаксиального резонатора с подключенными к его концам емкостями Сн2 и Сн20 резонансная частота рассчитывается так:

где Δ2 - измеряемый зазор, которым является расстояние между диском 12 и каждым из дисков 13 и 14, соответствующее прогибу деформируемой крышки (мембраны) второго резонатора.

При наличии двух "рабочих" торцевых емкостей Сн2 на концах такого отрезка длинной линии значение резонансной частоты ƒp2 будет равным

При n=1 в формулах (5), (6) и (7) отрезок длинной линии является полуволновым, разомкнутым на обоих концах. При этом на его концах наблюдается максимум амплитуды электрического поля и минимум амплитуды магнитного поля, а в центральной части отрезка длинной линии наоборот - минимум амплитуды электрического поля и максимум амплитуды магнитного поля. Именно для связи по магнитному полю элементы 8 и 9 имеют форму петель.

Преобразовав выражения (6) и (7) можно получить формулы для расчета значений S0 и S чувствительности устройств (датчиков давления) с одним или двумя "рабочими" концами отрезка длинной линии:

Сравнивая (8) и (9) с учетом того, что начальное значение резонансной частоты для обоих устройств (с одним и двумя "рабочими" концами отрезка длинной линии) при некотором номинальном значении Δ0 измеряемого параметра (зазора) одна и та же (ƒp200)=ƒp20)), получим: S=2S0. Подобное соотношение имеет место в реальном диапазоне изменения зазора при деформации мембраны (деформируемой крышки второго резонатора днища 3) датчика давления. Следовательно, чувствительность предлагаемого устройства - датчика давления - к измеряемому давлению в два раза выше чувствительности устройства с одним "рабочим" концом отрезка длинной линии, соответствующего устройству - прототипу.

Конструкции резонаторов в виде отрезков коаксиальной длинной линии могут быть изготовлены из меди, латуни и других металлов с небольшим удельным сопротивлением. Добротность этих резонаторов должна быть достаточно высокой (~100) для высокоточного измерения резонансной частоты. Деформируемые крышки (мембраны) могут быть изготовлены из различных металлов, например, элинвара (RU 2221228 С2, 10.01.2004). Величина прогиба мембраны выражается следующей формулой (US 3927369 А, 16.12.1975):

где ΔР - разность давлений с внешней и внутренней сторон мембраны, a - радиус цилиндрической мембраны, d - ее толщина, Е - модуль упругости конкретного материала, из которого изготовлена мембрана.

В качестве материала для мембраны допустимо выбрать нержавеющую сталь. Толщина мембраны может составлять 0,1÷0,3 мм, а ее диаметр 10÷40 мм. Формула (10) выражает максимальную величину деформации в центре мембраны.

При использовании двух чувствительных элементов - оконечных электрических емкостей на обоих концах коаксиального резонатора с П-образным внутренним проводником - одному и тому же изменению давления соответствует вдвое большее изменение резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора, то есть имеет место повышение чувствительности данного устройства - датчика давления.

Кроме того, в этом устройстве с двумя торцевыми электрическими емкостями на концах коаксиального резонатора с П-образным внутренним проводником одно и то же давление Р может быть измерено при вдвое меньшей величине прогиба деформируемой крышки второго резонатора (мембраны), чем в случае устройства с одной такой электрической емкостью. Во-первых, это позволяет не предъявлять столь жестких требований к этим параметрам (размерам a и d, модулю упругости Е) мембраны; во-вторых, дает возможность расширить диапазон измерения давления, превышающего значения, предельные для деформируемой крышки первого резонатора, поскольку прогибы упругих стенок на ту же величину, что и ранее, теперь соответствуют более высоким значениям давления.

Таким образом, предлагаемое устройство - датчик давления - характеризуется повышение в два раза чувствительностью к измеряемому давлению, а также возможностью измерения больших, превышающих предельные для деформируемой крышки первого резонатора, значений внешнего давления при менее жестких требованиях к параметрам деформируемой крышки второго резонатора датчика, возможностью измерения существенно больших значений внешнего давления при тех же параметрах деформируемой крышки второго резонатора датчика.

Датчик давления, выполненный в виде совокупности первого коаксиального резонатора, содержащего цилиндрический корпус, соосный с ним стержень, к которому на одном из его торцов подсоединен плоский диск, установленный перпендикулярно продольной оси стержня и образующий первый конденсатор с другим аналогичным параллельным ему плоским диском, соединенным другим стержнем с параллельной ему деформируемой крышкой на одном торце цилиндрического корпуса, воспринимающей измеряемое давление, к другому торцу стержня подсоединено днище на другом торце цилиндрического корпуса, и две петли связи, и второго коаксиального резонатора с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора (корпус, соосный с ним стержень, два плоских диска и две петли связи), причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, а днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, отличающийся тем, что стержень второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск, идентичный первому плоскому диску, оба этих диска установлены перпендикулярно продольной оси этого стержня и каждый из них образует конденсатор с параллельной им указанной деформируемой крышкой второго резонатора.



 

Похожие патенты:

Использование: для создания емкостного датчика давления. Сущность изобретения заключается в том, что высокочастотный тонкопленочный емкостной датчик давления состоит из четырех диэлектрических пленок, на поверхности первой диэлектрической пленки сформирован основной экран, на верхней поверхности второй диэлектрической пленки сформирован первый боковой экран, изолятором между основным экраном и объектом исследования является первая диэлектрическая пленка, на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки сформирована объединенная обкладка (мембрана), сквозь первую, вторую диэлектрические пленки и ответные обкладки проходят не менее пяти сквозных опорных отверстий для связи полости датчика под мембраной с атмосферным давлением; датчик закреплен на поверхности объекта исследования через первую диэлектрическую пленку с канавками для поддержания связи ячейки с атмосферой через опорные отверстия, при этом на поверхности второй диэлектрической пленки сформированы ответные обкладки из металлической фольги прямоугольной или круглой формы; диаметр ячейки перфорации выбирают равным 2а, где а - радиус ячейки перфорации, высоту l ячейки перфорации выбирают равной высоте общей толщины мембраны l1, для сохранения линейной зависимости между выходным и входным параметрами прогиб мембраны выбирают намного меньше общей толщины l/2; после формирования мембраны датчика из диэлектрической пленки толщину металлизированного слоя t выбирают не более одного мкм, в противном случае, когда мембраной является металлическая пленка, его толщину t выбирают в диапазоне от 2 мкм до 40 мкм, при этом соответственно обеспечивая минимальный уровень измеряемого давления от 1 Па до 20 кПа; максимальный - от 200 Па до 1100 кПа, причем, если мембрана сформирована из полиимидной пленки, величина частоты ее собственных колебаний меньше величины частоты собственных колебаний пленки из никеля в 4,5 раза; причем полиимидная пленка, выбранная в качестве изоляции и для покрытия металлом в вакууме, должна быть толщиной не менее 10 мкм.

Группа изобретений относится к средствам измерения в полевых условиях при повышенных значениях внешней температуры. В частности, варианты осуществления относятся к емкостным датчикам в технологическом оборудовании.

Группа изобретений относится к медицине. Хирургическая консоль содержит: нажимную пластину; и модуль датчика давления, содержащий датчик усилия; при этом нажимная пластина выполнена с возможностью перемещения относительно модуля датчика давления; и модуль датчика давления выполнен с возможностью измерения усилия, приложенного к модулю датчика давления эластичным контейнером, расположенным между модулем датчика давления и нажимной пластиной, причем указанное усилие используется для определения давления, связанного с эластичным контейнером.

Изобретение относится к технологическим инструментам, используемым в промышленных системах управления процессом. Заявленный преобразователь давления для измерения давления технологической текучей среды содержит корпус преобразователя, датчик давления для измерения давления технологической текучей среды, причем датчик давления расположен в корпусе, и гидравлическую систему передачи.

Изобретения относятся к авиационной технике, а именно к измерительной технике для диагностики параметров потока, в частности к способам и устройствам для разделения суммарного поля пульсаций сверхзвукового потока на вихревую, энтропийную и акустическую моды (модовой декомпозиции).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения полного и статическое давления, их пульсаций в аэродинамических трубах и стендах.

Группа изобретений относится к измерительной технике. Изобретения могут быть использованы для исследования переходных процессов в авиационной космической технике и в разных отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике для измерения параметров потока, в частности полного давления, давления скоростного напора, статического давления, пульсации и/или звукового давления, измерения величины и направления скорости в пространственных потоках.

Изобретение относится к области управления и регулирования на определенном уровне парциального давления кислорода в замкнутом объеме и может быть использовано при термическом анализе фазовых превращений и процессов диссоциации простых и сложных оксидов методами термогравиметрии, термодилатометрии, дифференциально-термического анализа в зависимости от изменения парциального давления кислорода в равновесной газовой атмосфере.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления, и может быть использовано при измерении разности давлений жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения избыточного давления высокотемпературных сред в широком диапазоне его изменения. Датчик давления выполнен в виде совокупности первого коаксиального резонатора, содержащего цилиндрический корпус, соосный с ним стержень, к которому на одном из его торцов подсоединен плоский диск, установленный перпендикулярно продольной оси стержня и образующий первый конденсатор с другим аналогичным параллельным ему плоским диском, соединенным другим стержнем с параллельной ему деформируемой крышкой на одном торце цилиндрического корпуса, воспринимающей измеряемое давление, к другому торцу стержня подсоединено днище на другом торце цилиндрического корпуса, и две петли связи, и второго коаксиального резонатора с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора, причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, а днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, при том что стержень второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск, идентичный первому плоскому диску, оба этих диска установлены перпендикулярно продольной оси этого стержня и каждый из них образует конденсатор с параллельной им указанной деформируемой крышкой второго резонатора. Технический результат - расширение функциональных возможностей датчика давления, повышение его чувствительности. 1 ил.

Наверх