Датчик давления с частотным выходом

ЦРИ, гЦУд6 п.;:тена МБА ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и 746219 Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 030778 (21) 2640640/18-10с присоединением заявки йо(51)М. Кл.2 6 01 1. 11/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ 1Изобретение относится к контрольно-иэмерительной технике, и может найти применение в приборах для измерения давления.Известны частотные датчики давле ний с резонаторами в виде плоских упругих пластин круглой формы, разделяющих внутренний объем, датчика на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиеся с контролируе мой газообразной средой. Эти пневмокамеры имеют вид щелевых зазоров между поверхностями резонатора и обращенными к ним поверхностями корпусных деталей датчика, причем величи на указанных зазоров выбирается таким образом, что постоянные времени пневмокамер превышают полупериод колебаний резонатора. С целью обеспечения динамической 1 сбалансирован ности колебательной системы датчика, а следовательно, и его высокой добротности, в резонаторе возбуждается низшая форма веерных иэгибных колебаний (т.е. форма колебаний, ха рактеризующаяся наличием двух узловых диаметров при отсутствии узловых окружностей) (1) .В этом датчике пучности колебаний заполняют площадь круга резонатора 30 2полностью, что не позволяет уменьшить его габариты.Наиболее близким к предлагаемому является датчик, резонатор которого, представляющий собой плоскую упругую пластину, разграничивает его внутренний объем на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиеся с контролируемой средой. Пневмокамеры выполнены в виде щелевых. зазоров между поверхностями пластины-резонатора и обращенными к резонаторуплоскими поверхностями корпусных деталей датчика. Величина зазоров, играющих роль пневмокамер, выбирается столь малой, что постоянные времени этих пневмокамер превышают полупериод колебаний резонатора. По обе стороны от резонатора симметрично расположены электроды емкостных систем возбуждения и съема его колебаниЯ. Как контуры всей пластины-резонатора в целом, так и все совпадающие участки контуров, ограничивающих свобОдную и жестко закрепленную области пластины-резонатора, имеют общую ось поворотной симметрии порядка 2 и (где и - число узловых диаметров) и 2 п проходящих через зту ось,общих плоскостей симметрии. Электроды емкостйыхсистем воэбуЖдения и съема колебаний резонатора имеют вид секторов, расположенных по обе стороныупругой пластины, по 2 п электродовс каждойстороны, и характеризуютсятеми же элементами симметрии (21 .Недостаток датчика заключаетсяв том, что уменьшение габаритных размеров ограничено необходимостью размещения пучностей таким образом,чтобы они имели общую ось поворотнойсимметрии порядка 2 п,Цель изобретения - в уменьшениигабаритов датчика.Эта цель достигается тем, что резонатор выполнен в форме прямоугольника, закрепленного на двух парахопор, каждая из которых выполненав виде упругих трубок, расположенных по разные стороны резонатора.На. фиг. 1 изображена конструкцияпредлагаемого датчика, общий вид;на фиг, 2 - промежуточная сборкаузла чувствительного элемента; нафиг. 3 - низшая форма возбуждаемыхв резонаторе изгибных колебаний;на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема датчика.Датчик собран в герметичном корпусе, образованном отрезком цилиндрической трубки 1, на конце которой располагается стеклянный изолятор 2 с гермовводами 3. Другой конецтрубки 1 герметичного корпуса датчикас помощью вакуумплотного (сварка,пайка) сочленения 4 соединяется соштуцером 5, служащим для подвода кдатчику газообразной контролируемойсреды. Внутри корпуса 1 размещаетсяузел чувствительного элемента, собранный в кожухе 6 (см.фиг.2), Помимокожуха 6 с технологическими окнами7 узел чувствительного элементавключает в себя два газонепроницаемых экрана 8, изготовленнйх издиэлектрика с высокими механическимисвойствами (например, из керамики22 ХС), резонатор 9, представляющийсобой упругую плоскую пластинку прямоугольной формы с отношением короткой стороны к длинной не более, чем1:4, и четыре роликовые опоры 10,выполненные в виде тонкостенных упругих трубок.Газоиепроницаемые экраны 8 имеютв сечении вид кругового сегмента.На обращенные к резонатору плоскиеповерхности экранов 8 нанесены тонкопленочные электроды 11-16 (си, фиг.4)электростатических систем возбуждения и съема колебаний резонатора 9.На расстояниях, составляющих 0,225+10,05 длины резонатора, на экранах8 имеются пазы 17 треугольного сечения,На полукруглой цилиндрическойповерхности экранов 8;прорезаются продольныефканавки 18, служащие дляпрокладки проводов, с помощью кото- ,рых электроды 11-16 включаются вэлектрическую схему датчика,При сборке узла чувствительногоэлемента экраны 8 с расположеннымимежду ними резонатором 9 вставляются внутрь кожуха 6, после чего через технологические окна 7 междуэкранами 8 и резонатором 9 устанавливаются упругие роликовые опоры 10,размещаемые в треугольных пазах.Деформируясь (см. фиг. 1) роликовыеопоры зажимают резонатор 9, обеспечивая таким образом упругое крепление его по узловым линиям избранной формы колебаний (см. фиг. 2)Электрическая схема датчика15 (фиг, 4) включает: в себя электроды11-13 системы возбуждения колебанийрезонатора 9, электроды 14-16 системы съема колебаний, высокоомные со-,противления 19, источники смещения 20,2 О разделительные конденсаторы 21 и широкополосный усилитель 22 системысамовозбуждения,Электроды 11-13 системы возбуждения,и электроды 14-16 системы съемачерез высокоомные сопротивления 19подключаются к источникам постоянногосмещения 20, а через разделительныеконденсаторы 21 - к выходу и входусоответственно широкополосного усилителя 22 системы самовозбуждения. Величина сопротивлений 19 выбирается таким образом, чтобы постоянная времениВС-цепочки, включающей одно из сопротивлений 19 и емкость, образован-.ную группой из трех параллельно под 35 ключенных к этому сопротивлению электродов 11-13 (либо 14-16) и резонатором 9, была значительно больше полупериода колебаний резонатора. Назначение разделительных конденсаторов4 О 21 состоит в предохранении усилителя22 от попадания на его вход и выходотносительно высоких постоянных напряжений от источников постоянногосмещения 20.4%Совместно с системой самовозбуждения резонатор образует электромеханическую автоколебательную систему, частота которой близка к собственной частоте избранной формы(см. фиг. 3) изгибных колебаний резо натора. Система возбуждения колебаний резонатора образована тремя электродами 11-13, два из которых (11 и13) обращены к одной и той же стороне резонатора 9 и расположены против55 его концевых участков, ограниченныхроликовыми опорами 10, а третий (12)обращен к противоположной сторонерезонатора и расположен против егосреднего участка (между роликовымищ опорами 10), При подаче на электроды11-13 переменного электрического напряжения с выхода усилителя 22 системы самовозбуждения они создаютперпендикулярную плоскости резонаторараспределенную возбуждающую силу,746219 30 Формула изобретения направление которой изменяется на об ратное при переходе через .каждую из узловйх линий (которые совпадают с линиями касания резонатора 9 и роликовыми опорами 10), а также при изменении полярности питающего напряжения. 5укаэанная сила вызывает раскачку избранной ФормЬ изгибных колебаний резонатора. При этом на других трех электродах - электродах 14-16 съема (образующих конфигурацию, представляющую собой зеркальное отражение конфигурации, в которую входят электроды 11-13) - возникает электрический сигнал, частота которого равна, а амплитуда пропорциональна соответственно частоте и амплитуде механических колебаний резонатора 9. Этот сигнал через разделительную емкость поступает на вход усилителя системы самовозбуждения 22. С выхода этого усилителя усиленный сигнал через 20 другую разделительную емкость 21 вновь подается на группу из трех возбуждающих электродов 11-13, обеспечивая тем самым незатухающие колебания резонатора. Частота этих коле баний будет"близка к собственной частоте 1 избранной Формы изгибных колебаний рЕзонатора, которая определяется формулой где Е - модуль упругости материала резонатора;Ь - толщина резонатора;- массовая плотность материала резонатора;- длина резонатора;а - величина зазора междурезонатором и газонепроницаемыми экранами;Р - измеряемое давление;КР,КЕ - безразмерные числовыекоэффициенты, зависящиеот коэффициента Пуассона.Как следует из приведенной Формулы квадрат частоты 1 выходного сигнала датчика линейно зависит от измеряемого давления Р. Это объясняется тем, что эквивалентная жесткость упругой системы датчика зависит не толь. ,ко от параметров самого резонатора, но и от упругости газа,находящегося в щелевыя зазорах между поверхностями резонатора и обращенными к ним поверхностями газонепроницаемых экранов. При условии, что постоянная времени процесса изменения массы газа в щелевых зазорах значительно превышает полупериод свободных колебаниЯ резонатора (это достигается выбором достаточно малой величины зазора), газ в этих зазорах ведет себя так, как будто они герметизированы по контурам пучностей. При этом влияние уп-ругости газа вщелевых зазорах на эквивалентную жесткость упругой системы датчика оказывается пропорциональным давлению Р этого газа, чтои обусловливает линейную зависимость квадрата частоты колебаний резонатора от измеряемого давления.Линейное расположение пучностей, достигаемое при выполнении резонатора в виде прямоугольной пластины с отношением короткой стороны к длинной не более, чем 1:4, позволяет существенно снизить габаритные размеры датчика. Датчик давления с частотным выходом, содержащий плоский резонатори системы съема и возбуждения колебаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью уменьшения габарита,резонатор в нем выполнен в форме прямоугольника, закрепленного на двух парах опор, выполненных в виде упругих трубок.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2407562/18-10,кл. С О 1 (. 11/00, 20,10.76.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке М 2430018,кл.б О 111/00,31.12.76 (прототип).746219 2.4 Составитель Л.Кочураеедактор Н.Шильникова Техред О, Андрейко ктор С.Шекмар 096/1 Зак 1130 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 Тираж 1019 НИИПИ Государственного по делам изобретений 5, Москва, Ж, РаушсПодписнокомитета СССРи открытийая наб, д. 4/5