Датчик давления и разности давлений Советский патент 1979 года по МПК G01L11/00 

1

Изобретение относится к области измерительной техники. Предлаг мый датчик позволяет с высокой точностью одновременно производить измерения двух давлений и разности этих давлений. При этом выходная информация получается в виде частотно-модулированных сигналов.

Известны датчики .давлений с частотным выходным сигналом l.

Недостатками известного датчика яв ляются отсутствие возможности выдачи информации одновременно о двух измеряемых давлениях и о их разности и сложность технологии его изготовления.

Указанные недостатки обусловлены наличием двух мембран, центры которых жестко связаны стержнем.

Кроме того, выходная характеристика преобразователя весьма существенно отливается от линейной.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является преобразователь для измерения давлений и разности давлений 21

содержащий корпус, две мембраны, распо. ложенные в одной плоскости, на каждой из которых закреплена стойка, смещенная относительно центра мембран, два кронштейна, и струнные преобразователи пере мещения концов стоек в частоту. Датчик выдает одновременную информацию а величинах двух измеряемых давлений и о разности между этими давлениями. К недостаткам этого датчика следует отнести нелинейную функциональную зависимое между измеряемыми давлениями в приращениями частот колебаний струн, что в ряде случаев затрудняет практическое ис. пользование датчика, а также изменение частот колебш ий струн при изменении те) пературы окружающей среды.

Целью изобретения является линеаризация выходаой характеристики датчика по измеряемым давлениям и повышение его температурной стабильности.

Указанная цель достигается тем, что в датчике давлений и разности давлений, содержащем корпус, в котором выполнены расположенные в одной .плосжости две идентичные мембраны с закрепленными на них стойкамн, между которыми закреп лена струна струнного прео.бразователя перемещений мембран в частоту, и кронштейны, установленные на торцовой части корпуса, стойки вьшолнены Г-образной формы, а четыре кронштейна установлены по два с каждой стороны от оси, соединяющей центры мембран, причем конец каждои Г-образной стойки размешен между двумя кронштейнами, и между каждой из Г-образных стоек и парой неподвижных кронштейнов закреплены струны струнного дифференциального преобразователя перемещений конца Г-образной стойки в частоту. На фиг. 1 представлен продольный раз рез предлагаемого датчика; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - сечение датчика по местам крепления Г-образных стоек. В корпусе 1 датчика (фиг, 1) выполнены две цилиндрические расточки, торцовые части которых образуют тонкие круглые мембраны 2 и 3, Измеряемые давления Р и Pg подаются в полость расточек через штуцеры 4 и 5, приваренные к корпусу 1 или установленные е нем на резьбе. Стойки 6 и 7 (фиг. 2) жестко закреп лены на мембранах 2 и 3 перпендикулярно их поверхности с некоторым одинаковым смещением относительно центров мем ран 2 и 3. Широкие стороны стоек 6 и 7 расположены перпендикулярно оси, соединяющей центры мембран 2 и 3. Стойки 6 и 7 имеют Г-образную форму в сечении, перпендикулярном оси, соединяющей центры мембран 2 и 3 (фиг. 3. На торцовой части корпуса 1 установлено четыре неподвижных кронштейна 8, 9, 1О. и 11, по два с каждой стороны от оси, соединяющей центры мембраны 2 и 3 (фиг. 2). Между Г-образной стойкой 6 и парой неподвижных кронштейнов 8 и 9 натянуты струны 12 и 13 дифференциального струнного преобразователя перемещений конца Г-образной стойки 6 в частоту. Для возбуждения незатухающих автоколебаний струн 12 и 13 последние помещены в воздушный зазор сильных постоянных магнитов 14 н 15. Аналогично между Г-образной стойкой 7 и парой неподвижных кронштейнов 10 и 11 натяну- ты струны 16 и 17 второго дифференциального преобразователя перемещений кон па стойки 7. Струны 16 и 17 помещены постоянных магнитов 18 и 19. стойками 6 и 7 натянута струна омещенная в поле постоянного маг21. тчик работает следующим образом. формация об измеряемом давлении мается с первого дифференциальнообразователя (струны 12 и 13) в азности или отношения частот струн 13. ожим, что при Р - о начальные ы струн 12 и 13 равны между сони олределяются выражением (О Е - -f о 01 оа 2г N SP п - номер гармоники, на которой происходит возбуждение автоколебаний струн 12 и 13, в рассматриваемом случае П -1; длина струны 12 или 13; FQ сила начального натяжения струн 12 (13); S - площадь поперечного сечения струны 12 (13); р - плотность материала струны 12 (13), и подаче в левый штуцер 4 избыточдавления P-j О мембрана 2 проя и стойка 6 изменит свое угловое ение таким образом, что нагажение ы 12 увеличится, а струны 13 - етственно уменьшится. При этом часструн 12, 13 будут равны f - текущее значение частоты струны 12 дифференциального преобразователя;текущее значение частоты второй струны 13 дифференциаль- . ного преобразователя; коэффициент пропорциональности, обусловленный геометрическими размерами мембраны 2, стойки 6 и свойствами материала мембраны 2; Р - величина измеряемого давления. Разность частот струн 12 и 13 определяется вычитанием уравнения (3) из уравнения (2i..- ; „-4/-- О О / Разложив в степенной ряд иррациональ ные члены выражения (4) и ограничившис второй степенью разложения, получим 1- rV-xP Из выражения (5) следует, что разностт: частот струн 12 и 13 линейно связана с измеряемым давлением Р. Пренебрежение членами разложения со степенями более 2 для реальных парамет ров преобразователя дает погрюшность не более 0,05%. Поэтому с такой точностью соблюдается линейная зависимость между разностью частот струн 12 и 13 и изме ряемым давлением Р. Все вышесказанное справедливо и для второго дифференциального преобразователя. В этом случае разность частот струн 16 и 17 пропорциональна измеряемому давлению 2 - текущее значение частоты стру ны 16 (фиг. 2); - текущее значение частоты стру ны 17 (фиг. 3). Очевидно, что при Р. - Р О угловые смещения стоек 6 и 7 будут одинаковыми и изменения-частоты колебаний струны 20 не произойдет. Во всех остальных случаях, когда лР Pg 1 информация о разности давлений определяется приращением частоты поперечных колебаний струны 2О. Информация о величинах давлений Р и Р„ может быть получена не только в виде разности частот струн 12, 13 и 16, 17, но и в виде отношения частот струн 12, 13 и 1б, 17 струнного дифференциального преобразователя. Современные стандартные электронно-счетные частотомеры имеют возможность измерять отношения частот струн. Можно показать, что при определенных начальных частотах струн 12, 13 и 16, 17 функция преобразования датчика будет иметь вид S-%|: NN где и Nj - показания на табло цифрового электронно-счетного частотомера, работающего в режиме отношения частот; Р и Pj измеряемые давления; и f 2 текущие, значения частот струн первого дифференциального преобразователя перемещений в частоту; и f - текущие значения частот струн второго дифференциального преобразователя перемещений в частоту; h(v - коэффициент деления час тоты f2 или f4,установленный на переключателе электронно-счетного частотомера;К - коэффициент пропорциональности, обусловленный значениями параметров датчика. Рассмотренная конструкция датчика давлений и разности давления дает возможность получать выходную информацию в виде частотно-модулированного электрического сигнала, частота которого линейно связана с измеряемыми давлениями. Это обстоятельство делает датчик более универсальным и позволяет использовать его не только в системах АСУТП, но и в обычных измерительных устройствах, работающих в лабораторных и цеховых условиях Б комплекте со стандартными электронно-счетными частотомерами. При этом соответствующим подббром параметров струн 12, 13 и 16, 17, 20 можно обеспечить на табло отсчет измеряемого давления непосредственно в натуральных единицах (Па; М , мм рт.ст.). Изменения температуры окружающей среды приводят к значительно меньшим попогрешностям измерения. Это обусловлено . тем, что в струнном дифференциальном преобразователе в значительной степени компенсируются температурные погрешности его обеих половин и его суммар1 ая температурная погрешность при измерении давлений примерно на порядок меньше температурной погрешности прототипа.