Датчик давления с частотмым выходом

 

(72) Авторы изобретения

Ю. А. Нестеренко, В. A. Кравцов, В. И. Красов и Е. И. Юревич (71) Заявитель (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Изобретение относится к области ин формационно-измерительной техники, предназначено для точного измерения давления газовых сред и может быть использовано в тех областях техники, где требуются высокая точность измерения давлений, малые габариты и вес, а также необходимость эксплуатации в условиях воздействия виброперегрузок, ударов и линейных ускорений (lj. .10

Известен датчик давления с частотным выходом, содержащий систему самовозбуждения в виде широкополосного усилителя, в цепь положительной обратной связи которого включена колебательная

15 система s виде плоской эластичной мембраны, разделяющей внутренний обьем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой газовой средой посредством двух капилляров, постоянная времени которых на порядОк выше полупериода колебаний.

Мембрана датчика расположена между двумя неподвижными электродами, обрезующими совместно с нею электростатические преобразователи возбуждения и .приема колебаний (2).

Недостатками известного технического .решения являются нелинейность зависимости квадрата частоты датчика от измеряемого давления, ограниченный диапазон измерения, низкая добротность колебательной системы, температурная нестабильность, а также большая постоянная времени, приводящая к невозможности измерения быстроменяющихся давлений.

Указанные недостатки обусловлены тем, что при колебаниях мембраны в рабочих камерах датчика возникают периодические перемещения газовой среды, выравнивающие давление. При этом газовая среда испьп ывает вязкое трение, которое приводит к диссипедии энергии колебаний и, как следствие этого, невысокой добротности колебательной системы. На высоких частотах в камерах да%чика могут возбуждаться радиальные акустические резонансы, умеиьшакипие эффективную упругость

ВОО34Д повышает чувствитель»эсть датчика к изMBpяГ- мом Ilавпе»ию, Неподвижные электроды 3 с помощью пружинных шайб 4 и гаек 5 укреплены в изэпяторах 6, которые уста»эвпены в корпус»ых детапях с пэмэшью уста»овэчных ви»тов 7. Плоские поверхности электродэв 3 явпяются стенками внутреннего эбьйма датчика и образуют с поверхнэстя10 ми мембраны щелевидные рабочие зазоры и 8> при этом пэпереч»ый размер зазэров т- не превышает удвэен»эй глубины проникновения вязкэй вэпны, т. е.

3 рабочих камер, запэп»е»ных газом, при этом зависимость частоты датчика эт измеряемого давления вблизи частот радиальных резэнансэв носит резко»епинейный характер, чтэ эгра»ичивает циa-пазон измеряемых давлений. Сба этмече»ных явления в значительной мере зависят эт температуры, чтэ, в свою очередь, приводит к нелинейной пэ диапазону темйературнэй пэгрешности измер ния давлений. Кроме того, при измерени малых давлений эпастичная мембрана ца чика кэлебпется с низкой частотэй. Это обстэятепьствэ затрудняет провецение измерений, ограничивает рабэчий диапазон

:в области низких давлений и не пэзвс>ляет .:применять датчик при измерении быстро,меняющнхся давлений.

Целью изобретения явпяется повыше: ;ние точности измерения давления в широком И диапазоне, а также обеспечение сочетания низкого порога чувствительности и быстродействия с возможностью эксппуатации в сложных условиях, например, в успэвиях вибраций и линейных перегрузок.

Указанная цепь цэстигается за счет того, что стенки внутреннего обьема датчика, противопежащие мембране, образуют с поверхностями мембраны щепевидные рабочие зазоры, при этом поперечный размер рабочих зазорэв не превышает удвоенной гпубины прэникновения вязкой водны. Кроме того, с целью повышения температурнэй стабильности частоты выходнэго сигнала цетапи„эбразу ощие рабочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширения, а их геометрические размеры определяются расчетным путем.

На фиг; 1 изображен чувствитепьный элемент; на фиг. 2 — схема его подключения к системе самэвозбужцения датчика.

Мембрана 1 выпопнена из материала с высоким пределом текучести, например из сплава МР-47ВП, црецваритепьно на тянута по окружности и закреппена между корпусными деталями 2, например, свар-кой. Применение указанного материала позвопяет осуществить сипьнэе натяжение мембраны и расширить частотные интервалы между собственными резонансными модами копебпющейся мембраны, что ис55 кпючает их впияние друг на друга в ши,роком диапазоне частот. При этом применение тонкой мембраны с малой вепичиной поверхностной плотности существенно

4 -поперечный размер рабэчеГго зазора„"

-глубина проникновения вязкой вопнь ;

« -динамический коэффициент вязкости газовэй среды;, Я-плотность газовой среды; а -круговая частота.

Ограничение размеров зазоров B направлении кэпеба»ий мембраны позволяет практически полностью "затормозить радиальные перемещения газовой среды под действием копебпющейся мембраны, что, с одной сторэны, приводит к повышению упругих свойств рабочих зазэров, как газовых пружин, и возрастанию добротности копеб атепьной системы, а с другой сторс ны, обеспечивает малую пэстоянную вре- . ме»и запопнения зазоров измеряемой средой при изме»ении давления этой среды.

Одновременно указан»эе ограничение размерэв рабочих зазоров приводит к изэтермичности периодических сжатий — разряжений газовой среды под действием копебпющейся мембраны, что обеспечивает независимость выход»эй частоты датчика от химического состава измеряемой газэВоА среды. Электроды 3 выпопне»ы из материапа, отпичающегося or материала кэпьцевых элементов температурным кээффициентэм расширения, при этом их топщина (размер между ппоскостями, обращенными к мембране и прилегающими к нзэпятору) опредеплется расчетной формуп ой:

690345 т ДQ где

-топшина электрода;

Д -размер рабэчего зазора при нэминальной температуре;

ДК H 33 — температурные коэффициенты расширения материалов корпусных деталей и электродэв соответственно:

0(-температурный коэффициент квадрата выходной частоты датчика, обусловленный неидеальностью упругих свойств рабочих зазоров эа счет термодинамических потерь на необратимое сжатие газа при колебаниях мембраны. 15

Пружинные шайбы 4 компенсируют несоответствие температурных коэффициентов расширения материалов электродов 3 и изоляторов 6 в направлении колебаний мембраны, а различие в темпе- 20 ратурных .коэффициентах расширения материалов электродов 3 и корпусных деталей 2 создает заданные температурные колебания рабочих зазоров 8, компенсирующих температурный коэффициент выходной частоты датчика.

Чувствительный элемент, представленный на фиг. 1, может быть помещен в герметичный корпус, снабженный штуцером цля соединения с источником изме30 ряемого давления и электрическими герморазъемами для подключения электродов

3 к системе самовозбуждения в соответствии с фиг. 2.

Один из электродов 3 (приемный

35 электрод) чувствительного элемента через разделительный конденсатор 9 подключен к предусилитепю 10, имеющему высокое входное сопротивление, выход

40 которого подсоединен к дифференцируюшему усилителю ll, содержащему цепь автоматической регулировки усиления.

Выход усилителя 11 через разделительный конденсатор 12 подключен к другому

45 (возбуждающему) электроду 3 чувствительного элемента. Блок питания 13 обеспечивает подачу поляризуюших напряжений на приемный и возбуждающий элккTpoLLbI 3 через резисторы 14 и 15, а

50 гакже подает напряжения питанйя на предусилитепь 10 и усилитель 11. Конденсатор 16 служит для электрической развязки по переменному току приемного и возбуждающего электродов 3.

Чувствительный элемент совместно с предусилитепем 10, усилителем 11 и конденсаторами 9 и 12 образует измерительный автогекератор.

Работа датчика происходит следующим образом.

При подаче напряжений питания происходит самэвоэбужцение схемы на частоте собственных колебаний чувствительного элемента. При этом переменный сигнал с приемного электрода 3 поступает на предусилитель 10 через разделительный конденсатор 9 и затем на усилитель

11, где усиливается с поворотом фазы о на +90, что необходимо для обеспечения условий самэвозбуждения автогенератора. С выхода усилителя 11 сигнал поступает через разделительный конденсатор 12 на возбуждающий электрод 3 чувствительного элемента и возбуждает колебания мембраны 1. Цепь автоматической регулировки усиления в усилителе 11 обеспечивает генерирование электрических колебаний, амплитуда которых постоянна и лежит в пределах динамического диапазона усилителя 11.

При изменении давления измеряемой газовой среды, которая заполняет рабочие зазоры 8 через пространство между корпусными деталями 2, изоляторами 6, электродами 3 и установочными винтами 7, происходит соответствующее изменение упругости рабочих зазоров 8,. что приводит к изменению собственной резонансной частоты колебаний мембраны 1 датчика и, соответственно, частоты выходного сигнала измерительного автогенератора.

Выходной сигнал снимается с выхода усилителя 11, а его частота определяется следующим выражением:

-резонансная частота

0 мембраны в вакууме;, Q -плошадь рабочего зазора (электрода);

Я -площадь мембраны;

$ -поверхностная плотность мембраны; р-измеряемое давление, Ц, -поперечный размер рабочего зазора {в направлении колебаний мембраны);

g температурный коэффициент квадрата частоты;

Ь 8 -отклонение рабочей

6 90345 8

Ф ормул а изобретения

1 . Датчик давления с частотным вы.ходом, сэдержащи и систему с амовозбужцения и колебательную систему в виде плоской мембраны, расположенной во внутреннем объеме цатчика, сообщающемся с измеряемой raçîâoé средой, о т л и О ч а ю щ и и С я тем, что, с целью по- вышения точности в широком диапазоне, стенки внутреннего объема, противолежащие мембране, образуют с гэверхностями мембраны щелевидные рабочиэ зазоры, 15 при этом поперечный размер рабочих зазоров не превышает удвоенной глубины проникновения вязкой волны и определяется по формуле: = о f +(© + д.что приводит к компенсации температурного коэффициента (Q ) квадрата частоты выходного сигнала датчика.

Прецлагаемый датчик имеет практичесФ

Ки линейную функциональную зависимость

Квадрата частоты от измеряемого цавления.

Диапазон измеряемых цавлений датчи-2 ка характеризуется значениями от 10 +

2О

10 мм рт. ст. дэ нескольких атмосфер.

Погрешность измерения не превышает

0,1-0,10% и пропорциональна измеряемому давлению. Линейная зависимость

Квацрата частоты датчика от давления позволяет сравнительно просто произвсдить обработку частотного сигнала íа циф ровых вычислительных машинах, однако наиболее перспективным является использование предлагаемого частотного датЧика совместно с функциональным частотомером, снабженным цифровым инцикатором для непосрецственного считывания результата измерения, либо имеющим кодовый выход для регистрации результата

35 измерения с помощью цифропечатающих устройств. Такие цифровые манометры, сочетающие в себе универсальность, точность, нацежность, широкий динамический диапазон, низкий порог чувствительности и т. д., необходимы вэ многих отраслях науки и техники и найдут самое широкое применение.

Д Я 2 2ф. где

2S температуры от номинального значения.

При изменении рабочей температуры чувствительного элемента датчика изменяется размер рабочего зазэра Д B co" ответствии с выражением:

С -поперечный размер рабэчего зазора; -динамический коэффициент вязкости газовой среды;

У -плотность газовой среды; (Д -круговая частота.

2. Датчик по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности частоты выходного сигнала детали, образующие ра бочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширения

Источники информации принятые во внимание при экспертизе .

1. Патент США № 3620083, кл. 73-398, 1970.

2. Авторское свидетельство № 228992, кл. Сз 01 L 11/00, 1966.

Составител И. Невский

Редактор Л Бибер Техред H. Ковалева Корректор О. Билак

Заказ 5953/39 Тираж 1090 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4