Датчик давления с частотным выходом Советский патент 1981 года по МПК G01L11/00 G01L7/18 

.V .

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для измерений абсолютных давлений газовых сред.

Известны датчики Давления, содержащие колебательную систему в виде упругой мембраны, которая установлена в корпусных деталях и расположена между двух электростатических преобразователей, служащих для возбуждения и съема колебаний мембраны 1 ..

Недостатком указанных датчиков является сильное взаимодействие ко- лебательной системы с корпусными деталями и возбувдение в последних побочных механических резонансов, снижающих точность измерения давления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является устройство датчика давления, содержащее корпус с установленным в нем пьезоэлектрическим резонатором с электродами, выполненным в виде пластины, закрепленной в узлах стоячей волны собственных изгибных колебаний, систему возбуждения колебаний 2 .

Недостатком известного технического решения является нелинейность . функциональной зависимости квадрата частоты датч,ика от измеряемого давления, снижгиощая точность измерений, Целью изобретения является повы :Шение точности измерений.

Указанная цель достигаетсяза счет того, что между поверхностяtoми пьезоэлектрического резонатора и внутренними поверхностями корпуса образован целевой зазор/ величина которого выбрана из вьо ажения

А 2-f7/ir ,

15

где (Л - величина зазора;

V кинематический коэффициент

вязкости газовой среды; f - рабочая частота.

20 Дьезоэлектрический резонатор размещен на подложке, толщина которой выбирается из условия .(СЩ ), ,где h - толщина подложки;

Сщ - скорость звука в газовой сре25де;

С - скорость распространения njioдо дольных колебаний в материале подложки. На фиг. 1 и 2 изображен чувстви30тельный элемент, содержащий пьезоэлектрический резонатор; на фиг.З схема его подключения к системе воз буждения колебаний датчика.

Пьезоэлектрический резонатор содержит подложку 1, элементы крепления 2, корпусную рамку 3, электроды 4 и 5, проводники б и 7, пьезопреобразователи 8. Элементы крепления 2 изготовлены за одно целое с подложкой 1 и корпусной рамкой 3 из материала со стабильными механическими свойствами, например цз сита1Лла или кварца, и расположены на линиях, соответствующих узлам стоячей волны собственных изгибных коле баний пьезоэлектрического резо.натора (на фиг.1 пунктирные линии для 1-ой моды изгибных Колебаний). Проводники 9 и 10 служат для подсоединения пьезоэлектрического резонатора к системе возбуждения и. съема колебаний датчика (фиг.З).

Пьезоэлектрический резонатор установлен в чвствительном элементе датчика (фиг.2) между корпусными деталями 11, противолежащие поверхности которых образуют внутренний объем датчика, состоящий из щелевых эазоров JL12 и канала 13, опоясывающего подложку 1 резонатора по периметру. Внутренний объем датчика сообщается с измеряемой средой с помощью вставок 14, выполненных из проницаемого для газовой среды материала, например из пористой керамики или стекла. Отдельньое элементы Чувствительного элемента соединены между собой, например склейкой или пайкой.:

Чувствительный элемент датчика может быть помещен в герметичный корпус (не показан), снабженный штуцером для .подсоединения к исследуемому газовому объему, а также содержащий электрические гермовыводы для соединения проводников 9 и 10 со схемой возбуждения и съема колебани датчика.

Схема возбуждения и съема колебаний (фиг.З) является схемой автогенератора, в цепь обратной связи которого включен пьезоэлектрический, резонатор. Пьезопреобразователи 8 с помощью внешних проводников 10 подключены один ко входу, а другой к входу «усилителя 15 с высоким входным .сопрртивлением. Выход усилителя 15 |подкЛючен также ко входу схемы ав.тометйгческой регулировки усиления 1 усилителя 15, выход которой, в свою очередь, подключен к управляющему входу усилителя 15. Внешние проводники 9 пьезопреобразователей 8 соединены электрически с корпусом датчика. Блок питания 17 обеспечивает электропитание всей схемы. Выходной частотный сигнал датчика снимается выхода усилителя 15.

Работа датчика происходит следующим образом.

При в лючении напряжения питания происходит самовозбуждение датчика на частоте собственных резонансных колебаний чувствительного элемента. При этом сигнал с приемного электрода 5 одного из п.ьезопреобразователей 8 через проводники 9 и 10 поступает на усилитель 15, где усиливается в необходимое число раз и поступает на возбуждение изгибных колебаний подложки 1 через противоположную пару проводников 9 и 10 на электрод 5 другого пьезопреобразователя 8. Одновременно с этим сигнал с выхода усилителя 15 поступает на вход схемы 16, где формируется управляющий сигнал для регулировки коэффициента усиления усилителя 15, в соответствии с условием самовозбуждения, что обеспечивает генерирование колебаний в пределах динамического диапазона этого усилителя и исключает нелинейное ограничение выходного сигнала датчика.

Изменение давления в контролируемой газовой среде, проникая сквозь пористые вставки 14, приводит к изменению резонансной частоты колебаний пьезоэлектрического резонатора и, соответственно, частоты выходного сигнала датчика.

Размеры подложки 1 выбраны из условия превышения скорости изгибных колебаний в ней над скоростью звука в газовой среде щелевого зазора, что приводит к следующей формуле определения толщины подложки: 2.

Ь7Т/3

где h С

толщина подложки; скорость звука в газовой среш, де; С

скорость распространения продольных колебаний в материале подложки; рабочая частота.

f При выполнении этого условия процессы сжатия-разряжения газовой среды в зазорах 12 под действием изгибных колебаний пьезорезонатора оказыВсцотся одномерными (в направлении колебаний подложки).

При изготовлении щелевых зазоров 12 размером порядка толщины слоя вязкого трения и, в частности, в пределах удвоенной глубины проникания вязкой волны, также обеспечивается одномерность процесса сжатийразряжений газовой среды в зазорах 12 при колебаниях пьезоэлектрического резонатора. Для этого величина щелевого зазора 12 необходимо выбирать из выражения

€ где d величина зазбра; V - кинематический коэффициент I вязкости газовой среды; f 4 рабочая чатота. Выполнение рекомендаций по выбору толщины подложки 1 пьезоэлектрического резонатора : и величины щелевых зазоров 12 позволяет обеспечить одномерность процесса сжатийразряжений газового объема а контро лируемой среды как на низких,так и высоких частотах/ что значительно расширяет диапазон измеряемых давле ний и повышается точность их измере ний . Описанный датчик обеспечивает исключение искажений функциональной зависимости выходной частоты от измеряемого давления за счет отсутствия воздействий колебающейся подлож ки 1 на корпусные детали, и, как следствие, повышение точности измерений. Формула изобретения 1. Датчик давления с частотным в .ходом, содержащий корпус с установленным в нем пьезоэлектрическим резонатором с электродами, выполненны : . в виде пластины, закрепленной в узлах стоячей волны собственных изгибных колебаний, систему возбуждения колебаний, отлича)ощий. - с я тем, что, с целью повышения точности измерений, между поверхностями пьезоэлектрического резонатора и внутренними поверхностями корпуса образован щелевой зазор, величина которого выбрана из выражения где / - величина зазора; V - кинематический коэффициент вязкости газовой среды; f - рабочая частота, а пьезоэлектрический резонатор размещен на подложке, толщина которой выбирается из условия: . где h - толщина подложки; Сц. - скорость звука в газовой среС - скорость распространения продольных колебаний в материале подложки. Источники информации, принятые во .внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 691705, кл. G 01 L 11/60, от 20.06.77. 2.Авторское свидетельство СССР Щ 647568, кл. q 01 L 9/08, 01.06,77 (прототип).