СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01L23/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники.

Уровень техники

Из уровня техники [патент RU 2344389 С1, опубликован 20.01.2009] известен тонкопленочный датчик давления, содержащий чувствительный элемент и измерительную схему. Работа данного датчика основана на определении измеряемого давления, исходя из силового воздействия газа на чувствительный элемент - мембрану тензорезистора. Измерительная схема обеспечивает стабильность выходных значений благодаря использованию мостовой схемы, в которую помещен чувствительный элемент.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности автоматизации процесса измерений, вызванный применением инерционной измерительной схемы.

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 быстродействия за счет использования в датчике пластины, на которую воздействует струя газа от источника давления, и измерительной компенсационной схемы с подключенным в обратной связи пневматическим мембранным усилителем мощности.

Более конкретно, технический результат достигается струйным датчиком давления, содержащим чувствительный элемент, реагирующий на изменение давления и выполненный в виде пластины, подвешенной на газовой опоре, и измерительную компенсационную схему, включающую считывающий элемент в виде узла типа «сопло-заслонка», охваченный двумя соплами, расположенными до и после пневматического мембранного усилителя мощности, и образующий вместе с указанным усилителем и соплом обратной связи регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления большим единицы.

Краткое описание чертежа

На фиг.1 представлена схема предлагаемого струйного датчика давления.

Осуществление изобретения

Струйный датчик давления состоит из чувствительного элемента - пластины 1, подвешенной на газовой опоре 2. Для контроля давления Р предусмотрено входное сопло 3, из которого вытекает струя газа, нормально направленная на поверхность пластины 1. Поворот пластины 1 под действием контролируемого давления регистрируется изменением расстояния между соплом 4 и заслонки 5, жестко закрепленной на пластине 1. Между соплом 4 и питающим дросселем 6 расположена междроссельная измерительная камера 7, связанная со входом пневматического мембранного усилителя мощности 8. Выходной канал пневматического мембранного усилителя мощности 8 соединен с вторичным прибором 9 и соплом обратной связи 10. Для компенсации силового действия струи, исходящей из сопла 4, предусмотрено компенсирующее сопло 11, соединенное с междроссельной измерительной камерой 7. Через сопло 12 подается условный нулевой сигнал в виде струи газа под давлением Р₀. Сопло 4 совместно с пневматическим мембранным усилителем мощности 8 и соплом обратной связи 10 образует регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления большим единицы.

Изменение чувствительности струйного датчика давления достигается изменением соотношения плеч (расстояние от газовой опоры 2 до входного сопла 3) и (расстояние от газовой опоры 2 до сопла обратной связи 10) путем вращения винта 13. Подача газа контролируемого давления на входное сопло 3 обеспечивается клапаном 14.

Работает устройство следующим образом. Поток газа под контролируемым давлением Р подается на входное сопло 3 открытием клапана 14. Под силовым действием струи пластина 1 поворачивается на угол, пропорциональный поданному давлению, изменив при этом эффективную площадь считывающего элемента «сопло 4 - заслонка 5» в результате чего возрастает давление в междроссельной измерительной камере 7 и на выходе пневматического мембранного усилителя мощности 8, которое регистрируется вторичным прибором 9.

Силовое действие F струи газа из входного сопла 3 на пластину 1 под контролируемым давлением Р определяется выражением:

где k - эмпирический коэффициент, равный 0,9; S_c3=πd_c3² - площадь выходного отверстия входного сопла 3, h - расстояние от входного сопла 3 до пластины 1; d_c3 - диаметр выходного отверстия входного сопла 3.

На пластину 1 также будет действовать компенсирующая сила действия струи газа давлением Р_вых из сопла обратной связи 10:

где Р_вых - выходное давление; S_c10=πd_c10² - площадь выходного отверстия сопла обратной связи 10; d_c10 - диаметр выходного отверстия сопла обратной связи 10.

Механические моменты сил, воздействующих на пластину 1, равны:

где М - механический момент от силы действия F; М_к - компенсирующий механический момент; - площадь «следа» струи на пластине 1 при подаче струи из входного сопла 3; - площадь «следа» струи на пластине 1 при подаче струи из сопла обратной связи 10.

Условие равенства моментов определяется выражением:

Равенство (V) с учетом формул (III) и (IV) приобретает вид:

Учитывая, что в конструкции струйного датчика давления диаметры выходных отверстий сопел подбираются одинаковыми, то есть d_c3=d_c10, следует, что S_c3=S_c10 и S₃=S₁₀. Зависимость контролируемого давления Р от выходного давления Р_вых будет равна:

Чувствительность к изменению контролируемого давления будет равна:

Согласно выражению (VIII) чувствительность струйного датчика давления является постоянной величиной и зависит только от соотношения расстояния от газовой опоры 2 до расположения входного сопла 3 и расстояния от газовой опоры 2 до сопла обратной связи 10.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Заявленный струйный датчик давления содержит чувствительный элемент, реагирующий на изменение давления, и измерительную схему, при этом чувствительный элемент выполнен в виде пластины, подвешенной на газовой опоре, а измерительная схема представляет собой измерительную компенсационную схему, включающую считывающий элемент в виде узла типа «сопло-заслонка», охваченный двумя соплами, расположенными до и после пневматического мембранного усилителя мощности, и образующий вместе с указанным усилителем и соплом обратной связи регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления, большим единицы. Технический результат заключается в повышении быстродействия и в обеспечении стабильных показаний измерений в автоматическом режиме работы при динамических процессах. 1 ил.

Струйный датчик давления, содержащий чувствительный элемент, реагирующий на изменение давления, и измерительную схему, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде пластины, подвешенной на газовой опоре, а измерительная схема представляет собой измерительную компенсационную схему, включающую считывающий элемент в виде узла типа «сопло-заслонка», охваченный двумя соплами, расположенными до и после пневматического мембранного усилителя мощности, и образующий вместе с указанным усилителем и соплом обратной связи регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления, большим единицы.