Датчик давления с частотмым выходом Советский патент 1979 года по МПК G01L11/00 G01L9/12 G08C19/16 

(54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАстотйШваходоМ

. i 3p6pe e Q к oQnacTw ff - фор Мационйо-измерительной техники пред казнач но для точного измербйнядавле-щя газбйьгх сред и может быть дсполь . зовано в тех областное техники, где трё буйтся вьюокая точность -изк ёрений давлё НИИ, малые габариты и вес, а также ие-гоб.хадимс с.ть эксплуатации в у ловйях ваэ действия виброперйгрузок, ударив и -линейных ускорений l.... Известен .датчик давлёни с часггртным выходом, содержащий систе лу самснэозбуждения в виде широкопол рснрга у 2илйтепя, в цепь положительной 66piaiftoft связи котйрого включена колебатвпьная система в виде ппрской эластичной Me ii6раны, разДеля1«яцёй внутренний объём датчика на две симметричные рабрчие кам рЬ1, сРобшающйеся с измеряемой газовой средой посредством двух капилляров| прстоянная времени которых на пррядбк выше полупериода колебаний. Мембрана датчика расположена между двумя неподвижными электродами, образуйздйми: срвМестнос нею электрЬстати;чески8 Ир1эобр1аз5ватёди вРзбуиадения и :приема Колебаний 2. Иецостат|сам1низ&е :тного технического решёни:я явйяюй йёЯНйейность завйсимос; ти хйадрёта частоты датчика от изме. даепйиа, ограйиченйь1Йдиапазрн иэмерейий,;;низк4я доёротность колебательн6.й сйстёМ1М, температураая нестабильность, а большая постоянная вре мени, прйврДгвдая к неврзмРжности измёрёнйя бирстррмещкадихся давлений. Указанные йедостаткр обусловлены тем, что nfSH Ki ne&iaH«jnt мембраны в рабйчи.х камера Датчика возникшот пе|}иодические перемещения га3;овой среды, вьфавнивйктшеда албшз.Пр9 этом газовая среда исш ггьюает вязкие тренйе, которое приводит к Диссипации эаертии колебаний и, как следствие этргр н&высокрй добротнРста колебательнрй систему На высоких частотах в каМерок могут возбужаться |радйаль8 1е акустические реэонанW, умваьдаакмцйе эффективную упругость 36 рабочих камер,заполненных газом, при этом зависимость частоты датчика от измеряемого давления вблизи частот радиальных резонансов носит резко нелинейный характер, что ограничивает диапазон измеряемых давлений. Оба отмечен.ных. явления в значительной мере зависят от температуры, что, в свою очередь, приводит к нелинейной по диапазону температурной погрешности измерекия давлений. Кроме того, при измерении малых давлений эластичная мембрана дат 4HKia крлеблется с низкой частотой. Это обстоятельство затрудняет провецение измерений, ограничивает рабочий диапазон в области низких давлений и не позволяет ; применять датчик при измерении быстроменяющихся давлений. Целью изобретения является повышение точности измерения давления в широком двапазоне, а также обеспечение сочетания низкого порога чувствительности и быстродействия с возможностью эксплуатации в сложных условиях, например, в условиях вибраций и линейные перегрузок. Указанная цель достигается за счет того, что стенки внутреннего объема датчика, противолежащие мембране, образуют с поверхностями мембраны шелевидные рабочие зазоры, при этом поперечный размер рабочих зазоров не превышает уавоенной глубины проникновения вязкой волныо Кроме того, с целью повы шения температурной стабильности частоты выходного сигнала детали, образующие рабочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширения, а их геометрические размеры опрецеляются расчетным путем. На фи19 1 изображен чувствительный элемент;.на фиг. 2 - схема его подключения к системе самовозбуждения датчика. Мембрана 1 вьшопнена из материала с высоким йределом текучести, например из сплава МР-47ВП, предварительно натянута по окружности и закреплена между корпусными деталями 2, например, сваркой. Применение указанного материала позволяет осушествить си;1ьное натяжени мембраны и расширить частотные интервалы между собственными резонансными модами колеблюшейся мембраны, что ис ключает их влияние друг на друга в ши.роком диапазоне частот. При этом приме нение тонкой мембраны с малой величиной поверхностной плотности суюественн 5 повышает чувствительность цатчика к изеряемому давлению. Неподвижные электроды 3- с помощью пружинных шайб 4 и гаек 5 укреплены в изоляторах 6, которые установлены в корпусных деталях с помощью установочных винтов 7. Плоские поверхности электродов 3 являются стенками внутреннего объёма датчика и образуют с поверхностями мембраны щелевидные рабочие зазоры 8, при этом поперечный размер зазоров не превышает удвоенной глубины проникно вения вязкой волны, т. е. , е гдеci -поперечный размер рабочего зазора; О -глубина проникновения вязкой ВОЛНЫ} К -Цинамический коэффициент вязкости газовой среды;; J r-fmoTHocTb газовой среды; ib-круговая частота. Ограничение размеров зазоров в направлении колебаний мембраны позволяет практически полностью затормозись радиальные перемещения газовой среды под действием колеблющейся мембраны, что, с одной стороны, приводит к повышению . упруги.х свойств рабочих зазоров, как газовых пружин, и возрастанию добротности колебательной системы, асдругой стороны, обеспечивает малую постоянную вре- . мени заполнения зазоров измеряемой средой при изменении давления этой среды. Одновременно указанное ограничение размеров рабочих зазоров приводит к изотермичности периодических сжатий - разряжений газовой среды под действием колеблющейся мембраны, что обеспечивает независимость выкодной частоты датчика от химического состава измеряемой газовой среды. Электроды 3 выполнены из материала, отличающегося от материала кольцевых элементов температурным коэффициентом расширения, при этом и.х толтина (размер между плоскостями, обращенными к мембране и прилегающими к изолятору) определяется расчетной формулой:1 je-etK таяатштшт , i ни Хк-«э, Сз -толщина электрсца; d -размер рабочего зазора при номинальной температуре; d U а - температурные коэффициенты расширения материалов корпусных деталей и электродов . соответственно: pi, -температурный коэффициент квадрата выходной частоты датчика, обусловленный неидёальностью упругах свойст рабочих зазоров за счет термодинамических потерь на необратимое сжатие газа при колебаниях мембраны. Пружинные шайбы 4 компенсируют несоответствие температурных коэффициентов расширения материалов электродов 3 и изоляторов 6 в направлении ко лебаний мембраны, а различие в температурных -коэффициентах расширения материалов электродов 3 и корпусных деталей 2 создает заданные температурные колебания .х, зазоров 8, компенсирующи х температурный коэффициент выходной частоты датчика, , Чувствительньлй элемент, представлен ный на фиг. 1, может быть помешен в герметичный корпус, снабженный штуцером для соединения с источником измеряемогО давления и электрическими герм разьемами для подключения электродов 3 к системе самовозбуждения в соответствии с фиг. 2. Один из электродов 3 {приемный электрод) чувствительного элемента через раздйпительный конденсатор 9 подключен к предусилителю 1О, имеющему высокое йходное сопротивление, выход . которого подсоединен к дифференцирующему усилителю 11, содержащему цепь автоматической регулировки усиления. Выход усилителя 11 через разделитель- ный конденсатор 12 подключен к другом (возбуждающему) электроду 3 чувствительного элемента. Блок питания 13 обеспечивает пода.чу поляризующих напря жений на приемньй и возбуждающий эдейстроды 3 через резисторы 14 и ISi а также подает напряжения питания на предусилитель 10 и усилитель 11. Конденсатор 16 служит для электрической развязки по переменному току приемного и возбуждающего электродов 3. Чувствительный элемент совместно с предусилителем 10, усилителем 11 и ко , дёнсаторами 9 и 12 образует измерител ный автогенератор. Работа датчика происходит следующим образом. При подаче напряжений питания происходит самовозбуждение схемы на частоте собственных колебаний чувствительного элемента. При этом переменный сигнал с приемного электрода 3 поступает на предусилитель 10 через разделительнь1й конденсатор 9 и затем на усилитель 11, где усиливается с поворотом фазы на +90 , что необходимо для обеспечения условий самовозбуждения автогенератора. С выхода усилителя 11 сигнал по ступает через разделительный конденсатор 12 на возбуждающий электрод 3 чувствительного элемента и возбуждает колебания мембраны 1. Цепь автоматической регулировки усиления в усилителе 11 обеспечивает генерирование электрических колебаний, амплитуда которых постоянна и лежит в пределах динамического диапазона усилителя 11. При изменении давления измеряемой газовой среды, которая заполняет рабочие зазоры 8 через пространство между корпусными деталями 2, изоляторами 6, электродами 3 и установочными винтами 7, происходит соответствующее изменение упругости рабочих зазоров В,что приводит к изменению собственной резонансной частоты колебаний мембраны 1 датчика и, соответственно, частоты выходного сигнала измерительного автогенератора. . Выходной сигнал снимается с выхода усилителя 11, а его частота определяется следующим выражением: |-() (2:й-|«0«+-, г -резонансная частота мембраны в вакууме;, 5 -площадь рабочего зазора (электрода); Зи-площадь мембраны -поверхностная плотность мембраны; р-измеряемое давление; ( -поперечный размер рабочего зазора (в направлении колебаний мембраны) j (ji -температурный коэффициент квадрата частоты; & © «отклонение рабочей .- температуры от ном,и..//: напьиогозначения. ; При измейении рЕ|бочёй температуры,, . : уёётВйт ёл&йо1Ро ЭЙеЙёнта датчика йзме.ияётся размер рабочего зазора di в со. ответствии свьф&жёнвем: ; / ,, +(«,.-Ыэ «о ЧТО привйдит к компенсации температур-, ного коэффициента ( с ) квадрата частоты вьиодного сигнала датчика. ПрецЛаг&емый датчик имеет прмстичес ки линейную функциональную зависимость Квадратна ча Ьтоты , от измеряемого давления. Диапазон измеряемых цавпений датчика дарактеризуетсй значениями от Ю мм рт. ст. до нескольких атмосфер. Погрешность измерения не превышает ОД-ОДО% и пропорциональна измеряемому давлению. Линейная зависимость квадрйта частоты датчика от давления позволяет сравнительно просто производить обработку частотного сигнала на циф ровьк вычислйтельньсс машинах, однако наиболее перспектйвньш является использованиё предлагаемого частотного датчика совместно с функциональным частот мером, снабженным цифровым индикатором для непосреаственйого считывания результата измерения, либо имеющим кодовый выход для регист 1)ации результата измерения с помошью цифропечатающих устройств. Такие цифровые манометры сочетающие & себе универсальность, точность, надежность, широкий динамический диапазон, нюзкий порог чувствительности и т. д., необходимы во многих отраслях науки и техники И найдут самое Широкове применение. Формула и чЭ обретен и я 1. Датчик давления с частотным вь1одоМ, содержащий систему самовозбуждения и колебательную систему в виде плоской мембраны, расп.оложенной во внутреннем объеме датчика, сооб1ца1юшемся с из- MepfleMoli газовой средой, от л и 4 а Ю ш и и с я трем, что, с цепью повллшенйя точности в широхом диапазоне стенки йвутреннего объема, противолежашие мембране, образуют с поверхностями мембраны шелевидные рабочиэ зазоры, при этом поперечный размер рабочих зазоров не превышает удвоенной глубины проникновения вязкой волны и определяется по формуле: d. -поперечный размер рабочего зазора 1 -динамический коэффициент вязкости газовой среды} JJ -плотность газовой среды; CtJ -круговая частота. 2. Датчик по п, 1, о т л и ч,а ю Ш и и с я тем, что, с целью повышения температурной стабильности частоты выходногоСигнала детали, образующие рабочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширения. Источники информации; йринятые во внимание при экспертизе 1. Патент США fe 3620О83, кл. 73-398, 1970. ( 2, Авторское свидетельство № 228992, кл. G O1U il/00, 1966.