Датчик давления с частотным выходом

(51)М. Кл. а 011 11/00 Государственный аомнтет СССР но делам нзобретеннй н открытнйЮ Л. НестеренкоМ" " -г,. ь:аОпытное конструкторско-технологическое бюро,КристаллЛенинградского технологического института иьЛенсОЖе 1 т 4 ЕЫЛ(54). ДаТЧИК Д 13 ЛЕНИЯ С ЧйСТОТНЬПЧ ВЫХОДОМ Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и предназначено для измерения давле" ний газовыхсред как в широком диапазоне так и в области высоких давлений.Известны датчики давления, содержащие колебательную систему в виде мембраны, закрепленной по окружности внутри корпуса и расположенной между двумя электродами, один из которых служит для возбуждения а другой - для приема колебаний мембраны 111. Широкий диапазон работы указанного преобразователя достигается исключе15 нием колебаний мембраны во второй моде с помощью выбора необходимого . соотношения между размерами мембраны и электродов или изготовлением электродов специальной Формы.Однако исключение колебаний мембраны только во второй моде не поэ воляет существенно расширить диапазон измеряемых давлений, особенно верхнюю его границу. 25.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик давления с частотным выходом (2),содержащий систему самовозбуждения в виде широкополосного усилителя,в цепь положительной обратной связикоторого включена колебательная система в виде плоской эластичной мембраны, разделчющей внутренний объемдатчика на две симметричные рабочиекамеры, сообщающиеся с измеряемой.газовой средой посредством двух капилляров, постоянная времени которыхна порядок больше полупериода колебаний, Мембрана датчика расположенамежду двумя неподвижными электродаж образующими совместно с неюэлектростатические преобразователи,для возбуждения и приема колебаний.недостатками известного датчикаявляются нелинейность зависимостиквадрата частоты датчикаот измеряемого давления, что ограничивает диапазон измерения, а также низкая добротность колебательной системы,Целью изобретения является обеспечение измерения высоких и сверхвысоких давлений и повышение точности измерений в широком диапазонедавлений,Это достигается тем, что в предлагаемом датчике колебательная система выполнена в виде жесткой пластины, укрепленной между отрезкамисильфонов, которые образуют боковыестенки рабочих камер, при этом стенки камер, противолежащие пластине,эквидистантны (параллельны) ее поверхностям,а постоянная временисистемы входной канал - рабочаякамера на порядок и более выше15полупериода колебаний,Выполнение колебательной системыв виде жесткой пластины, укрепленноймежду сильфонами, которые образуютбоковые стенки рабочих камер, а также эквидистантность стенок камер,противолежащих пластине, ее поверхностям, обеспечивает одномерное сжатие-разряжение газовой среды в рабочих камерах под действием колебаний15жесткой пластины (в направлении ееколебаний) .Очевидно,что при одномерном сжатии - разряжении не происходит радиальных перемещений газовой среды врабочих камерах, что обеспечивает вы"-сокую добротность колебательной систе- мы за счет исключения потерь энергии,обусловленных сдвиговой вязкостьюгаза, а также резко снижает возможность возникновения побочных акустических радиальных резонансов. Отсутствие последних существенно улучшаетлинейность зависимости квадрата часто"ты датчика от измеряемого давления 30в области высоких и сверхвысоких давлений,Кроме того, предлагаемое выполнениеколебательной системы соответству-ет одиночному осциллятору, имеющему 35единственную резонансную частотуколебаний, что повышает линейностьзависимости квадрата частоты датчикаот измеряемого давления в широком(практически неограниченном) диапазоне давлений,Ограничение постоянной времени системы входной канал-рабочая камера величиной не менее, чем на порядок выше полупериодаколебаний, обеспечивает практическое отсутствие изменения массы газовой среды в каждой рабочей камере датчика за время одного колебания. Таким образом, колебания происходят как и при полностью герметизированных рабочих камерах.Ча чертеже изображен описываемый датчик., содержащий колебательную систему, включающую в себя жесткую Я (негибкую) пластину 1, отрезки силь- фонов 2, радиальные упругие растяжки 3, рабочие камеры 4, перегородки 5, концентрические выступы 6 и 7, корпус 8, входные каналы 9, кольцевые элек- ц) троды 10, изоляторы 11, гермовводы 12, проводники 13, систему самовоэбуждения 14 и входные патрубки 15.Жесткая пластина 1 укреплена между сильфонами 2, которые образуют боковые стенки рабочих камер 4, Торцовые стенки рабочих камер 4 образо-ваны корпусом 8, поверхности которого в области, охватываемой сильфонами 2, эквидистантны поверхностям пластины 1. Пластина 1 дополнительно укреплена в корпусе 8 радиальными упругими растяжками 3 предотвращающими смещение пластины 1 в ее плоскости, а также повышающими устойчивость конструкции при воздействии перегрузок и вибраций. Рабочие камеры 4 соединены с измеряемой средой входными каналами 9, которые выполнены либо в ниде узких отверстий (капилляров), либо в виде узких щелей. Постоянная времени системы входной канал-рабочая камера на порядок и более превышает время полупериода колебаний. Пластина 1, сильфоны 2 и рабочие камеры 4 образуют колебательную систему датчика.Для повышения равномерности сжатий - разряжений газа и снижения волновых явлений в рабочих камерах при работе в широком диапазоне частот в камерах 4 дополнительно установлены перегородки 5, имеющие в центральной части отверстия, при этом перегородки закреплены между звеньями сильфонов 2, Кроме того, на торцовые поверхности камер 4 и на поверхностях перегородок 5 установлены концентрические выступы 7,6, которые предназначены для исключения возможности возникновения побочных акустических резонансов в рабочих " камерах. Эти резонансы могут возникнуть в реальных конструкциях4датчиков за счет технологического разброса деталей и неточности сборки.Неподвижные кольцевые электроды10 с помощью изоляторов 11 укреплены в корпусе 8 датчика. Электроды10 совместно с жесткой пластиной 1образуют электростатические преобразователи системы самовозбуждения 14 и служат для возбуждения и приемаколебаний пластины 1. Связь электро" дов 10 с системой самовоэбуждения14 осуществляется с помощью проводников и гермовводов (герморазъемов) 12.Объем, образованный сильфонами2 и корпусом 8, в котором установлены электростатические преобразователи, герметизирован и в нем созданвакуум. Входные каналы 9 соединеныс измеряемой средой посредством входных патрубков 15.Работа датчика происходит следующим образом С помощью электродов10 системы возбуждения 14 возбуждаются колебания пластины 1 в направлении, перпендикулярном ее плоскбстина резонансной частоте, значение(ю мэкюгде 6 с- упругость сильфонов 2 и растяжек 31 56- упругость рабочих камер 4;М - полная масса колебательнойЭВсистемы, которая включаетмассу пластин 1 и эффективную(приведенную) массу сияьфонов 102, перегородок 5 и конпент"рических выступов 7 и 6 наперегородках 5.Упругость рабочих камер 4 (без учета термодинамических потерь энер гии колебаний) определяется формулой: Формула изобретения 6= 23Р 52 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1 . Патент США Р 3620083, кл.73398, 1971,2, Авторское свидетельство СССР9 228992, кл.0 01 Ь 11/00, 1967. которой определяется следующим выражениеме +а/ где- отношение газовых теплоем- Щкостей;Р - измеряемое давление;Я - площадь, по которой происходит сжатие . - разряжения газа в камерах (площадь экви-, 25валентного поршня);Ч - объем рабочей камеры.При изменении измеряемого давления Р происходит изменение резонансной частоты колебательной системы, Частотный сигнал на выходе системы самовозбуждения поступает для дальнейшей обработки на функциональный частотомер или ЦВМ.Благодаря вакуумированию электростатической системы возбуждения и приема колебаний, последняя характеризуется высокой надежностью при воздействии агрессивных и загряз" ненных сред, а также при термических воздействиях, Кроме того, предлагае" мая конструкция имеет малые потери на вязкое трение.ОсноВным достоинством предлагаемой конструкции является воэможность ее применения для измерения как малых 45 давлений, так и высоких и сверхвысоких давлений, достигающих значения сотен и тысяч атмосфер, при этом соответствие колебательной системы одиночному осцилятору значительно 50 повышает точность измерения,Область применения датчика может быть самой разнообразной - от измерений давлений в лабораторных условиях до измерений давлений в камерах ракетных двигателей. 1. Датчик давления с частотнымвыходом, содержащий колебательнуюсистему разцеляющую корпус на дверабочие камеры, соединенные входными каналами с источником контролируемого давления, и систему самовозбуждения с электрическими преобразователями, подключенными к колеба-тельной системе, о т л и ч а ю щ и йс я тей, что, с целью повышения точности измерений и расширения рабочего диапазона, колебательная системавыполнена в виде жесткой пластины,которая укреплена между снльфонамн,образующими боковые стенки рабочихкамер, а стенки корпуса в камерах,противолежащие пластине, эквидистантны ее поверхностям, при этом система входной канал-рабочая камеравыполнена с постоянной времени не .менее, чем на порядок превышающейполупериод колебаний,2. Датчик по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что жесткая пластинас торцов прикреплена к корпусу упругими растяжками.3. Датчик по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что на эквидистантных поверхностях пластины или камервыполнены кольцевые выступы, высотойменьше высоты рабочих камер на величину, превышающую амплитуду колебаний пластины.4, Датчик по п.1 о т л и ч а ю"щ и й с я тем, что электромеханические преобразователи расположеныу периферийных участков пластины,выступающих из рабочих камер в герметизованный объем корпуса.5. Датчик по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в рабочих каме"рах эквидистантно поверхностям пластины установлены дополнительныеперегородки с отверстиями, укрепленные на внутренних поверхностях сильфонов.б 91705 оставитель И.Невскийехред МЛелемеш Корректо рновская .С.Хейфиц е ПодписиСССР аказ 6203/31 Тираж 1090ЦЯИИПИ Государственного комитетапо делам изобретений и открыти113035, Москва, Ж, Раушская наб