Частотный датчик давления Советский патент 1983 года по МПК G01L11/00 G01L7/08 

Изобретение относится к контрольно-иэмерительной технике и может найти применение для измерения давления газов, особенно низких давлений. Известны частотные датчики давления, у которых плоская мембрана разделяет внутренний цилиндрический объем на две симметричные камеры, а торцовые стенки образованы плоскими электродами в форме дисков; Камеры сообщаются с измеряемой средой пос-. редством капилярных каналов. Датчик имеет электростатическую систему возбуждения и съема колебаний 1. К недостаткам такой конструкции следует отнести относительно высокую жесткость закрепленной по периферии мембраны, следствием чего является невысокая добротность колебаний системы и низкая чувствительность, особенно в области низких давлений. Известны также датчики давления с частотным выходом, содер1жащие плос кую мембрану, которая укрепленавко пусе посредством упругих растяжек и следовательно, образует две рабочие камеры, дополнительно сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны. Выполнение мембраны с отверстиями в периферийной части позволяет по-. низить жесткость мембраны и улучшить его метрологические характеристики не нарушая принцип действия датчика, так как эти отверстия вынесены за границы полостей, образующих газовые пружины t2. Однако верхняя граница рабочего диапазона датчика определяется добротностью колебательной системы и невозможностью обеспечить высокую точность автогенератора при низкой добротности . Среди потерь, определяющих добротность, существенную роль играют потери на вязкое трениепри радиальном движении газа, вызванном . колебаниями мембраны в зазоре между торцовыми стенками рабочих камер. Цель изобретения - повышение добротности колебательной системы датчика за счет уменьшения потерь на вязкое.трение. Указанная цель достигается тем, что в датчике, содержащем колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей внутреннюю полость корпуса на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны и с. контролируемой средой через капилярные каналы в корпусе, внутренние поверхности рабочих камер, обращенные к мембране, выполнены в виде частей сферы. На фиг,1 изображена конструкция и принципиальная электрическая схема датчика; на фиг,2 - амплитудно-часто ные характеристики. Рабочие камеры датчика (фиг.1)образованы двумя крышками 1, между которыми зажата мембрана 2. Крыш.ки выполнены из изоляционного материала, например, стекла, мембрана - из металлической пленки, на периферийной части которой выполнены отверстия 3 Полости 4, находящиеся по обе сторон мембраны,, соединены каналами 5 с вне ней средой и, следовательно, давление газа в обеих полостях равно измеряемому, а глубина рабочей части полостей сделана очень малой. В периферийной части полости имеют кольцевые углубления 6 значительно большей глубины, чем рабочая часть. На стеклянные крышки нанесены элект,роды 7 и 8, которые служат неподвижными пластинами электростатического преобразователя напряжения в силу и емкости преобразователя вибррперемещ НИИ. Подвижной пластиной того и другого преобразователя является мембра на 2, которая электрически соединяется с корпусом. К обоим неподвижным электродам подводится напряжение от стабилизатбра напряжения. К электроду 7 подключен усилитель 9, выход ко торого соединен с электродом 8. К выходу усилителя подключен также блок 10 линеаризации частоты, выход которого соединен с счетчиком 11. Работа датчика заключается в еледующем. Преобразователь напряжения в силу, образованный электродом 8 и мемб раной 2, и преобразователь виброперемещения в напряжение, образованный электродом 7 и мембраной 2, включены в цепь обратной связи усилителя 9, коэффициент усиления и фазовый сдвиг в котором выбираются таким образом, чтобы в системе возбуждались автоколебания. Принцип действия датчика основан на зависимости частоты автоколебаний от измеряемого давления, при этом резонансная частота колеба-: тельной системы определяется массой мембраны и суммарной жесткостью собственно мембраны и газовой пружины, образующейся при колебаниях в рабочих полостях 4. Причем жесткость газовой пружины для статической силы равна нулю, а для динамической силы увеличивается с увеличением частоты колебаний. Нижняя граница рабочего диапазона датчика определяется отнюшением жесткости газовой пружины и мембраны. Задача снижения жесткости мембраны в датчике решается уменьшением ее толщины, а также выполнением перфораций в периферийной части. Верхняя граница рабочего диапазона датчика определяется добротностью колебательной системы, которая в первую очередь зависит от величины вязкого трения газа в рабочих камерах. Благодаря выполнению внутренних поверхностей 7 и 8 рабочих камер 4 в виде частей сферы, радиус которых подобен радиусу колеблющейся мембраны в крайних положениях, значительно уменьшает.ся радиальный градиент давления, как относительные деформации кольцевых элементов газовой пружины оказываются примерно равными, а с уменьшением радиальных градиентов давления уменьшаются радиальные потоки газа и существенно повыша&ТСЯ добротность колебательной системы. На фиг.2 представлены полученные экспериментально амплитудно-частотные характеристики (ДЧХ) датчика,имеющего внутренние поверхности рабочих камер в виде частей сферы (фиг.2а) и датчика с плоскими стенками (фиг.26), имеющего те же габариты, диаметр и толщину мембраны. На фиг.2с| АЧХ датчика получены при давлениях 4гПа - кривая I и 20 гПа 1кривая у, на фиг.25- та же характеристика, полученная при давлении 4 гПа. Как видно из приведенных результа,тов добротность датчика на частоте основного резонанса при замене плоской стенки на сферическую возросла в два. р&за, в то время как добротность на частоте второго резонанса уменьшилась в 1,7 раза, а третьего резонанса - в 1,5 раза. Формула изобретения Частотный датчик давления, содержа- щий колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей внутреннюю полость корпуса на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны и с контролируемой средой через капиллярные каналы в корпусе,о тличающийся тем, что, с целью повышения добротности за счет уменьшения потерь на вязкое трение, в нем внутренние поверхности рабочих камер, обращенные к мембране, выполнены в виде частей сферы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 228992, кл. G. 01 L 11/00, 1966. 2.Авторское свидетельство СССР 667840, кл. G 01 L, 11/00, 1976 (прототип ).

,t1

Уепх. Я

2,0

U

0

6,f

п. / /гЛ

fff

ttn

$