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

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ G ЧАСТОТНЫМ

1

Изобретение касается информационно-измерительной техники и предназначено для измерений абсолютных давлений газовых сред.

Известент датчик давления с частотным выходом, в котором в качестве упругого чувствительного элемента используется тонкостенный цилиндрический резонатор, выполненный в виде стаканчика, в котором непрерывно возбуждаются изгибные колебания. Собственная частота этих колебаний связана с измеряемой величиной давления и является выходным параметром 1 .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является устройство преобразователя давления с частотным выходом, содержащее корпус, образованный элементами системы возбуждения, с внутренней полостью, сообщающейся с контролируемой средой, и закрепленным в ней по торцам на элементах крепления цилиндрическим резонатором 2.

Недостатком известного технического решения является возбуждение побочных механических резонансов в элементах крепления- резонатора, исВЫХОДОМ

кажающих зависимость выходной частоты от измеряемого давления и тем са-; мым снижающих точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения давления.

Указанная цель Достигается за счет того, что.длина резонатора не превышает половины длины радиально10изгибной волны, а внутренняя полость ограничена по торцам элементами крепления, выполненными из эластичного пористого материала, проницаемого для контролируемой среды.

15

На фиг.1 изображен преобразователь давления; на фиг.2 - схема его подключения к системе возбуждения преобразователя.

Тонкостенный цилиндрический ре20зонатор 1, выполненный из элинварного сплава нли диэлектрического материала с соответствующей металлизацией поверхностей, и корпусные детали 2 и 3 системы возбуждения колебаisний резонатора 1 своими цилиндрическими поверхностями образуют внутреннюю полость, которая по торцам ограничена эластичными виброопорами 4 и 5. Виброопоры 4 и 5 являются эле30ментами крепления резонатора 1 по

его торцам во внутренней полости преобразователя коаксиально цилиндрическим поверхностям корпусных деталей 2 и 3. Виброопоры 4 и 5 выполненьл из пористого материала, проницаемого для измеряемой среды, например из пористой резины. Электроды б и 7/ размещенные на корпусных деталях 2 и 3, являются элементами системы возбуждения, в частности электростатической, и съема колебаний резонатора. Для подключения к электрической схеме преобразователя служат проводники 8, 9 и 10. При этом проводники 8 и 9 закреплены в корпусных деталях 2 и 3 с помощью изолирующих вставок 11 и 12., а проводник 10 выполнен виброустойчивым и продернут через виброопору 5. Смонтированный П реобразователь может быть установлен в дополнительный корпус (негпоказан) с электрическими герморазъемами, для подключения к системе возбуждения, и штуцером, для подсоединения к объему, давление в котором необходимо контролировать.

Параметры виброопор 4 и 5,как и их размер, материал и т.п., выбираются из условия обеспечения их упругости меньшей (на порядок или более), по сравнению с упругостью цилиндрического резонанатора 1.

Схема возбуждения преобразователя (фиг.2) является схемой измерительного автогенератора. Электрод б является приемным электродом преобразователя и с помощью проводника 9 через разделительный конденсатор 13 подключен к дифференцирующему усилителю 14 с высоким входным сопротивлением. Усилитель содержит также схему автоматической регулировки усиления. Выход усилителя 14 подключен через конденсатор 15 обратной связи и проводник 8 к электроду 7, играющему роль возбуждения электрода. Блок 16 питания обеспечивает подачу напряжения поляризации на приемный и возбуждающий электроды б и 7., соответственно, через высокоомные резисторы 1 и 18, а также выдает необходимое напряжение питания для усилителя 14. Резонатор 1, выполняющий роль подвижного электрода электростатической системы возбуждения колебаний и их приема, с помощью проводника 10 под ключей к общему электрическому корпусу реобразователя . Выхрдной частотикй сигнал снимается с выхода усил1Ргеля 14.

Работа преобразователя происходит следутощим образом.

При подаче напряжения питания от блока 16 питания, происходит самово.буждение преобразователя на частоте собственных резонансных колебаний резонатора 1. При зтом сигнал переменного тока с приемного электрода через проводник 9 и конденсатор 13

поступает на усилитель 14, где усиливается в необходимое число раз с поворотом фазы на +90, что необходимо по условиям самовозбуждения схемы включения резонатора 1. С выхода усилителя 14 электрический сигНсш поступает через конденсатор 15 обратной связи и проводник 8 на возбуждающий электрод 7 преобразователя возбуждая незатухающие автоколебания резонатора 1. Схема автоматической регулировки усиления в усилителе 14 .обеспечивает генерирование колебаний в пределах линейного диапазона усиления этого усилителя, чем достигается исключение нелинейного ограничения выходного сигнала преобразователя.

Давление контролируемой среды, проникая через поры в виброопорах 4 и 5,приводит к изменению акустическо упругости газового объема во внутренней полости датчика,что, в свою очередь, изменяет частоту колебаний резонатора 1, в соответствии с выражением

йгКTPs;

ЭФФ

где f - выходная частота преобразователя ;

ujp - круговая частота собственных резонансных осесимметричных радиальных колебаний резонатора в вакууме;

р контролируемое давление газовой среды;

с

площадь цилиндрической поверхности резонатора, ограниченная элементами крепления - виброопорами;

h средний размер внутренней полости в радиальном направлении;

показатель адиабатичности или изотермичности процессов сжатий-разряжений газа во внутренней полости преобразователя;

м

масса резонатора и присоеди-

ЭФ-Ф ненная масса эластичных элементов крепления резонатора - виброопор.

Поскольку длина резонатора выбиралась не превышающей половины длины волны радиально-изгибной моды колебания резонатора 1, в описанной резонансной системе, вследствие изгибной упругости, отдельные элементы резонатора 1 не смогут совершать колебания независимо друг of друга. Поэтому при осесимметричном радиальном резонансе резонатор 1 колеблется во всех точках с одинаковой фазой и амплитудой, так как малое отклонение от этого режима колебаний приводит к возникновению вдоль цилиндрической образующей разонатора 1 изгибкой волны, выравнивающей распределение колебаний по образующей цилиндра резонатора н восстанавливающей исходный режим автоколебаний. Это обстоятельство обеспечивает одномерность процессов сжатия-разряжения газовой среды во внутренней полости преобразователя в радигипьном направлении, что исключает потери на сдвиговую вязкость и приводит к повышению добротности колебательной системы в целом.

Наличие эластичных элементов крепления - виброопор 4 и 5, с малой собственной упругостью позволяет обеспечить акустическую разрядку резонатора 1 и других элементов конструкции преобразователя, что снижает возбуждение побочных резонансов в колебательной системе и,тем самым, повышается точность измерения давления.

Формула изобретения

1. Преобразователь давления с частотным выходом, содержащий корпус

образованный элементами CHCt уел возбуждения, с внутренней полостью, co-i общающейся с контролируемой средой, и закрепленным в. ней по на элементах крепления цилиндрическим резонатором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения давления, длина резонатора не превышает половины длины радиально-изгибной волны, а внутренняя полость ог0раничена по торцам элементами крепления, выполненными из эластичного пористого материсша, проницаемого для контролируемой среды.

Источники информации,

5 принятые во внимание при экспертизе

1.Горенштейн И.А. Гидростатические частотные датчики первичной информации. М., Машиностроение, 1976, с. 12-17.

2.Авторское свидетельство СССР

0 717581, кл. G 01 L 11/00 от 06.01.78 (прототип).

TL