Датчик давления с частотным выходом Советский патент 1978 года по МПК G01L11/00 G08C19/16 

ственных изгибных колебаний упругой пластины, и электроды емкостных систем возбуждения и регистрации колебаний, свободная часть упругой пластины и расположенная внутри нее жестко закрепленная часть имеют общую ось поворотной симметрии порядка 2 и 2п проходящих через эту ось плоскостей симметрии, а электроды емкостных систем возбуждения и регистрации колебаний выполнены в виде 4« секторов с теми же элементами симметрии. На фиг. 1 показан предлагаемый датчик в разрезе; на фиг. 2 дано сечение А-А на фиг..1; на фиг. 3 изображена конфигурация плоского упругого резонатора; на фиг. 4 приведена принципиальная электрическая схема датчика с системой самовозбуждения; на фиг. 5 показан датчик, второй вариант; на фиг. 6, а, б представлены варианты выполнения керамических дисков. Датчик содержит резонатор 1, выполненный в виде круглой плоской упругой пластины малой толщины с центральным отверстием 2 и с четырьмя крестообразно расположенными вырезами 3, размещенной между плоскими калибровочными шайбами 4 и керамическими дисками 5, которые вместе с пружинными прижимными щайбами 6 надеты на калиброванный участок стяжного винта 7 с центральным отверстием 8 и скреплены с помощью щтуцера 9, выполняющего одновременно функцию стяжной пайки. Стяжной винт 7 устанавливается при сборке таким образом, чтобы боковые отверстия 10 располагались против имеющихся в резонаторе вырезов 3, через которые осуществляется подвод контролируемой газовой среды в рабочие камеры (капилляры) 11 датчика. После окончательной сборки узла чувствительного элемента выполняется неразъемное сочленение стяжного винта 7 и штуцера 9 с помощью сварного (лнбо паяного) щва 12. Боковая поверхность собранного узла чувствительного элемента (т. е. керамики и резонатора) обрабатывается в сборе, причем в процессе этой обработки создается небольшое заглубление кромки 13 резонатора относительно боковой поверхности керамических дисков 5. Благодаря этому исключается возможность механического контакта свободной кромки 13 резонатора в процессе его колебаний с боковой стенкой защитного кожуха 14. В собранном узле просверливаются также отверстия 15, служащие для прокладки проводников 16, с помощью которых электроды 17 систем возбуждения и регистрации колебаний резонатора включаются в электрическую схему датчика. Электроды 17, имеющие в плане форму секторов (фиг. 2), наносятся в виде проводящего покрытия на внешние стороны керамических дисков 5. При сборке узла чувствительного элемента керамические диски 5 ориентируются относительно резонатора 1 таким образом, чтобы изоляционные просветы 18 между электродами 17 располагались против вырезов 3 (фиг. 3) резонатора 1, Узел чувствительного элемента в сборе монтируется внутри защитного кожуха 14, с которым он сочленяется с помощью сварного шва 19. Кожух 14 закрывается крышкой 20 с двумя гермовводами 21, с помощью которых датчик включается в электрическую схему системы самовозбуждения. Сочленение кожуха 14 с крышкой 20 также осуществляется с помощью сварного шва 22. Описанная конструкция датчика характеризуется числом /г 2 узловых диаметров и имеет одну общую ось поворотной симметрии четвертого порядка (2п 4) и четыре плоскости симметрии. Принципиальная электрическая схема датчика с системой самовозбуждения изображена на фиг. 4. Электроды 17 через высокоомные сопротивления 23 соединяются с источником 24 постоянного смещения, а через разделительные емкости 25 - с входом 26 и выходом 27 усилителя (электронного блока) 28 системы самовозбуждения. Величина сопротивлений 23 выбирается таким образом, чтобы постоянная времени RC-цепочки, включающей одно из сопротивлений 23и емкость, образованную группой из четырех параллельно подключенных к этому сопротивлению электродов 17 и резонатором 1, была значительно больще полупериода колебаний резонатора. Назначение разделительных емкостей 25 состоит в предохранении усилителя 28 от попадания на его вход 26 и выход 27 относительно высокого постоянного напряжения UQ от источника 24постоянного смещения. Датчик с системой самовозбуждения представляет собой электромеханическую автоколебательную систему с частотой, близкой к собственной частоте веерной формы изгибных колебаний резонатора с двумя узловыми диаметрами. В рассматриваемом случае собственная частота веерной формы изгибных колебаний определяется по формулам Eh I Кр Кр -(-f+-f + V LI /-2 / ( + /); .}; -f Е - модуль упругости магдетериала резонатора; h. - толщина резонатора;

р - массовая плотность материала резонатора; RI - внешний радиус резонатора;

- радиус окружности защемления резонатора; Р - измеряемое давление; V - объем рабочей камеры

датчика;

5 - площадь резонатора; КЕ,, Кр - безразмерные коэффициенты, зависящие от отношения LI/LZ и от коэффициента Пуассона |х материала резонатора.

Система возбуждения колебаний резонатора образована четырьмя накрестлежащимп электродами 17 (по два с каждой стороны резонатора), подключенными (через разделительную емкость 25) к выходу 27 усилителя системы самовозбуждения 28.

При подаче на эти электроды переменного напряжения они создают перпендикулярную к плоскости резонатора распределенную возбуждающую силу, направление которой изменяется на обратное при переходе через каждый из четырех узловых радиусов. Указа11ная сила вызывает раскачку изгибных колебаний резонатора. При этом на других четырех электродах системы съема (образующих такую же накрестлежащую Конфигурацию, как и электроды системы возбуждения, но повернутую на угол 90°) возникает электрический сигнал той же частоты с амплитудой, пропорциональной амплитуде механических колебаний резонатора. Этот сигнал поступает (через разделительную емкость) на вход 26 усилителя 28 системы самовозбуждения. С выхода 27 этого усилителя усиленный сигнал вновь подается (через другую разделительную емкость) на группу из четырех возбуждающих электродов 17, обеспечивая тем самым незатухающие колебания резонатора.

Датчик, показанный на фиг. 5, отличается от датчика, изображенного на фиг. 1, отсутствием герметичного корпуса. В этом варианте герметизация рабочих камер 11 датчика осуществляется с помощью цилиндрической обоймы 29, которая соединяется с керамическими дисками 5 посредством паяных швов 30. Датчик включается в электрическую схему системы самовозбуждения с помощью электрических выводов 31, подпаянных к электродам 17. В отличие от предыдущего варианта в данном случае отверстие 8 стяжного винта 7 является глухим.

На фиг. 6 представлены возможные конфигурации обращенной к резонатору поверхности керамических дисков 5, пригодные для обоих вариантов конструкции датчика.

Теоретически более предпочтительной является конфигурация, показанная на фиг. б, а, однако в технологическом отнощении вторая конфигурация (с плоской поверхностью) значительно проще. Для увеличения крутизны осуществляемых электродами 17

10 системы самовозбуждения преобразований «перемещение резонатора - электрический сигнал и «электрический сигнал - возбуждающая сила керамические диски 5 следует изготавливать из керамики с высокой

5 диэлектрической проницаемостью (например, из титаната бария).

Возбуждение в резонаторе датчика динамически сбалансированной формы колебаний при условии закрепления резонатора

0 в окрестности естественной узловой точки позволяет существенно повысить добротность его коле.бательной системы и практически полностью устранить чувствительность датчика к воздействию вибрационных

5 ускорений.

Таким образом, значительно расширяется диапазон внешних условий, в которых может использоваться описываемый датчик.

QФормула изобретения

Датчик давления с частотным выходом, содержащий резонатор в виде плоской упругой пластины, жестко закрепленной по части поверхности и разделяющей внутренНИИ объем датчика на две сообщающиеся с контролируемой газовой средой зеркально симметричные пневмокамеры, с постоянными времени, превышающими полупериод собственных изгибных колебаний упругой

0 пластины, и электроды емкостных систем возбул дения и регистрации колебаний, о тличающийся тем, что, с целью обеспечения динамической сбалансированности датчика и устойчивости его к вибрации пу5 тем возбуладения веерных изгибных колебаний резонатора с числом п узловых диаметров, свободная часть упругой пластины и расположенная внутри нее жестко за- кренленная часть нмеют общую ось поворотной симметрни порядка 2 и 2п проходящих через эту ось плоскостей симметрии, а электроды емкостных систем возбуждения и регистрации колебаний вынолнены в виде 4/г секторов с теми же элементами симмет5 рии.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 427256, кл. G OIL 11/00, 1966.

0 2. Авторское свидетельство СССР № 228992, кл. G OIL 11/00, 1972.

6 3 20Ю fS

I I

12

/4

fS

Фиг.з

28

25

Фиг. 25

/ // 56

.5

а)