Датчик абсолютного давления с частотным выходом

Союз Советских Социалистических Республик(23) ПриоритетОпубликовано 150780. Бюллетень Й 9 26Дата опубликования описания 150780 6 01 Ь 11/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМд 11 )с кэ),ь ГТ Втнак Изобретение относится к области измерительной техники, а именно - к частотным датчикам абсолютных давлений с первичными измерительными преобразователями в виде тонкостенных цилиндрических резонаторов. Оно может быть использовано при создании таких датчиков с повышенной крутизной преобразования измеряемого давления в частоту. Известен датчик абсолютного давления с частотным выходом и с первичным измерительным преобразователем в виде тонкостенного цилин дрического резонатора, внутрь которого подводитсяизмеряемое давление 11 .Недостатком датчика является то, что при используемой в нем конструк тивной схеме невозможно увеличить крутизну осуществляемого им преобразования измеряемого давления в частоту не ухудшив одновременно других важных параметров, 25Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является датчик абсолютного давления с частотным выходом, имеющий тонкостенный цилиндрический резонатор, ЗО,становленный в защитном силовом корпусе. В герметичной кольцевой камере, ограниченной внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью резонатора, размещаются системы возбуждения колебаний резонатора и съема выходного сигнала, Измеряемое давление подается внутрь резонатора 2).Известно, что максимальная крутизна преобразования давления в частоту, осуществляемого такими датчиками, определяется формулой максимальная крутизна осуществляемого датчиком преобразования давления в частоту, Гц/Па;собственная частота иэгибных колебаний резонатора, Гц;измеряемое давление, Па безмерный числовой коэффициент,. значение котороголежит в интервале0,25 6 К с 030 РВ - радиус тонкостенного участка резонатора, м;Ь - толщина тонкостенного участка резонатора,м 1р - массовая плотность мате 3,риала резонатора, кг/мЕ - модуль упругости материала,резонатора, Па.В соответствии с формулой (1)известны также пути повышения крутизны преобразования измеряемогодавления в частоту, состоящие в том,что либо увеличивают радиус резонатора й, либо уменьшают одну изтрех величин Ь, Е или /Ь , либо, наконец, применяют любую комбинациюиз этих четырех возможностей.Однако во всех этих случаях (заисключением уменьшения величины ,которая практически невариабельна)одновременна с увеличением крутизныуменьшается начальная частота околебаний резонатора (то есть частота его колебаний в вакууме), определяемая формулойК ЬгЕ(2)яфо о где К - безразмерный постоянныйЕкоэффициент (К= 0,03).Это, в свою очередь, приводитк снижению временной стабильностидатчика и к ухудшению его динамических характеристик, а также к усложнению электрической схемы,Цель настоящего изобретения состоит в увеличении крутизны характеристики датчика.Поставленная цель достигаетсятем, что в датчике абсолютного давления с частотным выходом, содержащем первичный измерительный преобразователь в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, системувозбуждения колебаний резонатора исистему съема сигнала, соосно резонатору установлен по меньшей мере один цилиндрический экран на расстоянии, не превышающем е,дЯ К 3- с,где Н - радиус резонатора;К - безразмерный числовой коэффициент (2 - б);Г - частота колебаний резонатора в вакууме;1 в .кинематическая вязкость газа, находящегося в зазоре;с - скорость звука в газе;2 кйп == -число полных волн, укладывао ющихся по окружности резонатораПри этом резонатор выполнен в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийныхучастках которого выполнено 2 и сим 40 к:Мгк, о к ад 50 При выполнении условия (3) газ,заполняющий зазор о , в процессе колебаний резонатора вследствие своей вязкости не успевает протекать между смежными пучностями и поэтому каждая пучность колеблется в этом случае так, как будто она герметизирована по узловым линиям. В результате выражения для частоты колебаний резонатора и для крутизны 60 преобразования давления в частотуизменяютсясоответственно следующим образомф)г 2 Р" Я "ОР кР (5)= рИЕ = оИв Ы метрично расположенных по окружности отверстий, где2 й 1,Сущность изобретения заключает 5ся в том что вблизи внутренней поверхности тонкостенного участка резонатора, контактирующей с контролируемой газообразной средой, размещают снебольшим зазором Е неподвижный гаэонепроницаемый цилиндрический экран,причем велйчину зазора между внутренней поверхностью тонкостенногоучастка резонатора и обращенной кней внешней поверхностью экрана выбирают столь малой, чтобы постоянная5 времени процесса выравнивания давлений между пучностями резонаторабыла равной, либо больше чем полупериод колебаний резонатора в вакууме,В математической Форме укаЩ занное условие имеет вид:К Р1= - (3)"Р З ЗСготкуда для величины зазораб получаг 5 , цэ,щах л сг (4)В формулах (3) и (4) помимо обозначений, расшифрованных выше, принято:постоянная времени процессаРвыравнивания давлений междупучностями резонатора, с;- кинематическая вязкость газообразной контролируемойсреды, м /с;с - скорость звука в газбобразной контролируемой среде,м/с;о - величина зазора между резонатором и экраном,м;Ед,о- предельная величина зазорамежду резонатором и экраном, м,С 1 - полупериод колебаний резо 45 натора в вакуум, с;1 1 - безразмерные постоянные ко 3эффициенты, связанные между собой соотношением(Ко = 2 К 4 К -0,08+0,10;Кр - 2).Из формул (5) и (б) видно, что введение экрана, расположенного вблизи внутренней поверхности резонаторас малым зазором, определяемым формулой (4), изменяет саму структуру формул для частоты и крутизны преобразования, осуществляемого резонатором. Именно это обстоятельствои позволяет решить поставленную задачуЕще более значительного увеличениякрутизны преобразования давления в частоту можно достигнуть, если с таким же зазором разместить экран не только внутри, но и снаружи резонатора, а кольцевые зазоры между поверхностями резонатора и экрановсделать пневматически сообщающимися.В этом случае формулы для частотыи крутизны преобразования примут 35вид(о 1 р (8) 40трахдр /д)оггде 1" и 5 ,с, - частота и крутизнарезонатора, размещенного между двухэкранов.Чтобы упростить конструкцию и уменьшить стоимость изготовления резонатора, не снижая при этом его добротности, последний изготавливается в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийных участках которого (на границе между пассивной,то есть закрепляемой, и активной, то есть колеблющейся, зонами) имеется по 2 и симметрично расположенных по окружности отверстий, перемычки между которыми совмещены с узловыми меридианами и образуют упругий подвес ак 4.тивной зоны резонатора,На фиг.1 изображен один из возможных вариантов датчика с одним внутренним экраном, общий вид; на фиг.2 - вариант датчика с двумя экранами, общий вид; на фиг,З - раэ 65 вертка для варианта датчика с двумя экранами.В первом варианте датчика (фиг,1) тонкостенный цилиндрический резонатор 1 с утолщенными установочными поясками по краям установлен, в защитном силовом корпусе 2. В герметичной кольцевой камере 3, имеющей вид кольцевого зазора между внутренней поверхностью корпуса 2 и внешней поверхностью резонатора 1, располагается система 4 возбуждения колебаний резонатора и система 5 съема сигнала, Внутри резонатора 1 жестко крепится неподвижный газонепроницаемый экран б, один конец которого закрыт заглушкой 7, а другой штуцером 8, с помощью которого измеряемое давление через отверстия 9 подается в измерительный зазор 10 между внутренней поверхностью тонкостенного участка резонатора 1 и обрашенной к ней внешней поверхностью экрана б. Детали датчика соединены между собой вакуумплотными сочленениями (сварка, пайка) 11 и 12. Ве - личина зазора 10 выбирается в соответствии с формулой (4), Датчик работает следующим образом. С выводов 13 системы 5 съема сигнала последний поступает на вход электронного блока 14 системы самовоэбуждения (ЭБСС), и далее на выводы 15 системы 4 возбуждения колебаний резонатораВ совокупности с резонатором 1 системы 4 и 5 и блок 14 образуют электромеханическую автоколебательную систему, частота колебаний которой весьма близка к частоте собственных изгибных колебаний резонатора 1,С изменением измеряемого давления газа в зазоре 10 собственная частота изгибных колебаний, резонатора 1 изменяется не только потому, что при этом изменяются механические напряжения в стенке резонатора, но также и потому, что изменяется упругость контактирующего с этой стенкой газа. Именно этот факт и обуславливает существенное повышение крутизны характеристики датчика беэ ухудшения других его качеств,Вариант конструкции датчика с двумя экранами изображен на фиг,2.Конструкция эта в основном аналогична конструкции, представленной на фиг, 1.Роль экранов в этой конструкции играют обращенные к резонатору 1 поверхности корпуса 2 и газонепроницаемого экрана б. Системы возбуждения 4 и съема 5 размещены в гаэонепроницаемом экране б,что позволяет сократить общие габаритные размеры датчика. С целью упрощения конструкции резонатора датчик выполнен в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, развертка которой приводится на фиг.З. Датчик со 748154748154 Составитель О.Сафонедактор Т. Лошкарева Техред Н, Бабурка Григорук ре 4222/27 Тираж 1019ЦНИИПИ Государственного комитета СССпо делам иэобретений и открытиЯ113035, Москва, Ж, Раушская наб.,а одписно нлнал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектн