Датчик давления с частотмым выходом

) Автор изобрет аявитедь ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ОДО Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, предназначено для точного измерения давления газовых сред и может быть использовано в тех областях техники, где требуются высокая точность измерения давлений, малые габариты и вес, а также необходимость эксплуатации в условиях воздействия виброперегрузок, ударов и линейных ускорений 1.10Известен датчик давления с частотным выходом, содержащий систему само- возбуждения в виде широкополосного усилителя, в цепь положительной обратной связи которого включена колебательная15 система в виде плоской эластичной мембраны, разделяющей внутренний обьем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой газовой средой посредством двух капилляров, постоянная времени которых на порядОк выше полупериода колебаний.Мембрана датчика расположена между двумя неподвижными электродами, обрезующими совместно с нею электростатические преобразователи возбуждения и .приема колебаний 2.Недостатками известного технического решения являются нелинейность зависимости квадрата частоты датчика от измеряемого давления, ограниченный диапазон измерения, низкая добротность колебательной системы, температурная нестабильность, а также большая постоянная времени, приводящая к невозможности измерения быстроменяющихся давлений.Указанные недостатки обусловлены тем, что при колебаниях мембраны в рабочихкамерахдатчикавозникают периодические перемещения газовой среды, выравнивающие давление. При этом газовая среда испытывает вязкое трение, которое приводит к диссипедии энергии колебаниЯ и, как следствие этого, невысокой добротности колебательной систещю. На высоких частотах в камерах да%чика могут возбуждаться радиальные акустические резонансы уменьшающие эффективную упругость6 ОО 34 Зпэвышает чувствительцэсть датчика к измеряемому давпеццю.Неподвижные электроды 3 с пэмощьюпружинных шайб 4 и гаек 5 укреппеныв изэпяторах 6, кэтэрые устацэвпены вкорпусных деталях с цэмэшью устацовэчных вццтоа 7. Плоские пэверхцэсти электродэв 3 явпяются стенками внутреннегоэбьйма датчика и образуют с поверхнэстями мембраны щепевидцые рабочие зазоры и 8, при этом пэперечцый размер зазэров т- не превышает удвэеццой глубины проникновения вязкэй вэпны, т. е,Ограничение размеров зазоров в направпении кэпебаций мембраны позволяет практически полностью "затормозить ра- ЗО диальцые перемещения газовой среды поддействием кэпебпющейся мембраны, что, с одной сторэны, приводит к повышению упругих свойств рабочих зазэрэв, как газовых пружин, и возрастанию добротности З 5 копебатепьнэй системы, ас другой стороны, обеспечивает малую пэстоянцую времени заполнения зазоров измеряемой средой при изменении давления этой среды.Одновременно указанное ограничение размеров рабочих зазоров приводит к изэтермичцости периодических сжатий - разряжений газовой среды под действием колеблющейся мембраны, что обеспечивает независимость выходной частоты датчика от химического состава измеряемой газовой среды, Электроды 3 выпэпнецы из материала, отличающегося от материала копьцевых элементов температурным коэффициентом расширения, при этом их толщина (размер между плоскостями, обращенными к мембране и прилегающими к )зэпятэру) опредепяется расчетной формуп ой: 3рабочих камер, запэпцеццых газом, црцэтом зависимость частоты датчика этизмеряемэгэ давления вблизи частот радиальных резэнансэв носит резко нелинейный характер, чтэ эграцичцвает диапазон измеряемых давлений. Сба отмеченных явления в значительной мере зависят эт температуры, чтэ, в свою очередь, приводит к нелицейнэй пэ диапазону темйературнэй пэгрешности измеряния давпений. Крэме того, при измеренималых давпений эпастичная мембрана дачика кэпебпется с низкой частотой, Зтэобстэятепьствэ затрудняет проведение измерений, ограничивает рабэчий диапазон 15:в области низких давпений и не пэзвэпяет,применять датчик при измерении быстрэменяющнхся давлений.Целью изобретения явпяется повыше; ние точности измерения давления в широком 20диапазоне, а также обеспечение сочетаниянизкого порога чувствительности и быстродействия с возможностью эксплуатациив сложных условиях, например, в успэвиях вибраций и пинейных перегрузок,Указанная цепь достигается за счеттого, что стенки внутреннего обьема датчика, противолежащие мембране, образуют с поверхностями мембраны щепевидные рабочие зазоры, при этом поперечный размер рабочих зазорэв не превышает удвоенной глубины проникновениявязкой водны, Кроме того, с целью повышения температурнэй стабильности частоты выходнэго сигнала детапцобразуощие рабочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурнымикоэффициентами расширения, а их геометрические размеры определяются расчетным путем.На фиЯ 1 изображен чувствитепьцыйэлемент; на фиг, 2 - схема его подключения к системе самэвозбуждеция датчика,Мембрана 1 выпопнеца из материалас высоким пределом текучести, напримериз сппава МРВП, предварительно натянута по окружности и закреппена междукорпусными деталями 2, например, свар-.кой, Применение указанного материалапозволяет осуществить сильное натяжениемембраны и расширить частотные интервалы между собственными резонанснымимодами колеблющейся мембраны, что ис 55кпючает их впияние друг на друга в ши,роком диапазоне частот. При этом применение тонкой мембраны с малой величиной поверхностной плотности существенно б -поперечный размер рабэче- Гго зазора"-толщина электрода;Д -размер рабочего зазора приноминальной температуре;ДК И (13 - температурные коэффициентырасширения материалов корпусных деталей и электродовсоответственно:0 -температурный коэффициентквадрата выходной частотыдатчика, обусловленный не Оидеальностью упругих свойстврабочих зазоров эа счеттермодинамических потерь нанеобратимое сжатие газа приколебаниях мембраны. 15Пружинные шайбы 4 компенсируют несоответствие температурных коэффициентов расширения материалов электродов 3 и изоляторов 6 в направлении колебаний мембраны, а различие в темпе ратурных коэффициентах расширения материалов электродов 3 и корпусных де- талей 2 создает заданные температурные колебания рабочих зазоров 8, компенсирующих температурный коэффициент выходной частоты датчика.Чувствительный элемент, представленный на фиг. 1, может бьггь помешен в герметичный корпус, снабженный штуцером цля соединения с источником изме 30 ряемого давления и электрическими герморазъемами для подключения электродов 3 к системе самовозбуждения в соответствии с фиг. 2,Один из электродов 3 (приемный35 электрод) чувствительного элемента через разделительный конденсатор 9 подключен к предусилителю 10, имеющему высокое входное сопротивление, выход которого подсоединен к дифференцируюшему усилителю 11, содержашему цепь автоматической регулировки усиления. Выход усилителя 11 через разделительный конденсатор 12 подключен к другому45 (возбуждающему) электроду 3 чувствительного элемента. Блок питания 13 обеспечивает подачу поляризуюших напряжений на приемный и возбуждаюший электроды 3 через резисторы 14 и 15, а0 гакже подает напряжения питанйя на предусилитель 10 и усилитель 11, Конденсатор 16 служит для электрической развязки по переменному току приемного и возбуждающего электродов 3.55Чувствительный элемент совместно с предусилителем 10, усилителем 11 и кон, денсаторами 9 и 12 образует измерительный автогекератор. 6Работа датчика происходит следуюшимобразом,При подаче напряжений питания происходит самовозбужцение схемы на частоте собственных колебаний чувствительного элемента. При этом переменный сигнал с приемного электрода 3 поступаетна предусилитель 10 через разделительный конденсатор 9 и затем на усилитель11, где усиливается с поворотом фазыона +90, что необходимо для обеспеченияусловий самовозбуждения автогенератора. С выхода усилителя 11 сигнал поступает через разделительный конденсатор 12 на возбуждающий электрод 3чувствительного элемента и возбуждаетколебания мембраны 1. Цепь автоматической регулировки усиления в усилителе 11 обеспечивает генерирование электрических колебаний, амплитуда которыхпостоянна и лежит в пределах динамического диапазона усилителя 11.При изменении давления измеряемойгазовой среды, которая заполняет рабочие зазоры 8 через пространство междукорпусными деталями 2, изоляторами 6,электродами 3 и установочными винтами 7, происходит соответствующее изменение упругости рабочих зазоров 8,что приводит к изменению собственнойрезонансной частоты колебаний мембраны 1 датчика и, соответственно, частоты выходного сигнала измерительногоавтогенератора.Выходной сигнал снимается с выходаусилителя 11, а его частота определяется следующим выражением: резонансная частота мембраны в вакууме;,-плошадь рабочего зазора (электрода);Я -плошадь мембраны;1 -поверхностная плотностьмембраны;3-измеряемое давление, Ц, -поперечный размер рабочего зазора (в направлении колебаний мембраны);0 - температурный коэффициент квадрата частоты; Ь 8 -отклонение рабочей690345 8 Ф ормул а изобретения 1. Датчик давления с частотным выходом, содержащий систему самэвозбуждения и колебательную систему в виде плоской мембраны, расположенной во внутреннем объеме датчика, сообщающемся с измеряемой газовой средой, о т л и О ч а ю щ и й с я тем, что, с целью по-вышения точности в широком диапазоне, стенки внутреннего объема, противолежащие мембране, образуют с поверхностями мембраны щелевидные рабочиэ зазоры, 15 при этом поперечный размер рабочих зазоров не превышает удвоенной глубины проникновения вязкой волны и определяется по формуле: что приводит к компенсации температурного коэффициента ( Ь ) квадрата частоты выходного сигнала датчика.Предлагаемый датчик имеет практичес Ки линейную функциональную зависимость Квадрата частоты эт измеряемого давленияДиапазон измеряемых давлений датчика характеризуется значениями от 102 О 10 мм рт. ст. до нескольких атмосфер. Погрешность измерения не превышает 0,1-0,10% и пропорциональна измеряемому давлению. Линейная зависимость Квадрата частоты датчика от давления позволяет сравнительно просто производить обработку частотного сигнала на циф ровых вычислительных машинах, однако наиболее перспективным является использование предлагаемого частотного датЧика совместно с функциональным частотомером, снабженным цифровым индикатором для непосредственного считывания результата измерения, либо имеющим кодовый выход для регистрации результата35 измерения с помощью цифропечатающих устройств. Такие цифровые манометры, сочетающие в себе универсальность, точность, надежность, широкий динамический диапазон, нсзкий порог чувствительности и т, д., необходимы во многих отраслях науки и техники и найдут самое широкое применение. температуры от номинального значения.При изменении рабочей температуры чувствительного элемента датчика изменяется размер рабочего зазэра Д. в соответствии с выражением: где С -поперечный размер рабэчегозазора;-динамический коэффициентвязкости газовой среды;У -плотность газовой среды;Ы -круговая частота.2, Датчик по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения температурной стабильности частотывыходного сигналадетали, образующие рабочие зазоры, выполнены из материаловс различными температурными коэффициентами расширения,Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Патент США3620083,кл. 73-398, 1970.2. Авторское свидетельствоЬ 228992, кл, б 01 Ь 11/00, 1966.Ш Заказ 5953/39 Тираж 1090 ЦНИИПИ Государственного ко по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Рау