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

1

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно - к частотным датчикам абсолютных давлений с первичными измерительными с преобразователями в виде тонкостенных цилиндрических резонаторов. Оно может быть использовано при создании таких датчиков с повьлшенной крутизной преобразования измеряемого Q давления в частоту.

Известен датчик абсолютного давления с частотным выходом и с первичным измерительным преобразователем в виде тонкостенного цилин- 5 дрического резонатора, внутрь которого подводитсяизмеряемое давление 1 .

Недостатком датчика является то, что при используемой в нем конструк- 20 тивной схеме невозможно увеличить крутизну осуществляемого им преобразования измеряемого давления в частоту,, не ухудшив одновременно других важных параметров.25

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является датчик абсолютного давления с частотным выходом, имеющий тонкостенный цилиндрический резонатор, 30

,становленный в защитном силовом корпусе. В герметичной кольцевой камере, ограниченной внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью резонатора, размещаются системы возбуждения колебаний резонатора и съема выходного сигнала. Измеряемое давление подается внутрь резонатора 2.

Известно, что максимальная крутизна преобразования давления в частоту, осуществляемого такими датчиками, определяется формулой

-i k.-R

(1) .9P/m«x

где S

максимальная крутизна

max осуществляемого датчиком преобразования давления в частоту, Гц/Па;

f собственная частота изгибных колебаний резонатора, Гц

измеряемое давление, Па;

P k безмерный числовой коэффициент,- значение которого в интервале 0,25 i К 6 0,30 R - радиус тонкостенного уча тка резонатора, м h - толщина тонкостенного уч тка резонатора,м р массовая плотность материала резонатора, кг/м Е - модуль упругости материа резонатора. Па. В соответствии с формулой (1) известны также пути повыщения крутизны преобразования измеряемого давления в частоту, состоящие в том что либо увеличивают радиус резонатора R, либо уменьшают одну из трех величин h, Е или р , либо, наконец, применяют любую комбинацию из этих четырех возможностей. Однако во всех этих случаях (за исключением уменьшения величины р, которая практически невариабельна) одновременна с увеличением крутизны уменьшается начальная частота 1о колебаний резонатора ( то есть част та его колебаний в вакууме), определяемая формулой Кр-Н2-Е о pR

где K - безразмерный постоянный коэффициент (Kg 0,03).

Это, в свою очередь, приводит к снижению временной стабильности датчика и к ухудшению его динамических характеристик, а также к усложнению электрической схемы.

Цель настоящего изобретения состоит в увеличении крутизны характеристики датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике абсолютного давления с частотным выходом, содержащем первичный измерительный преобразователь в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, систему возбуждения колебаний резонатора и систему съема сигнала, соосно резонатору установлен по меньшей мере один цилиндрический экран на расстоянии, не превышающем S,,-,

R-k

max

n H c где R - радиус резонатора

безразмерный числовой коэффициент (2 - 6) ; fg- частота колебаний резонатора в вакууме

5 - кинематическая вязкость га за, находящегося в зазоре с - скорость звука в газе

гкР :

п г---число полных волн, укладыва 0 ющихся по окружности резонатора

При этом резонатор выполнен в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийных участках которого выполнено 2 n симВ формулах (3) и (4) помимо обозначений, расшифрованных выше, принято:

постоянная времени процесса выравнивания давлений между пучностями резонатора, с; - кинематическая вязкость газообразной контролируемой среды,

с - скорость звука в газообразной контролируемой среде, м/с;

В

величина зазора между резонатором и экраном,м;

такпредельная величина зазора между резонатором и экраном, м,

С| - полупйриод колебаний резонатора в вакууме, с; k,k-- безразмерные постоянные коэффициенты, связанные между собой соотношением

, 106 Kt 100

При выполнении условия (3) газ, заполняющий зазор S , в процессе колебаний резонатора вследствие своей вязкости не успевает протекать между смежными пучностями и поэтому каждая пучность колеблется в это случае так, как будто она герметизирована по узловым линиям. В результате выражения для частоты колебаний резонатора и для крутизн преобразования давления в частоту изменяютсясоответственно следующим образом

/4) 4. JIPP (5) |эИ8 о phR phS метрично расположенных по окружности отверстий, где 2кЯ Сущность изобретения заключается в том, что вблизи внутренней поверхности тонкостенного участка резс натора, контактирующей с контролируемой газообразной средой,размещают с небольшим зазором 6 неподвижный газонепроницаемый цилиндрический экран, причем величину зазора между внутренней поверхностью тонкостенного участка резонатора и обращенной к ней внешней поверхностью экрана выбирают столь малой, чтобы постоянная времени процесса выравнивания давлений между пучностями резонатора была равной, либо больше чем полупериод колебаний резонатора в вакууме.В математической форме указанное условие имеет пид: Kg.R i ,- -f 2i, откуда для величины зазораS получаmaxi ар / max P / 2fj,phS p где 1 - частота колебаний резонатора при наличии экрана, Гц; S - крутизна преобразования давления в частоту при наличии экрана, Гц/Па; р - давление контролируемой среды, контактирующей с внутренней поверхност резонатора. Па; kg,kp безразмерные постоянные коэффициенты (Ко 2К V 0,08+0,10 Кр 2) . Из формул (5) и (6) видно, что введение экрана, расположенного вбл зи внутренней поверхности резонатор с малым зазором, определяемым формулой (4), изменяет саму структуру формул для частоты и крутизны преобразования, осуществляемого резонатором. Именно это обстоятельство и позволяет решить поставленную задачу. Еще более значительного увеличен крутизны преобразования давления в частоту можно достигнуть, если с та ким же зазором разместить экран не только внутри, но и снаружи резонатора, а кольцевые зазоры между поверхностями резонатора и экранов сделать пневматически сообщающимися В этом случае формулы для частоты и крутизны преобразования примут вид„ . ,2 ,2 Эр / ioph-S где i и - частота и крутизна резонатора, размещенного между двух экранов. Чтобы упростить конструкцию и уменьшить стоимость изготовления ре зонатора, не снижая при этом его добротности, последний изготавливается в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийных участках которого (на гр нице между пассивной,то есть закреп ляемой, и активной, то есть колеблющейся, зонами) имеется по 2 rv симметрично расположенных по окруж ности отверстий, перемычки между которыми совмещены с узловыми мери анами и образуют упругий подвес ак тивной зоны резонатора. На фиг.1 изображен один из возможных вариантов датчика с одним внутренним экраном, общий вид; на фиг.2 - вариант датчика с двумя экранами, общий вид; на фиг.З - ра вертка для варианта датчика с двумя экранами. В первом варианте датчика (фиг.1) тонкостенный цилиндрический резонатор 1 с утолщенными установочными поясками по краям установлен, в защитном силовом корпусе 2. В герметичной кольцевой камере 3, имеющей вид кольцевого зазора между внутренней поверхностью корпуса 2 и внешней поверхностью резонатора 1, располагается система 4 возбуждения колебаний резонатора и система 5 съема сигнала. Внутри резонатора 1 жестко крепится неподвижный газонепроницаемый экран 6, один конец которого закрыт заглушкой 7, а другой штуцером 8, с помощью которого измеряемое давление через отверстия 9 подается в измерительный зазор 10 между внутренней поверхностью тонкостенного участка резонатора 1 и обрашенной к ней внешней поверхностью экрана 6. Детали датчика соединены между собой вакуумплотными сочленениями (сварка, пайка) 11 и 12. Величина зазора 10 выбирается в соответствии с формулой (4). Датчик работает следующим образом. С выводов 13 системы 5 съема сигнала последний поступает на вход электронного блока 14 системы самовозбуждения (ЭБСС), и далее на выводы 15 системы 4 возбуждения колебаний резонатора.В совокупности с резонатором 1 системы 4 и 5 и блок 14 образуют электромеханическую автоколебательную систему,частота колебаний которой весьма близка к частоте собственных изгибных колебаний резонатора 1,С изменением измеряемого давления газа в зазоре 10 собственная частота изгибных колебаний.резонатора 1 изменяется не только потому, что при этом изменяются механические напряжения в стенке резонатора, но также и потому, что изменяется, упругость контактирующего с этой стенкой газа. Именно этот факт и обуславливает существенное повышение крутизны характеристики датчика без ухудшения других его качеств. Вариант конструкции датчика с двумя экранами изображен на фиг,2. Конструкция эта в основном аналогична конструкции,представленной на фиг. 1. Роль экранов в этой конструкции играют обращенные к резонатору 1 поверхности корпуса 2 и газонепроницаемого экрана 6. Системы возбуждения 4 и съема 5 размещены в газонепроницаемом экране 6 г что позволяет сократить общие габаритные размеры датчика. С целью упрощения конструкции резонатора датчик выполнен в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, развертка которой приводится на фиг.З. Датчик содержит активную зону 16 резонатора, совершающую в процессе работы датчика изгибные колебания, пассивную зону 17 резонатора, являющуюся местом его жесткого соединения с корпусом 2 и газонепроницаемым экраном б, перемычки 18, образующие упругий подвес активной зоны резонатора и расположенные на узловых меридианах, отверстия 19 (прорези), разделяющие активную и пассивные области резонатора. Формула изобретения 1. Датчик абсолютного давления с частотным выходом, содержащий первичный измерительный- преобразователь в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, систему возбуждения колебаний резонатора и систему съема сигнала, отличающийс я тем, что, с целью увеличения крутизны характеристики датчика, в нем соосно резонатору установлен по меньшей мере один цилиндрический экран на расстоянии, не превышающем ..к o,vto ,x - -lJгде R - радиус резонатора; 748154 ю то но пе по же пр № 2 (п безразмерный числовой коэффициент (2-6); о частота колебаний резонатора в вакууме - кинематическая вязкость газа, находящегося в зазоре с скорость звука в газе 2. Датчик ПОП.1, отличащийся тем, что его резонар выполнен в виде отрезка тонкостенй трубки постоянного сечения, на риферийных участках которого вылнено по 2п симметрично располонных по окружности отверстий. Источники информации, инятые во внимание при экспертизе 1 Авторское свидетельство СССР 181848, кл. G 01 L 11/00, 1965. 2. Авторское свидетельство СССР 26912, кл. G 01 L 11/00, 1967 рототип).

DC

/ / / /

17 18 19 Фиг.З