Датчик давления с частотным выходом Советский патент 1979 года по МПК G01L11/00 G08C19/16 

1

.Изобретение относится к области информационно-измерительной -техники и прелназначено для измерения давлений газовыхсред как в широком дйапа зоне так и в области высоких давлени

Известны датчики давления, содержащие колебательную систему в виде мембраны, закрепленной по окружности внутри корпуса и расположенной между двумя электродами, один из которых служит для возбуждения, а другой - для приема колеба;нйй мембраны 1. Широкий диапазон работы указанного преобразователя достигается исключунием колебаний мембраны во второй моде с помощью isыбора необходимого соотношения между размерами мембраны и электродов или изготовлением электродов специальной формы.

Однако исключение колебаний мембраны только во второй моДе не поз воляет существенно расширить дна- пазом измеряемых давлений, особенно верхнюю его границу,

.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик давления с частотньм выходом 2 ,i содержащий систему самовозбуждения S виде широкополосного усилителя

в цепь положительной обратной связи которого включена колебательная система в виде плоской эластичной мембраны | разделяющей внутренний объем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемойтазрвой, средой посредством двух капилляров, постоянная времени которых на порядок больше полупериода колебаний, Me бpaнaдатчика расположена между двумя неподвижными электродами, образующими совместно с ней электростатические преобра:зователи для возбуждения и приема колебаний.

Недостатками известного датчика являются нелинейность зависимости квадрата частоты датчика от измеряемго давления, что ограничивает диапазон измерения, а также низкая добротность колебательной системьт.

Целью изобретения явдяетея обеспечение измерения высоких и сверхвысоких давлений и повышение точности измеренйй в широком диапазоне давлений.

Это достигается тем, что в предлагаемк / датчике колебательная сисTeiviaвыполнена в виде жесткой пластины, укрепленной между отрезками сильфрнов, которые образуют боковые стенки рабочих камер, при этом стенки камер, противолежащие пластине, . эквидистантны (параллельны) ее поверхностям,а постоянная времени системы .входной канал - рабочая камера на порядок и более выше полупериода колебаний. Выполнение колебательной системы в виде жесткой пластины, укрепленной между сильфонами, которые образуют боковые стенки ра бочих камер, а также эквидистантность стенок камер, противолежащих пластине, ее поверхностям, обеспечивает одномерное сжатйе-разряжение газовой среды в рабочих камерах под действием колебаний Жесткой пластины (в направлении ее колебаний). Очевидно,что при одномерном сжатии - разряжении.не происходит радиальных перемещений газовой среды в рабочих камерах, что обеспечивает вы сокую добротность колебательной сист мы за счет исключения потерь энергии обусловленных сдвиговой вязкостью газа а также резко снижает возможность возникновения побочных акусти-т ческих радиальных: резонансов. Отсут ствие последних существенно улучшает линейность зависимости квадрата част ты датчика от измеряемого давления в области высоких и сверхвысоких дав лений. Кроме того, предлагаемое выполне Ниё колеба.тельной системы соответств ет одиночному осциллятору, имеющему единственную резонансную частоту колебаний, что -повышает линейность зависимости квадрата частоты датчика от измеряемого давления в широком (практически неограниченном) диапазоне, давлений. Ограничение постоянной времени системы входной канал-рабочая . камера величиной не менее, чем на порядок выше полупериодаколебаний, обеспечивает практическое отсутствие изменения массы газовой среды в каждой рабочей камере датчика за время одного колебания. Таким образом, колебания происходят как и при полностью герметизированных рабочих камерах. Да чертеже изображен описываемый датчик, содержащий колебательную систему, включающую в себя жесткую (негибкую) пластину 1, отрезки силь фонов 2, радиальные упругие растяжк 3, рабочие камеры 4, перегородки 5, концентрические выступы 6 и 7, корп 8, входные каналы 9, кольцевые элек троды 10, изоляторы 11, гермовводы 12, проводники 13, систему самовозбуждения 14- и входные патрубки 15, Жесткая-пластина 1 укреплена между сильфонами 2, которые образую боковые стенки рабочих камер 4. Тор-;, цовые стенки рабочих камер 4 образо-i ваны корпусом 8, поверхности которого в области, охватываемой сильфонами 2, эквидистантны поверхностям пластины 1, Пластина 1 дополнительно укреплена в корпусе 8 радиальными упругими растяжками 3 предотвращающими смещение пластины 1 в ее плоскости, а также повышающими устойчивость конструкции при воздействии перегрузок и вибраций. Рабочие камеры 4 соединены с измеряемой средой входными каналами 9, которые выполнены либо в виде узких отверстий (капилляров) , либо в виде узких щелей. Постоянная времени системы входной канал-рабочая камера на порядок и более превышает время полупериода колебаний. Пластина 1, сильфоны 2 и рабочие камеры 4 образуют колебательную систему датчика. Для повышения равномерности сжатий - разряжений газа и снижения волновых явлений в рабочих камерах при работе в широком диапазоне частот.в камерах 4 дополнительно установлены перегородки 5, имеющие в центральной частиотверстия, при этом перегородки закреплены между звеньями сильфонов. 2. Кроме того, на торцовые поверхности камер 4 и на поверхностях перегородок 5 установлены концентрические выступы 7,6, которые предназначены для исключения возможности возникновения побочных акустических резонансов в рабочих камерах. Эти резонансы могут возникнуть в реальных конструкциях датчиков за счет технологического разброса деталейИ неточности сборки. Неподвижные кольцевые электроды 10 с помощью изоляторов 11 укреплены в корпусе 8 датчика. Электроды 10 совместно с жесткой пластиной 1 образуют электростатические преобразователи системы самовозбуждения 14 и служат для возбуждения и приема колебаний пластины 1, Связь электродов 10 с систе;мой самовозбуждения 14 осуществляется с помсхцью проводников и гермовводов (герморазъемов) 12. Объем, образованный сильфонами 2 и корпусом 8, в котором установлены электростатические преобразователи, герметизирован и в нем создан вакуум. Входные каналы 9 соединены с и.змеряемой средой посредством входных патрубков 15, Работа датчика происходит следующим, образом.. С помощью электродов 10 система возбуждения 14 возбуждаются колебания пластины 1 в направлении, перпендикулярном ее плоскдсти. на резонансной частоте, значение которор определяется следующим выражением;где Cg- упругость сильфонов 2 и ра тлжек 3; к упругость рабочих- камер 4; М- полная масса колебательной системы, которая включает массу пластин 1 и эффективн . , (приведенную) массу сипьфон 2, перегородок 5 и концентрических выступов 7 и б на перегородках 5. Упругость рабочих камер 4 (без учета термодинамических потерь энер гии колебаний) определяется формуло ек-2г отношение газовых теплоемкостей;р - измеряемое давление; S - площадь/ по которой происходит сжатие - разряжения г за в камерах (площадь эквивалентного поршня); . V - объем рабочей камеры. При изменении измеряемого давлен Р происходит изменение резонансной частоты колебательной системы. Частотный сигнал на выходе системы самовозбуждения поступает для дальней шей обработки на функциональный час томер или ЦВМ. , Благодаря вакуумированию электро статической системы возбуждения и приема колебаний, последняя характеризуется высокой надежностью при воздействии агрессивных и загряз™ ненных сред, а также при термически воздействиях. Кроме того, предлагае мая конструкция имеет малые потери на вязкое трение Основным достоинством предлагавмой конструкции является возможност ее применения для измерения как малы

давлений, так и высоких и сверхвысоких давлений, достигающих значения , сотен и тысяч атмосфер, при этом соответствие колебательной системы одинбчнсму осциля ору значительно повышает точность измерения.

Область применения датчика может быть самой разнообразной - от измерений давлений в лаборатораьпс ус

тины установлены дополнительные перегородки с отверстиями, укрепленные на внутренних поверхностях сильфонов .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3620083, кл.73398, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР № 228992, кл.С 01 t 11/00, 1967. ловиях до измерений давлений в камерах ракетных двигателей. Формула изобретения 1 . Датчик давления с частотныгвыходомf содержащий колебательную систему, разделяющую корпус на две рабочие камеры, соединенные входными каналами с источником контролируемого давления, и систему самовозбуждения с электрическими преобразователями, подключенными к колеба- тельной системе, отличающийс я тей, что, с целью повышения точности измерений и расширения рабочего диапазона,, колебательная система выполнена в виде жесткой пластины, которая укреплена между сильфонами, образующими боковые стенки рабочих камер, а стенки корпуса в камерах, противолежащие пластине, эквидистантны ее поверхностям, при этом система входной канал-рабочая камера выполнена с постоянной времени не менее, чем на порядок превышающей полупериод колебаний. 2.Датчик по П.1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что жесткая пластина с торцов прикреплена к корпусу упругими растяжками, 3,Датчик по п,1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что на эквидистантных поверхностях пластины или камер выполнены кольцевые выступы, высотой , меньше высоты рабочих камер на величину, превышающую амплитуду колебаний пластины, 4,Датчик по пЛ отличающийся тем, что электромеханические преобразователи расположены у периферийных участков пластины, выступающих из рабочих камер в геретизованный объем корпуса. 5.Датчик по п.1, отличаюийся тем, что в рабочих каме ах эквидистантно поверхностям плас