Датчик давления с частотным выходом Советский патент 1980 года по МПК G01L11/00 

(54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, и может найти применение в приборах для измерения давления.

Известны частотные датчики давлений с резонаторам в виде плоских упругих-пластин круглой формы, разделяющих внутренний объем .датчика: на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиеся с контролируемой газообразной средой. Эти пневмокамеры имеют вид щелевых зазоров между поверхностями резонатора и обращенными к ним поверхностями корпусных деталей датчика, причем величина указанных зазоров выбирается таким образом, что постоянные времени пневмокамер превышают полупериод колебаний резонатора. С целью оберпечения динамической сбалансированности колебательной системы датчика, а следовательно, и его высокой добротности, в резонаторе возбуждается низшая форма веерных изгибных колебаний (т.е. форма колебаний, характеризующаяся наличием двух узловых дис метров при отсутствии узловых окружностей) 1 .

, В этом датчике пучности колебаний заполняют площадь круга резонатора

полностью, что не позволяет уменьшить его габариты.

Наиболее близким к предлагаемому , является датчик,резонатор которого,

5 представляющий собой плоскую упругую пластину, разграничивает его внутренний объем на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиеся с контролируемой средой. Пневмокамеры

10 выполнены в виде щелевых зазоров между поверхностями пластины-резонатора и обращенными к резонатору плоскими поверхностями корпусных деталей датчика. Величина зазоров, играющих

5 роль пневмокамер, выбирается столь малой, что постоянные времени этих пневмокамер превышают Полупёриод колебаний резонатора. По обе стороны от резонатора симметрично расположены электроды емкостных систем возбуждения и съема его колебаний. Как контуры всей пластины-резонатора в целом, так и все совпадающие участки контуров, ограничивающих своббдную

25 и жестко закрепленную области пластины-резонатора, имеют общую ось поворотной симметрии порядка 2 п (где п - число узловых диаметров) и 2 п проходящих через эту ось общих плоскостей симметрии. Электроды емкост ныхсистем воэбуВДёйия и съема колебаний резонатора имеют вид секторов, ра сположе иных по обе стороны упругой пластины, по 2п электродов с каждой 1 стороны, и характеризуются теми же элементами симметрии 2j .

Недостаток датчика заключается в том, что уменьшение габаритных разйёров ограни ено необходимостью размещения пучностей таким образом, чтобы они имели общую ось поворотной симметрии порядка 2п.

Цель изобретения - в уменьшении габаритов датчика.

Эта цель достигается тем, что резонатор выполнен в форме прямоугольника, закрепленного на двух парах опор, каждая из которых выполнена в виде упругих трубок, расположенных по разные ст-ороны резонатора.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого датчика, общий вид; на фиг. 2 - промежуточная сборка узла чувствительного элемента; на . 3 - низшая форма возбуждаемых в резонаторе изгибных колебаний; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема датчика.

Датчик собрай в гегметичном корпусе, образованном отрезком цилиндрической трубки 1, на конце которой располагается стеклянный изолятор 2 с гермовводами 3. Другой конец трубки 1 герметичного корпуса датчик с помощью вакуумплотного (сварка, пайка) сочленения 4 соединяется со штуцером 5, служащим для подвода к датчику газообразной контролируемой среды. Внутри корпуса 1 размещается узел чувствительного элемента, собраный в коАсухе 6 (см.фиг. 2). Помимо кожуха б с технологическими окнами

7узел чувствительного элемента включает в себя два газонепроницаемых экрана 8, изготовленных из диэлектрика с высокими механическими свойствами (например, из керамики 22 ХС), резонатор 9, представляющий собойупругую плоскую пластинку прямоугольной формы с отношением короткой стороны к длинной не более, чем 1:4, и четыре роликовые опоры 10, выполненные в виде тонкостенных упругих трубок.

Газонепроницаемые Экраны 8 имеют в сечении вид кругового сегмента. На обращенные к резонатору плоские поверхности экранов 8 нанесены тонкопленочные электроды 11-16 (см. фиг.4 электростатических систем возбуждения и съема колебаний резонатора 9. На расстояниях, составлякицих 0,225+ ±0,05 длины резонатора, на экранах

8имеются паэы 17 треугольного сечения..

На полукруглой цилиндрической поверхности экранов В.прорезаются продольные канавки 18, служащие для прокладки проводив, с помощью кбторых. электроды 11-16 включаются в электрическую схему датчика.

При сборке узла чувствительного элемента экраны 8 с расположенными между ними резонатором 9 вставляются внутрь кожуха,6, после чего через технологические окна 7 между экранами 8 и резонатором 9 устанавливаются упругие роликовые опоры 10, размещаемые в треугольных пазах. Деформируясь (см. фиг. 1) роликовые опоры зажимают резонатор 9, обеспечивая таким образом упругое крепление его по узловым линиям избранной формы колебаний (см. фиг. 2).

Электрическая схема датчика (фиг. 4) включает; в себя электроды 11-13 системы возбуждения колебаний резонатора 9., электроды 14-16 системы съема колебаний, высокоомные сопротивления 19, источники смещения 2 разделительные конденсаторы 21 и широкополосный усилитель 22 системы самовозбуждения.

Электроды 11-13 системы возбуждения ,й электроды 14-16 системы съема через высокоомные сопротивления 19 подключаются к источникам постоянног смещения 20, а через разделительные конденсаторы 21 - к выходу и входу соответственно широкополосного усилителя 22 системы самовозбуждения. Величина сопротивлений 19 выбирается тким образом, чтобы постоянная времен RC-цепочки, включающей одно из сопротивлений 19 и емкость, образованную группой из трех параллельно подключенных к этому сопротивлению элекродов 11-13 (либо 14-16) и резонатором 9, бЕлпа значительно больше полупериода колебаний резонатора. Назначение разделительных конденсаторов

21состоит в предохранении усилителя

22от попадания на и выход относительно высоких постоянных напряжений от источников постоянного смещения 20.

Совместно с системой самовозбуждения резонатор образует электромеханическую автоколебательную систему, частота которой близка к собственной частоте избранной формы (см. фиг. 3) изгибных колебаний резонатора. Система возбуждения колебаний резонатора образована тремя элекродами 11-13, два из которых (11 и 13) обращены к одной и той же стороне резонатора 9 и расположены против его концевых участков, ограниченных роликовыми опорами 10, а третий (12) обращен к противоположной стороне резонатора и расположен против его среднего участка (между роликовыми опорами 10). При подаче на электроды 11-13 переменного электрического напряжения с выхода усилителя 22 системы Сс1моврзбу.ждения они создают перпендикулярную плоскости резонатор распределенную возбуждакяцую силу, направление которой изменяется на об ратное при переходе через каждую из УЗЛОВЫХ линий (которые совпадают с пиниям касания резонатора 9 и роликовыми опорами 10), а также при изме нении полярности питающего напряжени Указанная сила вызывает раскачку избранной формул изгибных колебаний резонатора. При этом на других трех электродах - электродах 14-16 съема (образующих конфигурацию, представляющую собой зеркальное отражение конфигурации, в которую входят элект роды llylS) - возникает электрический сигнал, частота которого равна, а-амплитуда пропорциональна соответственно частоте и амплитуде механических колебаний резонатора 9. Этот сигнал через разделительную емкость поступает на вход усилителя системы самовозбуждения 22. С выхода этого усилителя усиленный сигнал через другую разделительную емкость 21 вновь подается на группу из трех возбуждающих электродов 11-13, обеспечивая тем самым незатухающие колебания резонатора.. Частота этих коле баний будетблизка к собственной частоте f избранной формы изгибных колебаний резонатора, которая определяется формулой „ модуль упругости материала резонатора; h - толщина резонатора; р - массовая плотность материала резонатора; L - длина резонатора; а - величина зазора между резонатором и газонепроницаемыми экранами; Р - измеряемое давление; Кр;К- - безразмерные числовые коэффициенты, зависящие от коэффициента Пуассона Как следует из приведенной форму лы квадрат частоты f выходного сиг нала датчика линейно зависит от изм

746219 ряемого давления Р. Это рбъясняется тем, что эквивалентная жесткость упругой системы датчика зависит не только от параметров самого резонатора, но и от упругости газа,;находящегося в щелевых зазорах между поверхностями резонатора и обращенными к ним поверхностями газонепроницаемых экранов. При условии, что постоянная времени процесса изменения массы газ в щелевых зазорах значительно превышает полупериод свободных колебаний резонатора (это достигается выбором достаточно малой величины зазора), газ в этих зазорах ведет себя так, как будто они герметизированы по контурам пучностей. Пои. этом влияние упругости газа в щелевых зазорах на эквивалентную жесткость упругой системы датчика оказывается пропорциональным давлению Р этого газа, что и обусловливает линейную зависимость квадрата частоты колебаний резонатора от измеря;емого{ давления. Линейное расположение пучностей, достигаемое при выполнении резонатора в виде прямоугольной пластины с отношением короткой стороны к длинной не более, чем.1:4, позволяет существенно снизить габаритные размеры датчика. Формула изобретения Датчик давления с частотным выходом, содержащий плоский резонатор и системы съема и возбуждения колебаний, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габарита, резонатор в нем выполнен в форме прямоугольника, закрепленного на двух парах опор, выполненных в виде упругих трубо :. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке 2407562/18-10, кл. G 01 L 11/00, 20.10,76. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2430018,кл.С 01 L.11/00, 31.12.76 (прототип).

746219

фуг 3