Устройство для измерения давления

СОЮЗ ГОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУВЛИК 5 Ы 15 6011 9/ ЗОБ САНИ ЕНИ учно-исследовательрукторский институской кибернетикиЛалейкольство СССР9/08, 1982,езонансные датчики 6 Известн одержащие азователя, авление и олька для ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Централ ьн ый наский и ОпытнО-кОнстроботехники и техниче(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ(57) Использование: в технике измерения давления пьезорезонансными датчиками, преимущественно без демонтажа датчика с объекта. Цель - повышение чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений во всем диапазоне, Сущность изобретения; устройство содержит штуцер для подачи измеряемого давлеИзобретерения незлексти к пьезодавления,Известныдавления, в кобрэной давлепластинам и рзаряд нэ их рАгейкин Д.И,вания, ММ621). ие относится к технике измерических величин, в чэстнозлектрическим датчикам пьезоэлектрические датчики торых воспринимаемое мемние передается кварцевым егистрируется электрический абочих гранях (см. например, Датчики контроля и регулироашиностроение, 1965, с.б 18 также измерители давления, два пьезорезонансных преободин из которых реагирует на температуру; а другой служит компенсации температурного ния, мембрану с жестким центром, корпус и основание, образующие гермокамеру, преобразователь усилия в частоту в виде двух держателей с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами, один из которых расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны, и дифференциальную схему измерения. Отличием устройства является выполнение второго держателя в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса, Положительный эффект; повышение чувствительности и точности измерений, защита от перегрузок, 3 ил,влияния, для чего обэ преобразователя включены в дифференциальную измерительную схему 1 см.например, Заявка Великобритании, М 2089998, кл,0 019/08, 1982).Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство измерения давления, описанное в статье "Пьезорезонансные датчики давления", авт. Л.В,Малейко, В.В.Малов и др ПСУ, 1984, Ь. 9, с.19-21 (прототип), это устройство описано также в книге: В,В,Малов Пьезорезонансные датчики, Энергоатомиздат, 1989, с.149, рис.5,11.Указанное устройство представляет собой датчик давления, содержащий ш 1 уцер для подачи измеряемого давления, мембрэ 1778572ну с жестким центром, корпус и основание, образующие гермокэмеру, преобразователь усилия в частоту и дифференциальнуюсхему измерения, причем преобразовательусилия в частоту выполнен в виде двух держателей с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами, подключенными к дифференциальной схеме измерения, и один из пьезореэонаторов расположен на оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны и воспринимает усилие от давления через жесткий центр мембраны, при этом держатель, в котором закреплен этот пьезореэонатор, выполнен с утоньшением в средней его части, а во втором держателе, выполненном в виде жесткой балки, консольно укреплен второй пьезорезонатор, выполняющий функции опорного, ненагруженного пьезорезонатора, применение которого позволяет при дифференциальном включении обоих пьезорезонаторов в схему измерения снизить температурную погрешность и уменьшить влияние временного старения рабочего(нагруженного) пьезорезонатора на показания датчика давления, Недостатками такого технического решения являются.- недостаточная точность измерения,так как со временем возрастает погрешность измерения вследствие разной скорости старения пьезорезонаторов и элементов дифференциальной схемы измерения;- низкая чувствительность на начальном участке характеристики датчика, хотя часто бывает крайне необходимо иметь у датчиков абсол 1 отного давления повышенную чувствительность измерения в области малых значений давления,Целью изобретения является повышение чувствительности на начальном участке диапазоне и точности измерений во всем диапазоне,Цель достигается тем, что в устройстведля измерения давления, содержащем штуцер для подачи измеряемого давления, мембрану с жестким центром, гермокамеру, образованную корпусом и основанием, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причемпреобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей, в которых закреплены, соответственно, первый и второй пьезорезонаторы, подключенные кдифференциальной схеме измерения, приэтом первый пьеэорезонатор расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости. мембраны, согласно изобретению,второй держатель выполнен в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соеди нен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, причем второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра, параллельно оси мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса,На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого датчика давления, в разрезе; на фиг,2 представлен эскиз конструктивного выполнения второго держателя; нэ фиг,3 представлена рабочая характеристика предлагаемого датчика давления.Датчик давления включает в себя: штуцер 1 для подачи измеряемого давления, мембрану 2 с жестким центром 3, корпус 4 10 15 и основание 5, образующие гермокэмеру,преобразователь усилия в частоту, выполненный в виде двух держателей б и 7 с 20 закрепленными в них двумя силочувствительными пьезореэонаторами 8 и 9, один из которых - 8 расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны 2, и дифференциальную схему измерения 10, которая, например, может быть выполнена в виде двух генераторов 11 и 12, к которым подключены соответственно пьезорезонаторы 9 и 8, выходы генераторов 11 и 12 25 30 35 подключены к входам смесителя 13, с выхода которого снимается выходной сигнал 1 датчика давления. Одновременно имеется возможность снятия при контроле нуля показаний с генератора 12 выходной его частоты 12. Второй держатель 7 выполнен в виде гибкой балки, например, в его средней части имеется утоньшение, позволяющее подвижному концу держателя 7 перемещаться вниз вдоль оси нагружения под действием силы от давления Р, которая передается на держатель 7 через жесткий центр 3. Неподвижный конец держателя 7 жестко соединен с основанием 5,40 45 50 55 Подвижный конец держателя 7 верхней стороной соединен с жестким центром 3, а между его нижней стороной и держателем 6 имеется зазор д, Частота резонанса 12 о пьезорезонатора 8 больше частоты резонатора 11 о пьеэорезонатора 9 на известную величину о, т.е. 1 о = 1 ю - 11 о. Величина 1 о всегда должна быть положительной, с целью исключения двузначности показаний вследствие возможного излома характеристики при достижении нежелательного ус ловия т 2 о = т 1 о, то есть в датчике предлагается выполнение условия 1 о О. Как следует из фиг.1, пьеэорезонэтор 9 прикреплен к гибкой балке (держателю 7) со(5)ателя 7 оте 5 доосисилы Р) -между пьезо ой перемыч 7,Е -НОГО СО9,олщина пьезорезонатора 9;одуль упругости совместного рам инения балки 7 - пьезорезонатор стороны жесткого центра 3 параллельно плоскости мембраны 2,Внутренняя полость гермокамеры, образованная мембраной 2, корпусом 4 и основанием 5, вакуумирована путем откачки полости после сборки датчика давления до давления 10 - 10 Па. Пьезорезонаторы 8 и 9 подключаются к входам генератора 11 и 12 через гермовводы 14 со стеклянными или керамическими изоляторами,Датчик давления работает следующим образом,В исходном состоянии при давлении, равном нулю, мембрана 2 не прогнута, на выходе генератора 11 частотный сигнал равен 110, на выходе генератора 12 - соответственно т 20, а на выходе смесителя 13 выходная частота 10 равна:10 = т 20 - т 10 (1) При подаче давления в надмембранную полость мембрана 2 создает под воздействием измеряемого давления Р по своему центру усилиеР= Р Яэфф (2) где Блафф - эффективная площадь мембраны 2.Жесткий центр 3 мембраны 2 передаетусилие Р на подвижный конец держателя 7, . перемещая его вниз. при этом пьезорезонатор 9 испытывает деформацию растяжения и частота 11 начинает уменьшаться 1 = И - ".1= 10 - КР Р, (3)Ь 0 где КР 1= -- Язфф - коэффициент силоР вой чувствительности пьезорезонатора 9 на участке характеристики 0 Р Р 1, На выходе смесителя 13 частота 1 равна: т = 20 - 11 = (т 20 - т 10) + КР 1 Р 1 0 РР 1 (4) При этом подвижный конец держателя 7 прогибается под воздействием давления Р на величину 3 (см., например, В.В.Малов. Пьеэорезонансные датчики. Энергоатомиздат, 1989, с.142): Г4 Ь +3 о2 ЕЬЬЗ Ь 2+32 где- расстояние по длине держ точки его закрепления в основани нагружения (точки приложения см.фиг,2;О - расстояние резонатором 9 и центром гибк ки держателя 7;Ь - ширина пьезореэонатора 9 и балки Известно, что чувствительность КГ 1 пьезорезонатора 9 при описанном консольном закреплении совместно с держателем 7 выше чувствительности пьезорезонатора 8 в 5 30-100 раз, так как пьезорезонатор 8, расположенный по оси нагружения, работает на прямое нагружение, а пьезорезонатор 9 работает на растяжение, определяемое прямым нагружением с изгибом, при этом 10 коэффициент трансформации усилия Е дляпьезорезонатора 9 равен Ктр3, о. Этим и достигается первая2 Ь 2+3 2цель изобретения - повышение чувствительности на начальном участке рабочей характеристики в диапазоне давлений О Р Р 1, т.е. в диапазоне перемещения подвижного конца держателя 7 0 3 д,При достижении давлением значения Р= Р 1 прогиб подвижного конца держателя 7 становится равным 3 = д и держатель 7 своим подвижным концом упрется в верхний конец держателя б, а на выходе смесителя 13 выходной сигнал датчика давления становится равнымт = т 20 т 1 к = (120 т 10) + КР 1 Р (6) Рабочая характеристика датчика давления достигает точки "А" (см,фиг,3), В дальнейшем, при повышении давления Р датчик начинает работать на втором участке рабочей характеристикиР 1 Р Р 2Частоты на выходе генераторов 11 и 12в этом диапазоне соответственно равны:1 =- И 1 к - КРР = т 10 - КР 1 Р 1 - КР 1(Р --Р 1) (7) а на выходе смесителя 13 частота 1 равна:тф 12 - т 1 = (т 20 - 11 К)+ КР 1 (Р - Р 1)+ КР 2(Р 40или1 =. (120 - т 1 к) + (КР 1+ КР 2)(Р - Р 1) (8) Р 1 Р Р 2В связи с тем, что чувствительность датчика во втором диапазоне рабочей характеристики определяется суммой коэффициентов силовой чувствительности пьезорезонаторов 8 и 9, где пьезорезонатор 8 имеет такую же чувствительность, как в схеме прототипа, а пьезорезонатор 9 увеличивает общую чувствительность на величину КР 1 , то общая чувствительность предлагаемого устройства выше, чем у прототипа. Однако чувствительноСть КР 1 меньше КР 1 на один-два поряд ка, поэтому все же вторая частьхарактеристики в диапазоне Р 1 Р Р 2 имеет более пологий характер, чем первая - в диапазоне 0 Р Р 1, Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измеения за счет расчета нулевои погрешности510 15где Р 1 - истинные показания датчика давления в данный момент времени;Р 1 - показания датчика давления приградуировке его до установки на объект измерения. 20Так как показания датчика давления Р 1соответствуют точке "В", то погрешностьдР 1, приведенная к частоте 1, равна;1 А - 1 А1 о - 1 о0 Р 1., - -г - -+- - (1 О) гьВ связи с тем, что коэффициенты силовой чувствительности Кг 1и Кгг пьезорезонаторов 8 и 9 во времени не изменяются(что известно из физических основ их рабоы и подтверждается практикой), то градуировочная и смещенная рабочие Рхарактеристики параллельны друг другу,Кроме того можно принять, что механические узлы датчика давления стабильны воlвремени и вследствие этого д = д = сопзт,поэтому точки А и А находятся на однойлинии и соответствуют значению Р 1, полученному при градуировке (см.фиг.З),Тогда можно принять;т 0 - то = (120 - т 1 К) - Иго - 11 К ), (1,1)где б 1 к = 10 - Кр 1 Р 1;т 1 К = т 10 КГ 1Р 1откуда получим очевидное тождество:Хо - ЕО = (тго 110) (тго 110 )45т,е, выражение (11) справедливо.Подставляя (11) в (10), получим:.е. Р = Р 1 при 120 ОВКИ ИЛИ 120 ени, или можно Ь,ЧТО ВС0 Р генерат т, что да нный м ния Р 1, т градуир ент врем Следует замети сопят в диапазоне частота тг на выход няется, то это значи емое датчиком в да не превышает эначе= сопят на момент сопзт в данный мом записать: 120 = СОПЗЬ0 РР Фго = соп ггпу = чаг,КИ + Кгг образом из (12) сле ния частоты 10 с вы ика давления в мо равным Р 1, можн погрешность нуля ормуле (12), где час тствует значению ч лении Р 1 на момен= гго - т 1 к соотве иой частоты датчиТаким мая показа ля 13 датч становится определит ления по ф- 11 К соотв ка при дав ЕГО, Э Ь 1 нию выход0 дует, что, сн хода смеси мент, когда о однознач датчика д ота Р 1 астоты дат градуиров ствует зна ка в текуще- Р ии измерения после выполнения описываемых ниже операций, Предположим, что вследствие изменения нулевых показаний вследствие различного старения пьезореэоиаторов 8 и 9, а также злектрорадиоиэделий генераторов 11 и 12 частоты на выходе последних стали соответственно 110 и тго, а на вь)ходе смесителя 13 действительное (истинное) значение нулевого сигнала равно 10= тго - 110 (см, нижнюю пунктирную рабочую ха- рактеристику на фиг,З), Тогда общее смещение показаний датчика давления в точке Р = Р 1 будет определяться погрешностью+ дР 1:+ д Р 1= Р 1 - Р 1, (9) момент времени, когда определяется его погрешность нуля.В случае же, когда рабочая характеристика сместилась вверх относительно градуировочной характеристики, то новое значение нулевой погрешности становится равным 0", а точка "А" смещается в точку А", Смещение показаний датчика давления в точке Р = Р 1 будет определяться погрешностью - д Р 1,- д Р 1= Р 1" - Р 1 (13) Показания датчика давления Р 1" соответствуют точке В", поэтому погрешность - д Р 1, приведенная к выходному сигналу датчика давления равна - дР 1 = - = о - (14) 1 А - 1 А 1 оКг 1 Кг 1 или по аналогии с (12): Очевидно, что при решении (15) д Р 1 получает знак "-", что соответствует истинному знаку погрешности, так же как в(12) погрешность получает знак "+",Таким образом, и при смещении характеристики вверх возможно методом, аналогично описанному выше, определить погрешность нуля датчика давления в момент времени; когда Р достигает значения 1.РР 120 = чаг. (16) Отсюда, исходя из уравнений (12), (15) и условия (16), авторы предлагают следующий метод градуировки нуля датчика давления:1) необходимо на время проведения контроля нуля (кратковременно) отключить штуцер датчика давления от объекта измерения и подключить к пневматическому устройству (источнику давления или разряжения);2)медленно изменять пневматическим устройством давление в надмембраиной полости датчика давления, подключив его к штуцеру 1, контролируя частоты 1 с выхода1778572 2.4 смесителя 13 и частоту 12 с выхода генераторэ 12 - до изменения показаний частоты12 При этом, если показания датчика давления перед подключением к штуцеру источника давления РР 1, то необходимо 5подключить к штуцеру источник разрежения воздуха, например вакуумный агрегатлюбого типа, если же показания датчикадавления РР 1, то необходимо подключитьк штуцеру источник давления (компрессор 10или баллон со сжатым воздухом - тоже любого типа).В первом случае после включения вакуумного агрегата показания датчика давления и значение частот 12 и 1 начнут 15уменьшаться, а во втором - увеличиваться.3) Изменение давления в надмембранной полости проводить втечение следующего интервала времени:а) при уменьшении давления - от момента т 2 = чаг до момента 12 = сопи;б) при увеличении давления - от момента т 2 = сопз 1 до момента т 2 = наг,В момент окончания измерения (достижения условия а) или б зафиксировать значение выходной частоты 1 на выходесмесителя 13 датчика давления;1= Ер 1 =1 го - 01 к4) Рассчитать значение Ьо = (12 о - 11 к)- Иго - т 1 к), где значение тр 1 =(62 о - т 1 к) 30получено при градуировке и берется из паспорта на датчик давления, а тр 1 = 12 о - т 1 кполучено при проведении операций по описаннойметодике.5) При знаке "-" ЙХо рассчитать погрешность нуля по выражению (15), т.е,д Р 1 - , (17) а при знаке "+" у Л 1 о расс итать погрешность нуля по выражению (12), т,е,д Р 1 - в в , в- (18)+Л 1 оГ 1 + С 2б. Отключить от штуцера 1 датчика давления пневматическое устройство и подключить штуцер 1 к объекту измерения.7) Ввести в показания датчика давления корректировку на погрешность нуля, полученную из уравнения (17) или (18).Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее штуцер для подачи измеряемого давления, мембрану с жестким центром, гермокамеру, образованную корпусом и основанием, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей, в которых закреплены соответственно первый и второй пьезорезонаторы, подключенные к дифференциальной схеме измерения, при этом первый пьезорезонэтор расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений по всем диапазоне, второй держатель выполнен в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, причем второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса.1 178572 Ь 3 Ц РгьугСоставитель В.Морозоведактор Техред М,Моргентал Коррект аксимишинец д ул 1 а арин101 эдательскии комбинат "Патент, г, Уж тве из аз 4185 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5