Датчик давления с частотным выходом

 

(61) Дополиительиое к авт. Свид-ву (22) Залвлеио 200677(2t) 2498360j18-10 (51)M. Кл. а 01 1. 11/00

Государственный комнтет

СССР но делам нзобретеннй н открнтнй

ОЩблииоваио 15.10.79, Бжрллетеиь Nо 38

Дата опубликоввиия еписаиия 181 079 (53) УДК 531.787

{088.8}

Ю Л. Нестеренко

I!

1 ( и;. ай

Опытное конструкторско-технологическое бюро, Кристалл

Ленинградского технологического института иь Ленсойета ИЛ (54). ДЛ1ЧИК Д1 ЦЛЕНИЯ С ЧйСТОТНЬПЧ ВЫХОДОМ

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и предназначено для измерения давлений газовых сред как в широком диапазоне так и в области высоких давлений.

Известны датчики давления, содержащие колебательную систему в виде мембраны, закрепленной по окружности внутри корпуса и расположенной между двумя электродами, один из которых служит для возбуждения„ а другой— для приема колебаний мембраны f11.

Широкий диапазон работы указанного преобразователя достигается исключе« 5 нием колебаний мембраны во второй моде с помощью выбора необходимого соотношения между размерами мембраны и электродов или изготовлением электродов специальной Формы.

Однако исключение колебаний мембраны только во второй моде не поэ воляет существенно расширить диапазон измеряемых давлений, особенно верхнюю его границу. 25 . Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик давления с частотным выходом (2),iсодержащий систему самовозбуждения и виде широкополосного усилителя, в цепь положительной обратной связи которого включена колебательная система в виде плоской эластичной мембраны, разделчющей внутренний объем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой газовой средой посредством двух капилляров, постоянная времени которых на порядок больше полупериода колебаний. Мембрана датчика расположена между двумя неподвижными электродами„ образующими совместно с нео электростатические преобразователи, для возбуждения и приема колебаний. недостатками известного датчика являются нелинейность зависимости квадрата частоты датчикаот измеряемого давления, что ограничивает диапазон измерения, а также низкая добротность колебательной системы.

Целью изобретения является обеспечение измерения высоких и сверхвысоких давлений и повышение точности измерений в широком диапазоне давлений, Это достигается тем, что в предлагаемом датчике колебательная система выполнена в виде жесткой пластины, укрепленной между отрезками

691705 сильфонов, которые образуют боковые стенки рабочих камер, при этом стенки камер, противолежащие пластине, эквидистантны (параллельны) ее поверхностям,а постоянная времени системы входной канал — рабочая камера на порядок и более выше

1Ю

5 полупериода колебаний.

Выпслнение колебательной системы в виде жесткой пластины, укрепленной между сильфонами, которые образуют боковые стенки рабочих камер, а также эквидистантность стенок камер, противолежащих пластине, ее поверхностям, обеспечивает одномерное сжатие-разряжение газовой среды в рабочих камерах под действием колебаний

I5 жесткой пластины (в направлении ее колебаний) .

Очевидно,что при одномерном сжатии — разряжении не происходит радиальных перемещений газовой среды в рабочих камерах, что обеспечивает вы-""сокую добротность колебательной систе- " мы за счет исключения потерь энергии, обусловленных сдвиговой вязкостью газа, а также резко снижает возможность возникновения побочных акустических радиальных: резонансов. Отсутствие последних существенно улучшает линейность зависимости квадрата часто" ты датчика от измеряемого давления 30 в области высоких и сверхвысоких давлений.

Кроме того, предлагаемое выполнение колебательной системы соответству-" ет одиночному осциллятору, имеющему 35 единственную резонансную частоту колебаний, что .повышает линейность зависимости квадрата частоты датчика от измеряемого давления в широком (практически неограниченном) диапа- 4р зоне давлений.

Ограничение постоянной времени системы входной канал-рабочая камера величиной не менее, чем на порядок выше полупериода колебаний, обеспечивает практическое отсутствие изменения массы газовой среды в каждой рабочей камере датчика за время одного колебания. Таким образом, колебания происходят как и при полностью герметизированных рабочих камерах.

3а чертеже изображен описываемый датчик., содержащий колебательную систему, включающую в себя жесткую M (негибкую) пластину 1, отрезки сильфонов 2, радиальные упругие растяжки

3, рабочие камеры 4, перегородки 5, концентрические выступы 6 и 7, корпус

8, входные каналы 9, кольцевые элек- ф} троды 10, изоляторы 11, гермовводы

l2, проводники 13, систему самовоэбуждения 14 и входные патрубки 15.

Жесткая пластина 1 укреплена между сильфонами 2, которые образуют I боковые стенки рабочих камер 4. Тор- цовые стенки рабочих камер 4 образо- 1 ваны корпусом 8, поверхности которого в области, охватываемой сильфонами 2, эквидистантны поверхностям пластины 1. Пластина 1 дополнительно укреплена в корпусе 8 радиальными упругими растяжками 3 предотвращающими смещение пластины 1 в ее плоскости, а также повышающими устойчивость конструкции при воздействии перегрузок и вибраций. Рабочие камеры 4 соединены с измеряемой средой входными каналами 9, которые выполнены либо в ниде узких отверстий (капилляров), либо в виде узких щелей.

Постоянная времени системы входной канал-рабочая камера на порядок и более превышает время полупериода колебаний„ Пластина 1, сильфоны

2 и рабочие камеры 4 образуют колебательную систему датчика.

Для повышения равномерности сжатий — разряжений газа и снижения волновых явлений в рабочих камерах при работе в широком диапазоне частот в камерах 4 дополнительно установлены перегородки 5, имеющие в центральной части отверстия, при этом перегородки закреплены между звеньями сильфонов 2. Кроме того, на торцовые поверхности камер 4 и на поверхностях перегородок 5 установлены концентрические выступы 7,6, которые предназначены для исключения возможности возникновения побочных акустических резонансов в .рабочих камерах. Эти резонансы могут возникнуть в реальных конструкциях

4 датчиков за счет технологического разброса деталей и неточности сборки. !

Неподвижные кольцевые электроды

10 с помощью изоляторов 11 укреплены в корпусе 8 датчика. Электроды

10 совместно с жесткой пластиной 1 образуют электростатические преобразователи системы самовозбуждения 14 и служат для возбуждения и приема колебаний пластины 1. Связь электродов 10 с системой самовоэбуждения

14 осуществляется с помощью проводников и гермовводов (герморазъемов)

12.

Объем, образованный сильфонами

2 и корпусом 8, в котором установлены электростатические преобразователи, герметизирован и в нем создан вакуум. Входные каналы 9 соединены с измеряемой средой посредством входных патрубков 15.

Работа датчика происходит следующим образом.. С помощью электродов

10 системы возбуждения 14 возбуждаются колебания пластины 1 в направлении, перпендикулярном ее плоскбсти на резонансной частоте, значение

691705,: — 1 ° ю м, экю где 6 — упругость сильфонов 2 и растяжек 3; 5 бк- упругость рабочих камер 4;

М вЂ” полная масса колебательной

3 6 системы, которая включает массу пластин 1 и эффективную (приведенную) массу сичьфонов 10

2, перегородок 5 и концентрических выступов 7 и 6 на перегородках 5.

Упругость рабочих камер 4 (без учета термодинамических потерь энер- i5 гии колебаний) определяется формулой:

Формула изобретения

6„= 23

Р5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 . Патент СМА 9 3620083, кл.73398, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 228992, кл.G 01 Ь li/00 1967. которой определяется следующим выражением

e -.e, / где — отношение газовых теплоем- 20 костей;

p — измеряемое давление;

S — - площадь, по которой происходит сжатие . — разряжения газа в камерах (площадь экви-, 25 валентного поршня);

Ч вЂ” объем рабочей камеры.

При изменении измеряемого давления

Р происходит изменение резонансной частоты колебательной системы. Частотный сигнал на выходе системы самовозбуждения поступает для дальнейшей обработки на функциональный частотомер или UBM.

Благодаря вакуумированию электростатической системы возбуждения и приема колебаний, последняя характеризуется высокой надежностью при воздействии агрессивных и загрязненных сред, а также при термических воздействиях. Кроме того, предлагаемая конструкция имеет малые потери на вязкое трение.

ОсноВным достоинством предлагаемой конструкции является воэможность ее применения для измерения как малых45 давлений, так и высоких и сверхвысоких давлений, достигающих значения сотен и тысяч атмосфер, при этом соответствие колебательной системы одиночному осциляropy 3Н Те Н 50 повышает точность измерения.

Область применения датчика может быть самой разнообразной — от измерений давлений в лабораторных условиях до измерений давлений в камерах ракетных двигателей.

1. Датчик давления r. частотным выходом, содержащий колебательную систему„ разцеляющую корпус на две рабочие камеры, соединенные входными каналами с источником контролируемого давления, и систему самовозбуждения с электрическими преобразователями, подключенными к колебательной системе, о т л и ч а ю щ и йс я тей, что, с целью повышения точности измерений и расширения рабочего диапазона, колебательная система выполнена в виде жесткой пластины, которая укреплена между снльфонамн, образующими боковые стенки рабочих камер, а стенки корпуса в камерах, противолежащие пластине, эквидистантны ее поверхностям, при этом система входной канал-рабочая камера выполнена с постоянной времени не .. менее, чем на порядок превышающей полупериод колебаний.

2. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что жесткая пластина с торцов прикреплена к корпусу упругими растяжками.

3. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что на эквидистантных поверхностях пластины или камер выполнены кольцевые выступы, высотой меньше высоты рабочих камер на величину, превышающую амплитуду колебаний пластины.

4. Датчик по п.1 о т л и ч а. юшийся тем, что электромеханические преобразователи расположены у периферийнь|х участков пластины, выступающих из рабочих камер в герметизованный объем корпуса.

5. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в рабочих каме" рах эквидистантно поверхностям пластины установлены дополнительные перегородки с отверстиями, укрепленные на внутренних поверхностях сильФонов.

691705

Составитель И.Невский

Техред M.Êåëåìåø Корректор Н.Задерновская .

Ю»

Редактор, С.Хейфиц

Филиал ППП Патент, r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4.лаказ 6203/31 Тираж 1090 Подписное

ЦЯИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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