Частотный датчик давления

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ С ОИЛЬСТВУСфюз Советскии Социалистическик Республик(22) Заявлено 091078 (21) 2672007/18-10 с присоединением заявки МУ Государственный квинтет СССР но делам нзобретеннй н открытнйДата опубликования описания 30. 01. 81(54) ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ 10 Изобретение относится к контроль но-иэмерителжной технике и может найти применение в устройствах приборов для измерения давления.Известны частотные датчики давления с резонаторами в виде упругих пластин, в которых возбуждаются сложные динамически уравновешенные формы изгибных колебаний 11.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 эеркалжно симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с контроли- ф 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 Г собственных колебаний мембраны связана с измеряемым давлением Р соотношениемг Ркро ь(1)йгде 1 - частота собственных колебаний упругой системы датчикапри произвольном измеряемомдавленииГ в часто собственных колебаний0упругой системы датчика придавлении в рабочих камерахблизком к нулюР - измеряемое давление.;К - безразмерный числовой коэффициент (близкий к единице),значение которого уточняетсяв процессе тарировки датчика;" массовая плотностж материаламембраны;Ь - толщина мембраны;в " приведенная высота камеры датчика.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 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 45 НХТИ и т.п. Поскольку,именно калибровочные шайбы определяют величину зазоров, играющих 45 роль пневмокамер, толщина этих шайб выбирается с учетом соотношения (2), приведенного далее.При сборке датчика в его корпус ,закладываются последовательно: упор 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 ципиальную электрическую схему датчи. ка (см. Фиг. 5). Зеркально симметричные электроды системы возбуждения (на Фиг. 5 левая пара) через высокоомные сопротивления 14 подключены к источнику 15 постоянного смещения О а через разделительные конденсаторы 1 б - 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 О 2 удовлетворяющих условию О= =-О, 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 Оо, О и О 2 от источников постоянных смещений. Высокоомные сопротивления попарно равны между собою. Величина этих сопротивлений выбирается таким образом, чтобы постоянная времени ЙС-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 5 этих щелевых зазоров - пневмока-, мер, при которой их постоянные времени превышают полупериод колебаний, определяется соотношениемо сдД к(2)ь 1 огдето - максимально допустимая величина зазора;В в ,разность между радиусамивнешнего и внутреннего контуров активной ( колеблющейся) части упругих пластин;кинематическая вязкость газа в зазорах;частота свободных колебанийупругих пластин в вакууме;чивая тем самым незатухающие колебания упругих пластин.Частота этих колебаний близка к собственной частоте Г:.изшей формы собственных антифазных колебаний упругих пластин, которая определяется формулой, аналогичной формуле (1) С - скорость звука в газе, заполняющем зазоры;К - безразмерный числовой коэффициент (1 К й 3) .Поскольку обе пластины одинаковы и колеблются в противофазе, все возникающие в колебательной системе инер,ционные силы взаимно уравновешиваются, система получается динамически сбалансированнй, а ее внешние силовые реакции оказываются равными нулю. Благодаря этому энергия коле-. гдео бательной системы не рассеивается во внешнюю по отношению к датчику среду и добротность его может быть сделана достаточно высокой. РВ совокупности с системой само- . 15 К возбуждения предлагаемый датчик обР разует электропневмомеханическую Г автоколебательную систему, частота которой близка к собственной ча- и стоте низшей формы антифазных сво) бодных колебаний упругих пластин, а входящих в состав упругой колебательной системы датчика наряду с контролируемой газовой средой, заполняющей три щелевых зазора, а р 5 именно - зазор между дВумя пласти- нами (фиксированный средней калибровочной шайбой) и два зазора между пластинами и экранами (фиксированные двумя крайними калибровочными шайбами). 2 2Р о р,( 4 4а ао СФ = + 7 И) где 2 ао - величина зазора между пластинами;а - величина зазора между пластиной и экраном.Как следует из формулы (3), квадрат частоты 1 колебаний пневмомеханической упругой системы датчика линейно зависит от измеряемого давления Р. 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. Р 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 4 О 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 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 мовозбуждения. С выхода этого блока усиленный сигнал вновь подается (через разделительные конденсаторы) на пару возбуждающих электродов, заыя кая контур самовозбуждения и обеспе Я частота низшей формы свободных колебаний упругихпластин, при давлении близким к нулю;измеряемое давление;безразмерный числовой коэффициент;массовая плотность материала упругой пластины;толщина активного участкаупругой пластины;величина эквивалентного зазора, определяемая из соотношения798523, отей, связанных с несбалансированностью-колебательной системы.Формула изобретенияЧастотный датчик давления, содержащий колебательную систему с электродами возбуждения,и съема, плоские гаэонепроницаемые экраны и источник возбуждения, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения габаритов колебательная система выполнена в виде двух упругих,пластин, зеркально симметрично расположенных между экранами, причемэлектроды обращены к внешним поверхностям упругих пластин и подключены к общему источнику воэбужде-ния.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2430018/10,кл, 6 0111/00, 31.12.76.2. Авторское свидетельство СССРР 228992, кл. О 0111/00, 1966.798523 Составитель Л.КочураевРедактор С.ПатруьЫваТехред М,Табакович . Корректор:М.Кос аж 918 Подписноеенного комитета СССРений и открытий-35, Раушская наб:., д. 4/5 009 0 ТирВИИИПИ Государст по делам изобре 113035, Москва,ак илиал ППП Патент , г. Ужгород, ул. Проектная