Частотный датчик давления

Частотный датчик давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ С ЮТИЛЬСТВУ

Союз Советскни

Соцналнстнческнк

Республик (61) Дополнительное к ает, сеид-ау (51)м. кл.з

G 01 L 11/00 (22) Заявлено 091078 (21) 2672007/18-10 с llpHcoo4HH4HNohh заявки ЙУ

Государствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 230181, бюллетень 89 3 (53) УДК 631. 787..91(088.8) Дата опубликования описания 30. 01. 81 (72) Авторы изобретения

И.A.Ãoðåíøòåéí и В.Г.Кравцов

> (71) Заявитель (54) ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может найти применение в устройствах приборрв для измерения давления.

Известны частотные датчики давления с резонаторами в виде упругих пластин, .в которых возбуждаются сложные динамически уравновешенные формы изгибных колебаний (1g .

Недостатком датчиков этого типа является ограниченность воэможностей уменьшения их габаритных размеров.

Наиболее близким является датчик с колебательной системой,в виде плоской упругой мембраны (пластины), разделяющей внутренний объем датчика на две зеркально симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с контроли- ® руемой средой посредством двух одинаковых капилляров. Длина и сечение этих капилляров выбираются таким образом, чтобы постоянная времени процесса изменения давлений в рабочих камерах датчика была бы не менее полунериода свободных колебаний мембраны в вакууме $2).

При выполнении этого условия за время одного колебания масса газа . 30 внутри каждой иэ рабочих камер остается практически неизмененной и колебания происходят так же, как и при полностью герметиэированных рабочих камерах, среднее давление внутри которых равно измеряемому давлению. При этом частота f собственных колебаний мембраны связана с измеряемым давлением Р соотношением г РК, о ь (1)

CI где f — - частота собственных колебаний упругой системы датчика при произвольном измеряемом давлении; т †часто собственных колебаний

0 упругой системы датчика при давлении в рабочих камерах близком к нулю;

Р— измеряемое давление.;

К вЂ” безразмерный числовой коэффициент (близкий к единице), значение которого уточняется в процессе тарировки датчика;

- массовая плотность материала мембраны;

h — толщина мембраны;

a - -приведенная высота камеры датчика.

798523

Цель изобретения — уменьшение габаритов.

Эта цель достигается тем, что колебательная система и электроды возбуждения имеют одну общую плоскость зеркальной симметрии, а колебательная система выполнена в виде двух упругих пластин, зеркально симметрично расположенных между экранами,.а электроды обращены к внешним поверхностям упругих пластин и подключены к общему источнику возбуждения.

На фиг. 1 изображен датчик, общий вид; на фиг. 2 — конфигурация электродов систем возбуждения и съема колебаний упругой системы; на фиг. 3 и 4 — варианты конструктивного исполнителя упругих пластин; на фиг. 5 — принципиальная электрическая схема датчика.

Датчик монтируется в герметичном цилиндрическом корпусе 1, который 20 закрывается крышкой 2 с гермоввода- ми 3. Для подвода внутрь корпуса 1 контролируемой среды служит отверстие 4, в которое вваривается входной штуцер датчика (на фиг. 1 шту- 25 цер не показан). Внутри корпуса 1 размещаются два упорных кольца 5, два газонепроницаемых экрана.б, изготовленных в виде дисков (предпочтительно из материала с высокой диэлектрической проницаемостью), три калибровочных шайбы -7, две упругих пластины Я и поджимная пружина 9.

На внешних поверхностях 10 экранов б размещаются электроды 11 систем возбуждения и съема колебаний упругой системы. Одна из возможных конФигураций этих электродов показана на фиг. 2. Два варианта конструкции упругих пластин 8 показаны на фиг. 3 и 4. В качестве материала для 40 изготовления этих пластин лучше всего использовать элинварные сплавы, например сплав 45HXTIO и т.п. Поскольку,именно калибровочные шайбы определяют величину зазоров, играющих роль пневмокамер, толщина этих шайб выбирается с учетом соотношения (2), приведенного далее.

При сборке датчика в его корпус ,закладываются последовательно: упор- 0 кое кольцо; газонепроницаемый экран; калибровочная шайба; у ругая пластина; вторая калибровочная шайба; вторая упругая пластина;третья калибровочная шайба; второй газонепроница-. емый экран; второе упорное кольцо; поджимная пружина. Весь этот набор центрируется внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и с помощью крышки 2 через поджимную пружину

9 прижимается к донышку 12 корпуса, 60 после чего датчик герметизируется сварным швом 13.

Электроды систем возбуждения и съема колебаний .упругих пластин с помощью гермовводов включены в прин- Я ципиальную электрическую схему датчика (см. фиг. 5). Зеркально симметричные электроды системы возбуждения (на фиг. 5 левая пара) через высокоомные сопротивления 14 подключены к источнику 15 постоянного смещения Uz, а через разделительные конденсаторы

1б — к выходу электронного блока 17 системы самовозбуждения. Электроды системы съема (на фиг. 5 позиция 11 правая пара) также выполнены зеркально симметричными и через высокоомные сопротивления 18 подключены к двум источникам 19 постоянных смещений

О,(и U удовлетворяющих условию U -=

=-U а через. разделительные конденсаторы 20 — к двум входам дифференциального входного каскада электронного блока системы самовозбуждения, который шунтирован подстроечными сопротивлениями 21, которое служит для,тонкой регулировки угла сдвига фазы в контуре самовозбуждения.

Разделительные конденсаторы служат для предохранения выходов и входов электронного блока от попадания на них относительно высоких постоянных напряжений U, U< и UZ o источников постоянных смещений. Высокоомные сопротивления попарно равны между собою. Величина этих сопротивлений выбирается таким образом, чтобы постоянная времени RC-цепочки, образованной данным сопротивлением и подключенным к нему электродом, превышала полупериод свободных колебаний упругих пластин в вакууме. . При такой конструкции датчика обе упругих пластины колеблются в противофазе с одной и той же,.частотой, которая зависит ст измеряемого давления, подводимого к трем пневмокамерам, имеющим вид щелевых зазоров (один зазор — между внутренними поверхностями двух смежных пластин, а два других — между внешними поверхностями этих пластин и обращенными к ним поверхностями газонепроницаемых экранов). Величина о этих щелевых зазоров — пневмока-, мер, при которой их постоянные времени превышают полупериод колебаний, определяется соотношением с

М О гдето„,а„- максимально допустимая вели чина зазора;

h R †.разность между радиусами внешнего и внутреннего контуров активной (колеблющейся) части упругих пластин; кинематическая вязкость газа в зазорах; частота свободных колебаний упругих пластин в вакууме;

798523 чивая тем самым незатухающие колебания упругих пластин.

Частота этих колебаний близка к собственной частоте f -:.изшей формы собственных антифазных колебаний упругих пластин, которая определяется формулой, аналогичной формуле (1) С вЂ” скорость звука в газе, заполняющем зазоры;

К вЂ” безразмерный числовой коэффициент (1 К 6 3) .

Поскольку обе пластины одинаковы и колеблются в противофазе, все возникающие в колебательной системе инер,ционные силы взаимно уравновешиваются, система получается динамически сбалансированн .", а ее внешние силовые реакции оказываются равными нулю. Благодаря этому энергия коле-. где о бательной системы не рассеивается во внешнюю по отношению к датчику среду и добротность его может быть сделана достаточно высокой. P

В совокупности с системой само- К возбуждения предлагаемый датчик обР разует электропневмомеханическую P автоколебательную систему, частота которой близка к собственной ча- h стоте низшей формы антифазных сво- Щ бодных колебаний упругих пластин, а входящих в состав упругой колебательной системы датчика наряду с контролируемой газовой средой, заполняющей три щелевых зазора, а р5 именно — зазор между дВумя пластинами (фиксированный средней калибровочной шайбой) и два зазора между пластинами и экранами (фиксированные двумя крайними калибровочными шайбами).

2 2

+ о рс, 1 Л Л

Q Оо О, — + — р (4) где 2ао — величина зазора между пластинами; ал — величина зазора между пластиной и экраном.

Как следует из формулы (3), квадрат частоты f колебаний пневмомеханической упругой системы датчика линейно зависит от измеряемого давления P. Это объясняется тем, что эквивалентная жесткость упругой системы датчика зависит не только от параметров самих упругих пластин, но и от упругости газа, заполняющего щеле-ь вые зазоры, ограничиваемые поверхностями этих пластин, и находящегося с указанными поверхностями в непосредственном контакте. При условии, что постоянная времени процесса изменения массы газа в щелевых зазорах, ограничиваемых поверхностями упругих пластин, превышает полупериод их свободных колебаний (это достигается выбором достаточно малой величины зазоров в соответствии с соотношением (2), газ в этих зазорах ведет себя так, как будто он заключен в герметических камерах. При этом вклад в эквивалентную жесткость упругой системы датчика, обусловленный наличием газа в щелевых зазорах, ограничиваемых поверхностями упругих пластин, оказывается пропорциональным давлению. P этого газа, что и обусловливает линейную зависимость квадрата частоты колебаний упругой системы от измеряемого давления Р.

Предлагаемый частотный датчик давления позволяет уменьшить габариты и существенно повысить точность измерений за счет уменьшения погрешноСистема возбуждения колебаний пневмомеханической упругой системы датчика образована двумя зеркально симметричными электродами (на фиг. 5 левая пара электродов), размещенными над внешними поверхностями . упругих пластин. При подаче на эти электроды переменного электрического напряжения с выхода электронного 4О блока системы самовозбуждения они создают зеркально симметричную систему распределенных возбуждающих сил, направленных перпендикулярно к поверхностям упругих пластин и 45 пульсирующих с частотой изменения переменного питающего напряжения. указанные силы вызывают раскачку низшей формы антифазных колебаний пневмомеханической упругой системы ур датчика. При этом на других двух электродах — электродах системы съема (на фиг. 5 — правая пара) возникает электрический сигнал, частота которого равна, а амплитуда пропорциональна соответственно частоте и амплитуде механических колебаний упругих пластин. Этот сигнал поступает (через разделительные конденсаторы) на входы дифференциального входного каскада электронного блока системы са- 40 мовозбуждения. С выхода этого блока усиленный сигнал вновь подается (через разделительные конденсаторы) на пару возбуждающих электродов, заыя» кая контур самовозбуждения и обеспе 6S частота низшей Формы свободных колебаний упругих пластин, при давлении близким к нулю; измеряемое давление; безразмерный числовой коэффициент; массовая плотность материала упругой пластины; толщина активного участка упругой пластины; величина эквивалентного зазора, определяемая из соотношения

798.523, отей, связанных с несбалансированностью- колебательной системы.

Формула изобретения

Частотный датчик давления, содержащий колебательную систему с электродами возбуждения;и съема, плоские гаэонепроницаемые экраны и источник возбуждения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения габаритов„ колебательная система выполнена в виде двух упругих, пластин, зеркально симметрично расположенных между экранами, причем электроды обращены к внешним поверхностям упругих пластин и подключены к общему источнику воэбужде5 ния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2430018/10, кл. G 01 L 11/00, 31.12.76.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 228992, кл. G 01 L 11/00, 1966.

798523

Составитель Л.Кочураев

Редаитор С.Патр йЖва . Техред М.Табакович

Корректор: М. Коста

Подписное

Заказ 0009 0 Тираж 918

ВКИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб ., д. 4/5 .Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,