DK160589B - Differenstrykfoeler - Google Patents

Description

i

DK 160589 B

Den foreliggende opfindelse angår en differenstrykføler, der omfatter en piezoelektrisk transducer af resonanstypen med en svingende lamel, der på den ene side er fastgjort på en fast ramme, og som på den anden side er fastgjort på en arm af en vægtstang, der på transduceren over-5 fører en resulterende kraft fra trykdifferencen mellem et første og et andet kammer, som er tilført de tryk, hvis differens ønskes målt, og hvor det andet kammer er deformerbart, idet det f.eks. udgøres af en bælg, og som via et koblingsled er forbundet med den anden arm af vægtstangen.

10 Følere af ovennævnte type omfatter i det væsentlige en af metal bestående ramme, i hvilken en leddelt, lejret vægtstang, der overfører kræfter, er understøttet, hvilke kræfter frembringes af et eller flere deformerbare elementer, som for eksempel bælge, membraner eller kaps-15 ler.

I fransk patentskrift nr. 2.456.945 beskrives en differenstrykføler, der som eksempel er forsynet med et eller flere deformerbare elementer af ovennævnte type. I et af disse deformerbare elementer eller på en 20 af dettes sider påføres et tryk Py, og et andet tryk P^ påføres i det andet element eller på den anden side af det første deformerbare element. Efter systemets justering og afbalancering fremkommer målingen for differenstrykket ved 25 Δ P = PT - P$.

En differenstrykføler med to deformerbare kamre kan imidlertid ikke være præcis, da det i det væsentlige er umuligt at fremstille to kamre, der i mekanisk henseende er identiske. Enheden er indesluttet i et 30 stift og tæt kammer, hvori der enten hersker et fast differenstryk (vakuum) eller et af de ovennævnte tryk (Py eller P^).

Indenfor luftfartteknikkens område er Py total trykket, medens er et statisk tryk, og disse tryk leveres fra et Pitot-rør.

35

Fra det franske patentskrift nr. 1.522.971 kendes desuden en trykføler, der omfatter et piezoelektrisk svingelement i et vakuumkammer, og som er forsynet med en transducer og en stang, som er placeret i et første stift kammer under vakuum, hvorved stangen er underlagt en kraft, der 2

DK 160589 B

stammer fra deformationen af et deformerbart kammer, der er underlagt trykket Py, og som er placeret i et andet kammer, der er underlagt trykket Ps, hvorved kraftoverføringen sker via et deformerbart tætningselement.

5

Trykføleren ifølge det franske patentskrift er dog ikke forsynet med en vægtstang, og dens deformerbare kammer er ikke anbragt inden i et stift kammer, og det deformerbare tætningselement deltager i overførslen af kraften, som udøves på transduceren, hvorved differenstrykmå-10 lingerne påvirkes på forstyrrende måde.

Imidlertid tilvejebringer piezoelektriske følere af den ovenfor beskrevne type en analog spænding, der er representativ for Δ. P. Denne udgangsspænding har kun en ringe værdi for et stort antal udførelses-15 former for piezoelektriske følere, så at målingen ved visse trykområder ikke er særlig følsom. I betragtning af den voksende tendens, hvormed informationsbehandlingen foretages med numeriske beregninger, er det desuden nødvendigt at anvende en piezoelektrisk transducer med en svingende lamel, som direkte afgiver et analogt sinusformet signal, 20 der let kan omdannes til en numerisk form, hvilken transducer udgøres af en lamel, der fortrinsvis er udført af et kvarts-monokrystal. For at yde en høj målenøjagtighed og bibeholde de dynamiske egenskaber konstante, skal denne lamel virke under vakuum, hvilket ligeledes bevirker, at forurenings- og korrosionseffekter undgås.

25

Fra en differenstrykomformer, der er beskrevet i DE fremlæggelsesskrift nr. 2.306.830, og som arbejder efter kraftsammenligningsprincippet, kendes allerede en kammerindretning med en vægtstangsgennemførsel, der er udformet ved hjælp af en i vægtstangsindretningen deformerbar mem-30 bran.

Formålet med den foreliggende opfindelse er således at tilvejebringe en differenstrykføler, som benytter en piezoelektrisk transducer med en svingende lamel, og med et enkelt deformerbart kammer til måling af 35 tryk, og hvis tætningselement ikke forstyrrer målingen.

Ifølge den foreliggende opfindelse er der tilvejebragt en differenstrykføler af den i indledningen angivne type, hvilken føler er ejendommelig ved de træk, der er angivet i krav l's kendetegnende del. Med

DK 160589 B

3 den hermed tilvejebragte differenstrykføler kan der opnåes langt mere nøjagtige måleresultater, idet differenstrykføleren ifølge opfindelsen kun omfatter et deformerbart kammer, og idet kraften, der udøves på transduceren, alene overføres via en vægtstang, som via et tætningse-5 lement uden indflydelse på målingen står i forbindelse med det deformerbare kammer.

Differenstrykføleren ifølge opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til den medfølgende tegning, hvor 10 fig. 1 viser et partielt snitbillede af en første udførelsesform for differenstrykføleren ifølge opfindelsen, fig. 2 et funktionsskema for differenstrykføleren i fig. 1, fig. 3 et partielt snitbillede af en anden udførelsesform for dif-15 ferenstrykføleren ifølge opfindelsen, og fig. 4 et funktionsskema for differenstrykføleren i fig. 3.

Sådan som vist i fig. 1 omfatter en differenstrykføler en stiv ramme 1, hvorpå der er fastgjort en vægtstang 3, som er tilvejebragt ved 20 bearbejdning i en bronce- eller jernblok. I denne blok er der indar bejdet boringer og spalter, hvilke til dannelsen af et vægtstangsi ed kun lader en tynd metallamel 3b blive tilovers, hvilken virker på samme måde som kniven i en vægt. Dæksler la, lb begrænser og indespærre to kamre 4 og 5 i rammen 1. Kammeret 4 indeholder vægtstangsblokken 3 og 25 transduceren 6, som udgøres af en svingende lamel, der for eksempel er udformet i et kvarts-monokrystal, og som er forbundet med vægtstangen 3's arm 3a.

Der er fortrinsvis valgt berryliumbronce, fordi det har en termisk 30 opførsel, der er således, at den delvist kompenserer for lamellens.

Kammeret 5 indeholder det deformerbare kammer 7, som udgøres af en bælg 7, der har et nyttigt tværsnit S, og som er fastgjort på rammen 1, og som via et koblingsled 7a,8 er forbundet med vægtstangens anden 35 arm 3c. Koblingsleddets stang 8 overfører den resulterende kraft fra trykdifferencen mellem trykkene Py og Ps, der respektivt hersker i kamrene 7 og 5. Denne kraft overføres ved hjælp af vægtstangsarmen 3a til transduceren 6. For at holde en konstant målekvalitet og for at undgå viskoelastiske fænomener på transduceren 6, er der dannet et 4 !

DK 160589 B

meget kraftigt vakuum i kammeret 4.

Tætheden mellem kamrene 4 og 5 er tilvejebragt ved hjælp af en bælg 9 med et nyttigt tværsnit s.

5

For at undgå almindelige fremstillingsfejl, som kan være frembragt ved den lille bælg 9, er det nødvendigt, at dens længdeakse, der passerer gennem dens fastgørelsespunkt til vægtstangen eller stangen 8, er sammenfaldende med aksen x for leddet 3b.

10

For at kræfterne, der overføres via bælgen 7 til stangen 8, og som er et måleudtryk for trykket Δ P, ikke skal blive fejlagtig, er det nødvendigt, at bælgens tværsnit S er meget stort i forhold til tværsnittet s af tætningsbæl gen 9, og at bælgen 9's stivhed er lille i forhold 15 til leddet 3b's stivhed for ikke at indføre forstyrrende spændinger på transduceren 6.

Svingningsfrekvensen for transduceren 6's kvarts er en funktion af de spændingsforhold, som den er underlagt via vægtstangen og bælgen 7.

20 Det er denne frekvens, som udgør følerens nummeriske udgangsinformation. Denne frekvens er udæmpet og måles gennem det fysiske princip for piezoelektricitet ved hjælp af metalelektroder eller metalliserede elektroder, som er tilvejebragt på transduceren ved fordampning under vakuum med udvalgte belægninger eller ved katodeforstøvning ved hjælp 25 af laserteknik.

Ligevægtsligningen for kræfterne, som er vist i fig. 2, kan skrives: PT*S*a-Pc»S*a + P»s»e-F»b = 0 T 5 s 30 eller

PT - Ps (1- s*c/S*a) = F · λ/S

35 hvor λ er forholdet b/a mellem vægtstangens arme, og hvor ε er liniestillingsfejlen for bælgen i forhold til aksen X for vægtstangens led.

Hvis man konstruktionsmæssigt indretter sig for at få: ε=0, kan man opnå:

5 DK 160589 B

Ργ - Ps = (λ . F)/S = Δ P

hvor λ/S er følerens følsomhedsfaktor.

5

Hvis ε ikke er nul, vil det forstyrrende moment blive:

Ps*s»£ , og fejlen på Δ P er: Ps*s*e/S»a 10 Denne fejl bliver så meget des mindre, hvis: 1. ε er tilnærmelsesvis 0 2. a er meget stor i sammenligning med ε 3. s er meget lille i forhold til S.

15

Et eksempel på en talmæssig anvendelse, hvor der med:

Pg (max.) = 1100 mbar Pj (max.) = 1500 mbar 20 s =0,03 cm2 S = 1 cm2 ε (max.) - 0,0005 cm a - 1 cm pc _2 0 vil være en fejl, som maksimalt er 1,65 x 10 mbar eller 1,1 x 10"^ for måleområdet (M.O.) for M.O. - 1500 mbar.

Hvis ensretningen af bælgen 9's akse med aksen for vægtstangens led 30 ikke er ordentlig, vil de fra bælgen 9 opståede spændinger alligevel ikke blive helt absorberet af vægtstangens led 3b, og et forstyrrende moment kan forekomme. Dog er dette moment ikke konstant, da det afhænger af mekaniske karakteristika og variationerne i bælgen 9's effektive overflade, idet det følger værdien af trykket, der eksisterer i 33 kammeret 5.

For at afhjælpe denne fejl og forbedre følsomheden for denne type følere, monteres i modsat stilling en anden bælg 9', hvis karakteristika i størst mulig udstrækning er identiske med disse for bælgen 9. Med

.« DK 160589 B

henblik på denne udformning, der er vist i fig. 3, har vægtstangen 3, hvis arm 3a altid er fastgjort på den ene ende af transduceren 6, sin arm 3c vinkelbøjet med en ret vinkel. Mod den ene af denne vinkelbøjede del 3d's flader er bælgen 9 understøttet, medens kompensations-5 bælgen 9' er understøttet på den overfor liggende flade af denne armdel 3d.

En åbning 31 er tilvejebragt i knæet 3d for at tillade, at det i kammeret 5 herskende tryk vil forekomme ensartet i de to bælge.

10

Da de to bælge er placeret på den ene og anden side af armen 3d mellem to på rammen 1 faste punkter 11 og 12, vil deres uregelmæssigheder og spændinger udlignes.

15 Disse bælges stivhed er lille i forhold til stivheden for vægtstangens led 3b for ikke at indføre forstyrrende spændinger ved transduceren.

Forholdet mellem den effektive overflade af bælgene 9,9' og den effektive overflade af bælgen 7 er stor, for at deres indflydelse på over-20 førsi en af kraften F skal være negligerbar.

For, på bedst mulig måde, at reducere fejlenes maksimum, er længdeaksen for bælgene 9,9' og deres fastgørelsespunkt til vægtstangen desuden ensrettede med aksen X for vægtstangens led. Masserne 38 for statisk 25 ligevægt er placerede på akserne X og Y, således at det er muligt at føre tyngdepunktet for det mobile system tilbage på aksen Z for vægtstangens led, hvilket også er omdrejningsaksen. Langs aksen X vil ligevægt optræde på kanten af målebælgen. Ved at betragte vægtstangen isoleret, kan ligevægtsligningen for kræfterne ifølge fig. 4 skrives: 30

Pj*S*a - P^*S*a + P$*s*£ - P<.«s'*£' - F»b = 0 PT -Ps (1- (s· ε - s'-e'/S-a)) = λ/S-F 35 hvor fejlen σ på Δ P = Py - P^ er σ = P$ · (s·ε - s'*£')/S*a For at σ skal være lille, er det nødvendigt, at:

DK 160589 B

7 1. s · ε = s' · ε' 2. s . ε - s' · ε' er meget lille i sammenligning med S . a 3. s = s' ved valget af bælge 4. ε = ε' 5 ε og ε' repræsenterer ensretningsfejlene for hver af bælgenes akser i forhold til aksen X for vægtstangens led; ε - ε' kan opnås ved en meget præcis bearbejdning af emnerne eller ved hjælp af en reguleringsanordning for bælgenes kraftangrebspunkter, hvilken anordning gør det muligt 10 at gøre dem sammenfaldende.

Som eksempel kan angives, at der for et tryk Py på 1500 mbar (maxi) og Ps = 1100 mbar (maxi) med: 15 s' = 0,03 cm2 ± 0,00003 cm2 s = 0,03 cm2 + 0,00003 cm2 ε = ± 0,0005 cm ε' - ± 0,0005 cm S = 1 cm2 20 a = 1 cm fås en fejl på Δ P, som er: σ = 1100 (0,03 x 5-10"4 + 0,3003 x 5-10"4)/l 25 σ = 1100 x 0,06003 x 5·10"4 σ = 0,033 mbar 30 Følerens ydelse kan forbedres med en regulering, som gør det muligt at få et sammenfald mellem de ovenfor nævnte angrebspunkter for således at opnå ε = ε'.

I dette tilfælde fås: 35 σ = Ps/S*a (s-s') · ε σ = 1100/1 x 3·10~5 x 5·10"4 med en fejl, der er meget lille og i størrelsesordenen: 8 g σ = 16,5*10" mbar.

Apparatet ifølge opfindelsen gør det muligt at tilvejebringe præcisionsfølere og især differenstrykfølere med en meget stor præcision og 5 følsomhed, og som afgiver en information i en numerisk form, hvilket er meget fordelagtigt ved deres anvendelse inden for luftfartsteknik-området.

10 15 20 25 30 35

Claims (6)

9 DK 160589 B PATFNTKRAV.

1. Differenstrykføler, der omfatter en piezoelektrisk transducer (6) af resonanstypen med en svingende lamel, der på den ene side er fast- 5 gjort på en fast ramme (1), og som på den anden side er fastgjort på en arm (3a) af en vægtstang (3), der på transduceren overfører en resulterende kraft fra trykdifferencen (Py - P$) mellem et første og et andet kammer (5,7), som er tilført de tryk, hvis differens ønskes målt, og hvor det andet kammer (7) er deformerbart, idet det f.eks. udgøres 10 af en bælg, og som via et koblingsled er forbundet med den anden arm af vægtstangen, kendetegnet ved, at transduceren (6) og vægtstangen (3) er placeret i et under vakuum stående tredje kammer, at det andet kammer (7) er anbragt inden i det første kammer (5), og at koblingsleddet (7a,8) er forbundet med vægtstangen (3) via et de-15 formerbart tætningselement (9) mellem det første og det tredie kammer (4) på en sådan måde, at kraften på tætningselementet hidrørende fra trykdifferensen virker i en retning, der er parallel med vægtstangens (3) længdeakse (x), og passerer gennem vægtstangens (3) omdrejningsakse (3b). 20

2. Differenstrykføler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lamellen (6) er udført af et kvarts-monokrystal.

3. Differenstrykføler ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet 25 ved, at det deformerbare tætningselement er en tætningsbælg (9), hvis nyttige tværsnit (s) er meget lille i forhold til tværsnittet (S) af det andet kammer (7).

4. Differenstrykføler ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet 30 ved, at vægtstangen (3) er udført af en bronceblok, hvis termiske forhold udligner transducerens (6) termiske forhold.

5. Differenstrykføler ifølge krav 3, kendetegnet ved, at der for at udligne de mekaniske spændingsvariationer fra tætningsbælgen 35 (9), er tilvejebragt en anden bælg (9'), der mekanisk er identisk og underlagt det samme tryk som tætning s bæl gen (9), og som er monteret modsat liggende denne.

6. Differenstrykføler ifølge krav 5, kendetegnet ved, at DK 160589 B vægtstangen (3) har en arm (3d), der er vinkelbøjet 90° i forhold til vægtstangens længdeakse, hvilken arm (3d) ligger sideværts forskudt for omdrejningsaksen (3b) og påvirker begge de over for hinanden liggende flader af bælgene (9,9'). 5 15 20 25 30 35