Устройство для измерения давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин, в частности к пьезоэлектрическим датчикам давления.

Известны пьезоэлектрические датчики давления, в которых воспринимаемое мембраной давление передается кварцевым пластинам и регистрируется электрический заряд на их рабочих гранях (см. например, Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования. М., Машиностроение, 1965, с.618- 621).

Известны также измерители давления, содержащие два пьезорезонансных преобразователя, один из которых реагирует на давление и температуру, а другой служит только для компенсации температурного

влияния, для чего оба преобразователя включены в дифференциальную измерительную схему (см.например. Заявка Великобритании, N5 2089998, кл. G 01 L 9/08, 1982).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство измерения давления, описанное в статье Пьезорезонансные датчики давления, авт. Л.В.Малейко, В.В.Малов и др.. ПСУ, 1984, № 9, с. 19-21 (прототип), это устройство описано также в книге: В В.Малов Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиз- дат, 1989, с. 149. рис.5.11.

Указанное устройство представляет собой датчик давления, содержащий штуцер для подачи измеряемого давления, мембраvj VI 00 СЛ М

ю

ну с жестким центром, корпус и основание, образующие термокамеру, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей с закрепленными в них двумя сплочу вствительны ми пьезорезонаторами, подключенными к дифференциальной схеме измерения, и один из пьезорезонаторов расположен на оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны и восприни- мает усилие от давления через жесткий центр мембраны, при этом держатель, в котором закреплен этот пьезорезонатор, выполнен с утоньшением в средней его части, а во втором держателе, выполненном в виде жесткой балки, консольно укреплен второй пьезорезонатор, выполняющий функции опорного, ненагруженного пьезорезонато- ра, применение которого позволяет при дифференциальном включении обоих пьезорезонаторов в схему измерения снизить температурную погрешность и уменьшить влияние временного старения рабочего (нагруженного) пьезорезонатора на показания датчика давления. Недостатками такого технического решения являются:

-недостаточная точность измерения, так как со временем возрастает погрешность измерения вследствие разной скорости старения пьезорезонаторов и элементов дифференциальной схемы измерения;

-низкая чувствительность на начальном участке характеристики датчика, хотя часто бывает крайне необходимо иметь у датчиков абсолютного давления повышенную чувствительность измерения в области малых значений давления.

Целью изобретения является повышение чувствительности на начальном участке диапазоне и точности измерений во всем диапазоне,

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения давления, содержащем штуцер для подачи измеряемого давления, мембрану с жестким центром, термокамеру, образованную корпусом и основанием, преобразователь усилия в частоту и дифферен- циальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей, в которых закреплены, соответственно, первый и второй пье- зорезонаторы, подключенные к дифференциальной схеме измерения, при этом первый пьезорезонатор расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны, согласно изобретению, второй держатель выполнен в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, причем второй

пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра, параллельно оси мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса. На фиг.1 изображена структурная схема

предлагаемого датчика давления, в разрезе; на фиг,2 представлен эскиз конструктивного выполнения второго держателя; на фиг.З представлена рабочая характеристика предлагаемого датчика давления.

Датчик давления включает в себя: штуцер 1 для подачи измеряемого давления, мембрану 2 с жестким центром 3, корпус 4 и основание 5, образующие термокамеру, преобразователь усилия в частоту, выполненный в виде двух держателей 6 и 7 с

закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами 8 и 9, один из

которых - 8 расположен по оси нагружения

перпендикулярно плоскости мембраны 2, и

дифференциальную схему измерения 10, которая, например, может быть выполнена в виде двух генераторов 11 и 12, к которым подключены соответственно пьезорезонаторы 9 и 8, выходы генераторов 11 и 12

подключены к входам смесителя 13, с выхода которого снимается выходной сигнал f датчика давления. Одновременно имеется возможность снятия при контроле нуля показаний с генератора 12 выходной его частоты fa. Второй держатель 7 выполнен в виде гибкой балки, например,в его средней части имеется утоныиение, позволяющее подвижному концу держателя 7 перемещаться вниз вдоль оси нагружения под дейстанем силы от давления Р, которая передается на держатель 7 через жесткий центр 3. Неподвижный конец держателя 7 жестко соединен с основанием 5.

Подвижный конец держателя 7 верхней стороной соединен с жестким центром 3, а между его нижней стороной и держателем 6 имеется зазор б . Частота резонанса ho пьезорезонатора 8 больше частоты резонатора fio пьезорезонатора 9 на известную величину fo, т.е. fo f20 - fio. Величина fo всегда должна быть положительной, с целью исключения двузначности показаний вследствие возможного излома характеристики при достижении нежелательного ус ловия f20 :Јfio, то есть в датчике предлагается выполнение условия fo 0. Как следует из фиг.1, пьезорезонатор 9 прикреплен к гибкой балке (держателю 7) со

стороны жесткого центра 3 параллельно плоскости мембраны 2.

Внутренняя полость термокамеры, образованная мембраной 2, корпусом 4 и основанием 5, вакуумирована путем откачки полости после сборки датчика давления до давления - Па. Пьезорезонаторы 8 и 9 подключаются к входам генератора 11 и 12 через гермовводы 14 со стеклянными или керамическими изоляторами,

Датчик давления работает следующим образом.

В исходном состоянии при давлении, равном нулю, мембрана 2 не прогнута, на выходе генератора 11 частотный сигнал ра- вен fio, на выходе генератора 12 - соответственно f20, а на выходе смесителя 13 выходная частота fo равна:

fo fao - f 10(1)

При подаче давления в надмембранную по- лость мембрана 2 создает под воздействи- ем измеряемого давления Р по своему центру усилие

F Р -Зэфф(2)

где Зэфф - эффективная площадь мембраны 2.

Жесткий центр 3 мембраны 2 передает усилие F на подвижный конец держателя 7, перемещая его вниз, при этом пьезорезона- тор 9 испытывает деформацию растяжения и частота fi начинает уменьшаться

f 1 f ю - Af 1 f ю - Кр Р ,(3)

i/ Afi оj-ж

где KFI д p Ьэфф - коэффициент силовой чувствительности пьезорезонатора 9 на участке характеристики 0 .

На выходе смесителя 13 частота f равна: f f20 - fi (fao - fio) + KprPl 0 P Pi/(4)

При этом подвижный конец держателя 7 прогибается под воздействием давления Р на величину 3 (см., например, В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиз- дат, 1989, с.142):

I

( 4 h2 + 3 15 ) h2+3l§

3. (5)

Y- F

j

2 Ebh

где I - расстояние по длине держателя 7 от точки его закрепления в основание 5 до оси нагружения (точки приложения силы F) - см.фиг.2;

lo - расстояние между пьезорезонато- ром 9 и центром гибкой перемычки держателя 7;

b - ширина пьезорезонатора 9 и балки 7;

h - толщина пьезорезонатора 9;

Е - модуль упругости совместного рамного соединения балки 7 - пьезорезонатора 9.

5 0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Известно, что чувствительность KFI пьезорезонатора 9 при описанном консольном закреплении совместно с держателем 7 выше чувствительности пьезорезонатора 8 в 30-100 раз, так как пьезорезонатор 8, расположенный по оси нагружения, работает на прямое нагружение, а пьезорезонатор 9 работает на растяжение, определяемое прямым нагружением с изгибом, при этом коэффициент трансформации усилия F для пьезорезонатора 9 равен Ктр

3 I 10 о Этим и достигается первая

2 I)2 + 3 §

цель изобретения - повышение чувствительности на начальном участке рабочей характеристики в диапазоне давлений 0 Р PI, т.е. в диапазоне перемещения подвижного конца держателя 7 0 3 д .

При достижении давлением значения Р PI прогиб подвижного конца держателя 7 становится равным 3 д и держатель 7 своим подвижным концом упрется в верхний конец держателя 6, а на выходе смесителя 13 выходной сигнал датчика давления становится равным

f fao - f IK (fzo - fio) + KFI P (6) Рабочая характеристика датчика давления достигает точки А (см.фиг.3). В дальнейшем, при повышении давления Р датчик начинает работать на втором участке рабочей характеристики

Pi Р Р2

Частоты на выходе генераторов 11 и 12 в этом диапазоне соответственно равны:

fi fiK - KFI --P fio - Kpi Pi - KFi(P -Pi)(7)

а на выходе смесителя 13 частота f разна:

f-f2 - fi (f20 - fiK) + KFI ЧР - PI) + KF2(P -PO или

f (f20-flK) + (KFl + KF2)(P-Pl)(8)

Pi P P2

В связи с тем, что чувствительность датчика во втором диапазоне рабочей характеристики определяется суммой коэффициентов силовой чувствительности пьезорезонаторов 8 и 9, где пьезорезонатор 8 имеет такую же чувствительность, как в схеме прототипа, а пьезорезонатор 9 увеличивает общую чувствительность на величину KFI , то общая чувствительность предлагаемого устройства выше, чем у прототипа. Однако чувствительность KFI меньше KFI на один-два порядка, поэтому все же вторая часть характеристики в диапазоне Pi P Ра имеет более пологий характер, чем первая - в диапазоне 0 Р Pi, Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения за счет расчета нулевой погрешности

измерения после выполнения описываемых ниже операций. Предположим, что вследствие изменения нулевых показаний вследствие различного старения пьезорезонаторов 8 и 9, а также электрорадиоизделий генераторов 11 и 12 частоты на выходе последних стали соответственно fю и тзо , а на выходе смесителя 13 действительное (истинное) значение нулевого сигнала равно fo - f2o - fio (см. нижнюю пунктирную рабочую характеристику на фиг.З). Тогда общее смеще- ние показаний датчика давления в точке Р Pi будет определяться погрешностью 5Pi: + 5Pi Pi -Pi.(9)

где Pi - истинные показания датчика давления в данный момент времени;

Pi - показания датчика давления при градуировке его до установки на объект измерения.

Так как показания датчика давления Р-Г соответствуют точке В, то погрешность dPi, приведенная к частоте f, равна:

f А - f А f0 - f о

5Pi

(10)

KP1 + KF2 KFI+KF В связи с тем, что коэффициенты силовой чувствительности KFI и KF2 пьезорезонаторов 8 и 9 во времени не изменяются {что известно из физических основ их работы и подтверждается практикой), то градуи- ровочная и смещенная рабочие характеристики параллельны друг другу. Кроме того можно принять, что механические узлы датчика давления стабильны во времени и вследствие этого д д const, поэтому точки А и А находятся на одной линии и соответствуют значению Pi, полученному при градуировке (см.фиг.З). Тогда можно принять:

fo-fo (f20-flK)-(f20 -flK ),(11)

где fiK -fio-Kpi Pi;

fiK fio -Kpi PL откуда получим очевидное тождество:

fo - fo (fao - fio) - (fao - fio% т.е. выражение (11) справедливо.

Подставляя (11) в (10), получим: л р, - ( 2о - f ik ) - ( f2o - f 1k ) /19N ° nKpi:+KF2(

Таким образом из (12) следует, что, снимая показания частоты fo с выхода смесителя 13 датчика давления в момент, когда Р становится равным Pi, можно однозначно определить погрешность нуля датчика давления по формуле (12), где частота fpi T20 - fiK соответствует значению частоты датчика при давлении Pi на момент градуировки его, a fpi fao - f ш соответствует значению выходной частоты датчика в текущий

момент времени, когда определяется его погрешность нуля.

В случае же, когда рабочая характеристика сместилась вверх относительно градуировочной характеристики, то новое значение нулевой погрешности становится равным fo, а точка А смещается в точку А, Смещение показаний датчика давления в точке Р Pi будет определяться погрешностью -д Рц

- dPi (13)

Показания датчика давления Pi соответствуют точке В, поэтому погрешность - д Pi, приведенная к выходному сигналу датчика

давления, равна:

0«

или по аналогии с (12):

Л Р, - (f2Q -fm)-(f2o -fik )

° П KF1

(15)

5

0

5

5

5

Очевидно, что при решении (15) д Pi получает знак -, что соответствует истинному знаку погрешности, также как в(12) погрешность получает знак +.

Таким образом, и при смещении характеристики вверх возможно методом, аналогично описанному выше, определить погрешность нуля датчика давления в момент времени, когда Р достигает значения PL

Следует заметить, что всегда () f2o(f2o ) const в диапазоне 0 Р Pi, т.е. если частота f2 на выходе генератора f2 не изменяется, то это значит, что давление, измеряемое датчиком в данный момент времени, не превышает значения PI, т.е. Р PI при f20 const на момент градуировки или f2o - п const в данный момент времени, или можно записать:

f20 const. 1

V0 Р Pi

f20 Const. /

f20 var. -I

P Pi

f2o var. J(16)

Отсюда, исходя из уравнений (12), (15) и условия (16), авторы предлагают следующий „ метод градуировки нуля датчика давления:

1)необходимо на время проведения контроля нуля (кратковременно) отключить штуцер датчика давления от объекта измерения и подключить к пневматическому устройству (источнику давления или разряжения);

2)медленно изменять пневматическим устройством давление в надмембранной полости датчика давления, подключив его к штуцеру 1, контролируя частоты f с выхода

смесителя 13 и частоту h с выхода генератора 12 - до изменения показаний частоты f2. При этом, если показания датчика давления перед подключением к штуцеру источника давления Р Pi, то необходимо подключить к штуцеру источник разрежения воздуха, например вакуумный агрегат любого типа, если же показания датчика давления Р Pi, то необходимо подключить к штуцеру источник давления (компрессор или баллон со сжатым воздухом - тоже любого типа).

В первом случае после включения вакуумного агрегата показания датчика давления и значение частот f2 и f начнут уменьшаться, а во втором - увеличиваться.

3)Изменение давления в надмембран- ной полости проводить в течение следующего интервала времени:

а)при уменьшении давления - от момента f2 var до момента fa const;

б)при увеличении давления - от момента fa const до момента f2 var.

В момент окончания измерения (достижения условия а) или б)) зафиксировать зна- чение выходной частоты f на выходе смесителя 13 датчика давления:

f Fp1 f2o - fiK

4)Рассчитать значение Afo (fao - fn) - (f2o - fiK1), где значение (120 - fn) получено при градуировке и берется из паспорта на датчик давления, а fp i f2o -fiK получено при проведении операций по опи- санной методике.

5)При знаке - Afo рассчитать погрешность нуля по выражению (15), т.е.

Af° (17)

Р

5

0

5

0

0

5

а при знаке + у Afo pace1 итать погрешность нуля по выражению (12), т.е.

« -luffi 18

6. Отключить от штуцера 1 датчика давления пневматическое устройство и подключить штуцер 1 к объекту измерения.

7) Ввести в показания датчика давления корректировку на погрешность нуля, полученную из уравнения (17) или (18).

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее штуцер для подачи измеряемого давления, мембрану с жестким центром, термокамеру, образованную корпусом и основанием, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей, в которых закреплены соответственно первый и второй пьезорезонаторы, подключенные к дифференциальной схеме измерения, при этом первый пьезорезонатор расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений по всем диапазоне, второй держатель выполнен в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, причем второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса.

Sa sm ni

fc-МОкГц

зЈ

X X. ч , . , хи х xi

к х ч

Использование: в технике измерения давления пьезорезонансными датчиками, преимущественно без демонтажа датчика с объекта. Цель - повышение чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений во всем диапазоне. Сущность изобретения: устройство содержит штуцер для подачи измеряемого давления, мембрану с жестким центром, корпус и основание, образующие термокамеру, преобразователь усилия в частоту в виде двух держателей с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами, один из которых расположен по оси нагру- жения перпендикулярно плоскости мембраны, и дифференциальную схему измерения. Отличием устройства является выполнение второго держателя в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса. Положительный эффект: повышение чувствительности и точности измерений, защита от перегрузок. 3 ил. (Л с

JscTJlk

JaKJs Jl6,

Pt

ft P Па

Редактор

Фиг. 3

Составитель В.Морозов

Техред М МоргенталКорректор М.Максимишинец

Фиг.2.

ft P Па