Датчик абсолютного давления с частотным выходом

(22) Заявлено,030478 (21) 2596906/18-10. 6 01 1 11/00 с присоединением заявки Нов(23) Приоритет Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(53) УДК 5 З 1,787. , 91 (088. 8) Дата опубликования описания 250280(54) ДАТЧИК АБСОПОТНОГО ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМВЫХОДОМ Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может найти применение в приборах для измерения давления. 5Известны датчики абсолютного давления с частотным выходом и с первичным Измерительным преобразователем в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, внутрь которого подводитО ся измеряемое давление 1.Наиболее близким к изобретению является датчик, содержащий цилиндрический тонкостенный резонатор, окруженный изнутри и снаружи газонепроницаемыми цилиндрическими экранами 2,В этом датчике тонкостенный ци- линдрический резонатор, выполненный в виде отрезка трубки постоянного сечения, расположен с зазорамиеаза и се (1)йк . 9где о - зазор между обращеннымиодна к другой поверхностями экрана и резонатора, м;Вс,- предельная величина указанного зазора, м;В - радиус резонатора, м; К" - безразмерный числовой коэфициент, (2 Кф й 6)и - число полных волн, укладывающихся по окружности резонатора (безразмерное); .4 - кинематическая вязкостьгаза, находящегося в зазорах, м 2/с;й - частота колебаний резонатора в вакууме, Гц,с - скорость звука в газе, м/с,между двумя неподвижными газонепроницаеваюми цилиндрическими экранамикруглого сечения, причем кольцевыезазоры, расположенные по разные стороны стенки резойатора, пневматически сообщаются между собой и с контролируемой средой.Недостатком этого датчика являетсяневозможность создания совершеннойпневматической развязки между пучностями, вследствие чего в нем нельзя достигнуть теоретического пределакрутизны преобразования измеряемогодавлений в частоту. Другой недостатокего заключается в требовании высокойточности изготовления деталей датчика (особенно резонатора и экранов)и высокой прецизионности его сборки,60 Мто приводит к увеличению стоимостидатчика.Цель изобретения состоит в повышении чувствительности преобразования измеряемого датчиком давления вчастоту с одновременным снижениемстоимости его производстваПоставленная цель достигаетсяблагодаря тому, что в датчике, содержащем тонкостенный цилиндрическийрезонатор, по обе стороны кОторогорасположены неподвижные гаэонепроницаемые экраны, а также элементысистем возбуждения колебаний и съЖа,один из гаэонепроницаемых экрановвыполнен в виде упругого, .а другойжесткого коаксиальных цилиндров, причем поперечное сечение одного изэкранов спрофилировано таким образом,что он образует с противолежащим экра.ном (кругового исходного сечения)контактные линии, совпадающие с 20узловыми меридианами резонатора, Благодаря этому обеспечивается механический контакт обоих цилиндров срезонатором вдоль узловых меридианов.При такой конструкции датчика в 25сечении, перпендикулярном оси резонатора, в отличие от известной конструкции достигается плавное изменение величины зазоров между поверхностями резонатора и обращенных к нимповерхностями экранов по закону,близкому к синусоидальному (от нулевого зазора вблизи узлового меридиана до максимального посередине междуцвумя смежными узловыми меридианами).Именно благодаря такому профилю , 35зазоров и обеспечивается одновременно как максимальная крутизна характеристики преобразования, так имаксимальное подавление возможныхпобочных резонансов. 40Допустимыдве эквивалентные конструктивные схемы построения предлагаемого датчика: одна - когда жесткийцилиндр расположен внутри резонатора,а упРугий снаружи,и дРугая - когда 45упругий цилиндр расположен внутрирезонатора, а жесткий - снаружи.На фиг.1 изображен общий видварианта конструкции датчика, в которой жесткий цилиндр расположен внутри резонатора и имеет круглое поперечное сечение; на Фиг,2 - общийвид варианта конструкции с такимже расположением жесткого цилиндра, "имеющего однако поперечное сечениеподушкообразной Формы; на Фиг,3 - 55общий вид варианта конструкции,в котором жесткий цилиндр круглогосечения охватывают резонатор снаружи, на фиг,4 - схема системы самовозбуждения датчика.Вариант конструкции датчика,осуществляющий преобразование изМеряемого давления в частоту, состоит из трех деталей жесткого цилиндра 1, из готовле нного, например, из керамики и являющегося основанием УЧЭ, тон кос тенно го цили ндрическ ого резонатора 2, представляющего собой отрезок тонкостенной трубки постоянного сечения, имеющего в свободном состоянии форму правильной окружности, И упругого цилиндра 3, Форма поперечного сечения которого в свободном состоянии близка к квадрату со скругленными углами, причем размеры этой Фигуры таковы, что если в нее вписать окружность, то радиус этой окружности будет меньше, чем радиус окружности, описанной вокруг сечения жесткого цилиндра 1. Если через П об означить периметр поперечного сече"з з ния внутренней поверхности внешнего экрана, Пр- перимегр поперечного сечения внешней поверхности резонатора, Пр - периметр поперечного сечения внутренней пов ерхности рез онатора и, наконец, Пэ - периметр поперечного сечения внешней поверхности внутреннего экрана, то между указанными величинами вццерживаются следующие приблИженные соотношения;3 РюИСн4П аП- - " (2) Толщины Ь, , и и Ь, жесткого цилиндра 1, резонатора 2 й упругого цилиндра 3 соответственно также должны удовЛетворять приближенным соотношениям:(3)Уз ел чувс тви тель ного элеме н та заключен в защитный корпус, состоящий из цилиндрического кожуха 4 с отбортовкой 5, переходной установочной втулки б и крышки 7 с отверстием 8 цля присоединения штуцера ;на фиг,1 он не показан), через который измеряемое давление с помощью отверстий ао втулке б подводится к УЧЭ, На внутреннюю поверхность жесткого керамического цилийдра 1 наносятся Электроды 9 и 10 емкостных систем Возбуждения колебаний резонатора и съема выходного сигнала.УЧЭ соединяется с корпусными деталями датчика с помощью вакуум- плотных сочленений 11.и 12 (сварка, пайка твердыми припоями). Подобным же сочленением 13 соединяются между собой и корпусные детали 4, б и 7, С помощью электрических выводов 14 датчик. включается в схему системы самовозбуждения, два варианта кото- рой (для случаев наружного и внутреннего положений жесткого цилиндра 1) изображены на фиг.4.На Фиг.2 изображен еще один вариант конструкции предлагаемого датчика, о т л и ч а ю щ и й с я от первого лишь тем что поперечное сечение жесткого цилиндра 1 имеет форму, близкую к форме квадрата со скругленными углами, а резонатор 2 и упругий цилиндр 3 в свободном 5 состоянии имеют круглое сечение.На фиг,3 показан вариант конструкции, в котором жесткий цилиндр 1 расположен снаружи резонатора 2, а упру- о гий цилиндр 3 - внутри него. При этом жесткий цилиндр 1 играет одновременно и роль защитного кожуха прибора, благодаря чему уменьшается общее количество деталей датчика. С обоих торцов жесткий цилиндр 1 закрывается крышками 15 й 7, причем в крышке 7 делается отверстие 8 для присоединения штуцера (который на чертеже не показан). Как жесткий цилиндр 1, так и резонатор 2 в свободном состоянии 2 О имеют в поперечном сечении форму правильных окружностей, а упругий, цилиндр 3 - форму, близкую к квадрату со скругленными краями.В всех описанных здесь вариантах конструкций применены емкостные системы возбуждения и съема, хотя в принципе возможно и использование этих систем иных типов.Любой из рассмотренных выае вариантов датчика работает следующим образом. С выводов от электродов съема 9 сигнал поступает на вход электронного блока системы само- возбуждения (ЭБСС) 17 и далее на выводы, соединенные с электродами 10 системы возбуждения колебаний резонатора 2. В совокупности с резонатором 2 электроды 9 и 10 и блок 16 образуют электромеханическую автоколебательную систему, частота колебаний которой близка к собст- венной частоте изгибных колебаний резонатора. С изменением измеряемого давления, а следовательно, и упругости газа в зазорах между резонатором 2 и цилиндрами 1 и 3 изменяется также и собственная частота изгибных колебаний резонатора.Использование описанного датчика обеспечивает достижение предельной крутизны характеристики, потенциально возможной для датчиков этого типа, и снижение стоимости изготовления таких датчиков.Формула изобретенияДатчик абсолютного давления с частотным выходом, содержащий цилиндрический. резонатор, газонепроницаемыеэкраны, расположенные по обе сторонырезонатора, и системы возбуждения исъема колебаний, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что,. с целью повышения чувствительности, один экран выполнен в виде упругого, а другойжесткого цилиндров, расположенныхкоаксиально, причем поверхности экранов и резонатора соприкасаются полиниям узловых меридианов резонатора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9181848кл, 6 01 Ь 11/00, 1965,2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2598873/18-10,кл, О 01 Ь 11/00, 30,03.78 (прототип) .. Биб ак Заказ 9826/ илиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проект 7 Тираж 1019 ЦНИИПИ Государственного по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Рауш