Дифференциальный датчик давления с частотным выходом

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ ЕСПУБЛИК 4 А 1 174 1. 9/ Госудд ственный комитетПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ МУ СВИДЕТЕЛЬС(21) 4773060/10(22) 25.12,69 (46) 23.07,92, Бюл, Ь 27 (71) Всесоюзный научно-исследовательский технологический институт энергетического мааиностроения (72) А; В, Сударев, И. К, Шитов и 6. О. Ира- (86) Авторское свидетельство СССР Ь 530209, кл. 6 01 1. 9/08, 1975,Авторское свидетельство СССР М 667838, кл, О 01 1. 9/08; 1979. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как составная часть информационно-измерительной системы с частотной формой предт ставления сигнала. Цель изобретения - повышение точности измерения максимальной величины давлейия. В корпусе 1 с двумя подводящими штуцерами установлены два упругих силопередающих элемента, выполненных в виде трубок 2, установленных соосно с одним концом закрепленных на штуцере, а другим - на нейтральном жестком элементе, выполненном в виде кольца 3. Один конец каждого пьезорезонатора 4 и 5 закреплен на корйусе 1, а другой - на кольце 3. Рабочие оси пьезорезонаторов повернуты относительно оси трубок на 450. Под действием разности давлений кольцо 3 деформирует пьезорезонаторы 4 и 5, При деформации пьезоэлементов изменяются их упругие константы и соответственно из- Я меняются частоты генерации акустоэлектронныл лреоорввоввтелее о и 7, 2 ил.ЩИзобретение относится к измерению Эта цель достигается тем, что в диффедавлений жидких и газообразных сред и мо- ренциальном датчике давления с частотнымжет быть йспользовайо как составная часть выходом, содержащем корпус с двумя подинформационно-измерительной системы с: водящими штуцерзми, два упругих силопечастотной формой представления сигнала, 5 редающих элемента и две парыВ современных газотурбинныхдвигате- пьезорезонаторов, расположенные по вэалях(ГТД)требуетсяизмерятьперепадыдзв- имно перпендйкулярных плоскостях, прилений в диапазоне амплитуд 0,01-10 Па и этомкаждый изпьеэореэонаторовпервымкончастот 0-15 кГц. цом закреплен на центральном жесткомОднако, несмотря нз высокую чувстви элементе, упругие силопередающие элетельность и широкий амплитудно-частот- менты выполнены в виде трубок, установный диапазон, пьезоэлектрические датчики ленных соосйо и одним концомсаналоговым выходом не обеспечивают из- закрепленных на штуцере, а другим - намерения статических и медлейно изменяю- центральном жестком элементе, выполненщихся во времени давлений, 15 ном в виде кольца, при этом второй конецЭтот недостаток устранен в пьезоэлек- каждого йьезорезонатора закреплен на кортрическихдатчиках, работающих на прин- пусе, а их рабочие оси повернуты относиципеакустоэлектронногорезонанса, тельно оси трубок на угол 45 О, причемНаиболее близким по технической сущ- жесткость каждого пьезореэонэтора и жесности является датчик давления с частот ткость трубки выбираются из соотношенияным выходом, содержащий корпус, в Сп 0,1 Ст 1котором во взаимно перпендикулярных где Сп-жесткостьпьезорезонатора;плоскостях закреплены упругие силопере- Ст - жесткость трубки,дающие элементы, состоящие из мембраныВ отличие от известного датчика жести шаровых опор, и чувствительный элемент 25 кости силопередающих элементов и жестков виде кольца с расположеййймй бнутри сти пьезорезонаторов включенынегодвумя парами пьезорезонаторов. Коль- параллельно относйтельно корпуса и центцо поджато с помощью мембраны ишаро- рзльного узла, а не последовательно, Привых опар, Пьезорезонэторы рвсйоложеныпараллельном включении жесткости отдельво взаимноперпендикулярных плоскостяхи 30 ных элементов суммируются, в то время каквключены по дифференциальной схеме,при последовательном включении результиДатчик имеет; выСокую чувстВйгель- рующая жесткость меньше жесткости самоность и стабильность; а налйчие частотно- го податливого элемента. Увеличениемодулированного сигнала упрощает его результирующей жесткости датчика привосогласование с информационно-измери дит к повышению собственной частоты ительной системой ;соответственно к повышению точности изОднако йоследовательное Соединение мерения давления,Усилопередэющего и чувствительйого эле-Известен упругий силопередзющийментов, а также наличие мембраны и шаро- элемент, выполненный в форме прямоугольвых опор сужает амплитудно-частотный 40 ной трубчатой пружины, имеющей глухоедиапазон датчика, что приводит к погреа-Отверстие и предназначенной для полученостям при измерении кэк постоянных, так йия изгибающего момента, действующегои переменных во времени давлений на чувствительный элемент.Известно, что высокая частота собст- В предлагаемомдзтчикетрубчатая прувеннйх колебаний может быть получена 48 жина снабжена упругим кольцом, котороетолько в том случае, когда между прижаты- установлено в рассечке по центру пружины.ми одна к другой поверхностями отсутству- При этом измеряемое давление приложеноет воздушная прослойка, что достигается непосредствейно к упругому кольцу, котодовольнб сильным поджатием мембраны; рое создает напряженно-деформированноеОсйовным недостатком предвэритель состояние одновременное пьезоэлементах; но напряженных мембран является нели- итрубчатой пружине,нейность, ограничивающая динамический В данном случае помимо известныхдиапэзои измерения давления и делающаясвойств, присущих рассматриваемым придатчик низкочастотным, что не позволяет знакам, имеет место создание и совокуписпользовзть известный датчик давления в 88 ность таких условий, которые приводят ксистеме автоматического регулирования возникновению у этих признаков новыхГТД. свойств,Цель изобретения - повйаение точно- Твк, при выборе жесткости С трубчатойстиизмерениямэксимальнойвеличиныдэв- пружины Сз0,1 с 1, где С 1 - жесткость,ления,5 10 20 30 35 появится сигнал удвоенной частоты девиации, который пропорцйонален перепаду давления ЬР 40 45 50 пьеэопластин, ее влиянием на собственнуючастоту датчика практически можно пренебречь. При этом полезная часть от полнойсилы Р составляетР 1 1- 0,951+ -2 С 1где Е 1 - сила, приложенная к пьезореэонаторам;С 1 - жесткость пьезопластины;С 2 - жесткость трубчатой пружины.Поскольку отношение С 2/2 С 1 сохраняет постоянную величину во всем диапазонеизмеряемого давления, линейность датчикаопределяется линейностью деформации .1пьезопластин, которая сохраняется в пределах прочности кристалла.При этом давление измеряемой средыоказывается приложенным не к трубчатойпружине, а к упругому кольцу. Благодаряпараллельному соединению жесткостейтрубчатой пружины и пьезопластин роль упругого элемента выполняют непосредственно пьеэопластины, в то время как трубчатаяпружина играет теперь роль демпфера собственных колебаний датчика,На фиг. 1 показан предлагаемый датчик,разрез; на фиг. 2 - блок-схема датчика,Датчик (фиг. 1) содержит корпус 1, линейно-деформируемую трубчатую пружину2, в рассечке пружины по центруустановлено упругое кольцо 3, Между корпусом 1 икольцом 3 жестко закреплены например, спомощью эпоксидного компаунда) пьезокварцевые элементы 4 и 5, установленные вовзаимно перпендикулярных плоскостях.(Для обеспечения дифференциальной балансной схемы измерения им придана конструктивная симметрия путем поворота на. угол 45 относительно оси трубчатой пружины), При любом другом угле поворота пластин их конструктивная симметрия будетнарушена. Вдоль продольной оси пьезоэлементов установлены акустоэлектронныепреобразователи, состоящие из передающих 6 и приемных 7 встроечно-штыреаыхпреобразователей.Встроечно-штыревые преобразователи6 и 7 (фиг. 2) соединены через усилитель 8 иобразуют с ним генератор поверхностныхакустических волн. Входы генераторов, установленных на пьезоэлементах 4, подключены к смесителю 9, а на пьезоэлементах 5- к смесителю 10, Выходы смесителей 9 и 10подключены к входам сумматора 11 частоты,Для достижения максимально высокойдобротности и стабильности пьезоэлементов во времени они установлены в герметичном корпусе, внутренняя полость котороговакуумирована,Датчик давления работает следующимобразом. Акустоэлектронные преобразователи 6 и 7 работают в автогенераторном режиме. При этом поверхностные акустические волны распространяются от передающего 6 к приемному 7 преобразователю вдоль оси пьезоэлемента. При отсутствии перепада давления на дифференциальном входе датчика частоты колебания генераторов на пьезоэлементах 4 и 5 равны и девиация частоты на выходе сумматора 11 отсутствует. При действии перепада давления ЬР=Р 1 - Р 2 к упругому кольцу приложено из быточное давление, которое деформирует пьезоэлементы 4 и 5, При деформации пьезоэлементов изменяются их упругие константы и соответственно уменьшаются частоты генерации акустоэлектронных преобразователей.При давлении Р 1 Р 2 пьезоэлементы 4 растягиваются, а пьезоэлементы 5 сжимаются усилием, создаваемым вних давлением упругого кольца 3. Наоборот, при давлении Р 2 Р 1 пьезоэлементы 4 будут сжиматься, а пьезоэлементы 5 - растягиваться. В результате под действием переменного давления резонансные частоты акустоэлектронных преобразователей на элементах 4 и 5 изменяется в силу симметрии конструкции одинаково, но с противоположными знаками девиации. На выходе сумматора 11 Взаимное влияние акустоэлектронных генераторов исключено благодаря наличию воздушного промежутка в центре упругого кольца. Влияние температуры, вибраций, магнитных полей и других внешних воздействий на датчик сведено к минимуму а силу симметрии конструкции и включения авто- генераторов по дифференциальной балансной схеме.При измерении давлений в широком диапазоне температур упругое кольцо 3 может быть выполнено из термоупругого материала, например сапфира,Предлагаемый датчик обладает более высокой чувствительностью и разрешающей способностью к измеряемому давлению за счет увеличения длины пьезоэлементов(в тех же габаритах датчика) и соответственно максимально возможного увеличения базы между передающим 6 и приемным 1 преобразователями,При этом жесткость любого элемента впределах упругой деформации не зависит отвеличины приложенной нагрузки. Однакоизготовление силопередающего элемента сжесткостью Сп, соизмеримой с суммарной 5жесткостью пьезорезонаторов, может привести к заметной потере чувствительностидатчика,Уменьшение величины полезного сигнала за счет влияния жесткостью Сп силопередающего элемента можно определить поформуле1 рй Ср 15где 6 - сигнал датчика. при СП=О.Даже если принять, что при измененииизмеряемого давления от нуля до верхнегопредела отношение жесткостей не будет сохранять постоянную величину, то в соответствии с требованиями ГОСТ нелинейностьвыходного сигнала по частоте не должнабыть более 4,С учетом этого требования отношениеКСп/ИСр в формуле составит 0,04, Отсюда Сп 0,1 Ср. При этом условии максимально возможная нелинейностьвыходного сигнала за счет изменения отношения жесткостей Сп/Ср не выйдет за пределы 4. 30Чувствительность акустоэлектронногопреобразователя прямо пропорциональнарасстоянию между его электродами. Следовательно, линейность датчика давлений может быть увеличена в сторону малых З 5амплитуд- за счет увеличения длины пьезоэлемента, а в сторону больших амплитуд -увеличением их жесткости. Динамический диапазон датчика определяется максимальной деформацией, выдерживаемой кристаллом, и минимальной деформацией, которая вызывает надежно измеряемую девиацию частоты. С учетом стабильности акустозлектронного преобразователя (10 в) и максимально 4 допустимой деформации пьезоэлемента(10 ) динамический диапазон датчика составляет Д =10, что позволяет перекрыть весь диапазон давлений в ГТД,Формула изобретенияДифференциальный датчик давления счастотным выходом, содержащий корпус сдвумя подводящими штуцерами, два упругих силопередающих элемента и две парыпьезорезонаторов, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях, приэтом каждый из пьезорезонаторов первымконцом закреплен на центральном жесткомэлементе, о гл ича ю щи йс ятем, что,сцелью повышения точности измерения мак- .симальной величины давления, в нем упру- .гие силопередающие элементы выполненыв виде трубок, установленных соосно с одним концом закрепленных на штуцере, адругим- на центральном жестком элементе,выйолненном в виде кольца, при этом второй конец каждого пьеэорезонатора закреплен на корпусе, а их рабочие осиповернуты относительно оси трубок нв угол450, причем жесткость каждого пьезорезонатора и жесткость трубки выбираются изсоотношенияСд0,1 Ст,где .Сп - жесткость пьеворезонатора; Ст -жесткость трубки.1749734 6 8 ель Г;ЛебедМоргентал Корректор Н.Кор СоставТехред М Редактор Н.Козориз изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Заказ 2588 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/б