Датчик регистрации пневмоимпульсов низкого давления

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может использоваться в автоматизированных контрольно-измерительных системах управления. Предложен датчик регистрации пневмоимпульсов низкого давления, содержащий чувствительный элемент в виде пластины, реагирующей на изменение давления пневмоимпульса, и измерительную схему, состоящую из магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита, зеркало, источник света, конденсор, диафрагму, и электрической мостовой схемы, включающей дифференциальный фоторезистор, опорное и наладочное сопротивления, источник напряжения, в обратной связи которой расположены нагрузочное сопротивление и регистрирующий прибор. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает обеспечение высоких параметров чувствительности и быстродействия при определении давления в динамических процессах за счет использования указанного чувствительного элемента. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники.

Уровень техники

Из уровня техники [патент RU 2464538 С1, опубликован 20.10.2012] известен датчик давления, содержащий чувствительный элемент и измерительную схему. Работа датчика давления основана на определении измеряемого давления, исходя из силового воздействия газа на чувствительный элемент, выполненный в виде мембраны. Измерительная схема представляет собой две мостовые схемы, первая из которых воспринимает результат воздействия давления на чувствительный элемент, а вторая обеспечивает получение точных выходных значений измерений.

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие при определении давления в динамических процессах.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по устранению вышеуказанного недостатка известного технического решения.

Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении быстродействии за счет использования чувствительного элемента в виде пластины, жестко закрепленной на растяжках магнитоэлектрического гальванометра, на которую воздействует струя газа, и измерительной компенсационной схемы, позволяющей снизить погрешности измерений при динамических процессах.

Более конкретно, технический результат достигается датчиком регистрации пневмоимпульсов низкого давления, содержащим чувствительный элемент в виде пластины, реагирующей на изменение давления, и измерительную схему, которая состоит из магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита, зеркало, источник света, конденсор, диафрагму, и электрической мостовой схемы, включающей дифференциальный фоторезистор, опорное и наладочное сопротивления, источник напряжения, и в обратной связи которой расположены нагрузочное сопротивление и регистрирующий прибор.

Краткое описание чертежа

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого датчика регистрации пневмоимпульсов низкого давления.

Осуществление изобретения

Датчик регистрации пневмоимпульсов низкого давления состоит из магнитоэлектрического гальванометра 1, рамка 2 которого помещена в зазоре постоянного магнита 3. На подвижной части магнитоэлектрического гальванометра 1 жестко закреплены зеркало 4 и пластина 5. Ток к рамке подводится по токопроводам 6. Нормально к поверхности пластины 5 установлено сопло 7, из которого вытекает струя воздуха, оказывающая силовое воздействие на поверхность пластины 5.

Оптическая часть магнитоэлектрического гальванометра 1 состоит из источника света 8, подающего через конденсор 9 и диафрагму 10 луч света на зеркало 4. Отраженный от зеркала 4 луч света падает на дифференциальный фоторезистор 11, включенный в электрическую мостовую схему, которая состоит из источника напряжения Е, опорного сопротивления R_оп и наладочного сопротивления R_н. Выходной ток I, полученный на выходе электрической мостовой схемы и прошедший в цепи обратной связи через нагрузочное сопротивление регистрируется миллиамперметром 12.

Подача пневмоимпульсов давления Р на сопло 7 производится через клапан 13.

Работает устройство следующим образом. При подачи пневмоимпульсов с амплитудой давления Р (клапан 13 открыт) на пластину 5 максимальная сила F действия струи на поверхность пластины 5 определяется выражением:

где k - эмпирический коэффициент, равный 0,9; S_c=πd_c² - площадь выходного отверстия сопла 7; h - расстояние от сопла 7 до пластины 5; d_c - диаметр выходного отверстия сопла 7.

Пневмоимпульс газа, исходящий из сопла 7, отклоняет пластину 5 с зеркалом 4. Перемещение отраженного от зеркала луча света вызывает перераспределение световых потоков на поверхностях двух половин дифференциального фоторезистора 11. Разбаланс электрической мостовой схемы приводит к появлению тока в цепи отрицательной обратной связи, состоящей из сопротивления R_н, миллиамперметра 12 и рамки 2 магнитоэлектрического гальванометра 1.

Образующийся при этом магнитоэлектрический момент М_зл компенсирует механический момент М_м от действия пневмоимпульса на поверхность пластины 5.

Пренебрегая жесткостью упругих элементов подвижной части, условие работы в установившемся режиме может быть записано в таком виде:

Максимальный механический момент от действия пневмоимпульса на подвижную пластину 5:

где i_c - расстояние оси симметрии площади контакта пневмоимпульса и пластины 5 от оси симметрии подвижной части магнитоэлектрического гальванометра 1.

Магнитоэлектрический момент определяется выражением:

где ψ - потокосцепление.

Равенство (II) с учетом (III) и (IV) приобретает вид:

Чувствительность датчика Н_р по давлению будет равна:

В качестве совокупного критерия чувствительности и быстродействия введено понятие добротности датчика по давлению A_p, равная произведению чувствительности Н_Р на квадрат собственной частоты ƒ₀²:

В соответствии с уравнением, приведенном в источнике [ Study on the electromagnetic oscillograph of moving-coil type / Res. of the electrotechnical laboratory, Tokyo, 1934, №376] для собственной частоты гальванометра момент инерции подвижной части заменяется моментом инерции пластины, рамки и зеркала:

где - рабочая длина растяжки; - длина зеркала; ρ - плотность материала растяжки; - безразмерный коэффициент; - моменты инерции пластины, рамки и зеркала соответственно; - момент инерции растяжки относительно оси подвижной части.

После упрощений уравнения (VIII) получается более простое приближенное выражение квадрата собственной частоты ƒ₀²:

Используя равенство (VII) с учетом численных преобразований формул (VI) и (IX), добротность датчика по давлению А_р будет составлять:

Таким образом, для повышения быстродействия необходимо уменьшать массу подвижной части и приближать площадь контакта струи и пластины 5 к оси симметрии магнитоэлектрического гальванометра 1.

Датчик регистрации пневмоимпульсов низкого давления, содержащий чувствительный элемент, реагирующий на изменение давления, и измерительную схему, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде пластины, реагирующей на изменение давления пневмоимпульса, а измерительная схема состоит из магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита, зеркало, источник света, конденсор, диафрагму, и электрической мостовой схемы, включающей дифференциальный фоторезистор, опорное и наладочное сопротивления, источник напряжения, в обратной связи которой расположены нагрузочное сопротивление и регистрирующий прибор.