RU153752U1 - Датчик давления - Google Patents
Датчик давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU153752U1 RU153752U1 RU2014144663/28U RU2014144663U RU153752U1 RU 153752 U1 RU153752 U1 RU 153752U1 RU 2014144663/28 U RU2014144663/28 U RU 2014144663/28U RU 2014144663 U RU2014144663 U RU 2014144663U RU 153752 U1 RU153752 U1 RU 153752U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- balance
- transistor
- pressure sensor
- magnetic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
1. Датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде мембраны, преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал в составе связанного с мембраной колебательного звена и системы возбуждения автоколебаний, отличающийся тем, что колебательное звено выполнено в виде упругой растяжки, в средней части которой закреплен баланс, содержащий постоянные магниты и магнитопроводы с образованием магнитного зазора, при этом один конец упругой растяжки закреплен неподвижно, а другой соединен с жестким центром мембраны, система возбуждения автоколебаний составлена из неподвижной бифилярной электрической катушки, размещенной в магнитном зазоре баланса, и схемы формирования импульсов привода.2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что схема формирования импульсов привода выполнена на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, при этом одна секция бифилярной электрической катушки подключена к базе транзистора и общей шине, а вторая секция - к коллектору транзистора и шине питания, при этом коллектор и база транзистора связаны конденсатором.
Description
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления.
Известен ряд датчиков давления, в которых чувствительным элементом служит мембрана. Преобразование деформации мембраны осуществляют по разному. В напорометре (патент на ПМ RU 75468, опубл. 10.08.2008) применено механическое преобразование на основе трибкосекторного механизма. В датчике давления среды с эластичными стрелками (патент RU 2176387, опубл. 27.07.2001) используется волоконно-оптические преобразователь. Но чаще всего применяют в той или иной форме электрическое преобразование. В датчике разряжения (патент на ПМ RU 92 534,; опубл. 20.03.2010) используются контактные пары. В тонкопленочном датчике давления (патент RU 2345341, опубл. 27.01.2009) применены соединенные мостом тензоэлементы.
Однако, аналоговая форма сигнала вторичного преобразователя ограничивает точность измерения давления; Недостатком аналогового сигнала является его зависимость от внешних помех.
В качестве прототипа выбран датчик давления по патенту RU 2017100 МПК G01L 7/06, опубл. 30.07.1994. Рассматриваемый датчик давления содержит чувствительный элемент в виде мембраны и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, который выполнен в виде двух кронштейнов, установленных по диаметру вибрационной перемычки, натянутой между кронштейнами. Вибрационная перемычка является колебательным звеном.
Система возбуждения автоколебаний вибрационной перемычки представлена взаимосвязанными функциональными блоками - возбудителем, электромагнитным адаптером и усилителем. В описании к патенту отмечено: «Для обеспечения стабильности работы датчика и уменьшение гистерезиса его показаний мембрана 1, кронштейны 2 и 3, перемычка 4 и корпус8 выполнены за одно целое». Трудно представить как в единой детали из указанных элементов реализовать разноплановые требования к отдельным элементам. Мембрана и вибрационная перемычка должны выполняться из материалов с малыми гистерезисными потерями, например, марок 60С2А, Н41ХТА, К40НХМВ. Кронштейны должны иметь большую изгибную жесткость, которая, конечно, может быть достигнута формой, но при этом растет площадь их основания, следовательно, растет недеформируемая часть мембраны и как следствие растет нелинейность характеристики преобразования. Не очень ясно как в этой конструкции обеспечивается предварительное натяжение вибрационной перемычки. Натянутая вибрационная перемычка даст несимметричную относительно центра (в полярных координатах) деформацию мембраны.
Указанные обстоятельства предполагают существенную нелинейность преобразования, следовательно, значительную погрешность измерения давления.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения давления.
Указанный результат достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, чувствительный элемент в виде мембраны в выходной сигнал в составе связанного с мембраной колебательного звена и системы возбуждения автоколебаний, колебательное звено выполнено в виде упругой растяжки, в средней части которой закреплен баланс, содержащий постоянные магниты и магнитопроводы с образованием магнитного зазора, при этом один конец упругой растяжки закреплен неподвижно, а другой соединен с жестким центром мембраны, система возбуждения автоколебаний составлена из неподвижной бифилярной электрической катушки, размещенной в магнитном зазоре баланса, и схемы формирования импульсов привода. В датчике давления схема формирования импульсов привода выполнена на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, при этом одна секция бифилярной электрической катушки подключена к базе транзистора и общей шине, а вторая секция - к коллектору транзистора и шине питания, при этом коллектор и база транзистора связаны конденсатором.
На фиг. 1 изображен осевой разрез датчика давления; на фиг. 2 показано крепление конца растяжки в жестком центре мембраны; на фиг. 3 - крепление конца растяжки на неподвижном элементе; на фиг. 4 приведена электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода (СФИП); на фиг. 3 показан вид функций прогиба центра мембраны δu(Pu) и частоты колебаний баланса f(Pu)
Принятые обозначения
1 - корпус;
2 - винты крепления скобы;
3 - скоба П-образной формы;
4 - мембрана;
5 - растяжка;
6 - баланс;
7 - опора растяжки нижняя (жесткий центр мембраны);
8 - накладка опоры 7;
9 - винты накладки;
10 - глухое отверстие опоры;
11 - опора растяжки верхняя;
12 - накладка опоры 11;
13 - винты накладки;
14 - винт предварительного растяжения растяжки;
15 - базирующее отверстие опоры 11;
16 - магнитопроводная втулка баланса;
17, 18 - плоские магнитопроводы баланса;
19, 20 - постоянные магниты баланса;
21, 22 - противовесы баланса;
23 - электрическая катушка;
24 - электроизоляционная стойка;
25 - накладка;
26 - винты накладки катушки;
27 - винты стойки;
28 - электрический разъем;
29 - переходник.
Датчик давления устроен следующим образом. Имеется корпус 1, к которому винтами 2 присоединена скоба П-образной формы 3. В корпусе закаткой по контуру закреплена мембрана 4. По осевой линии устройства размещено колебательное звено, представленное плоской упругой лентой (растяжкой) 5 прямоугольного сечения толщиной h и шириной b и инерционной массой (балансом) 6. Концы растяжки закреплены в тисковых зажимах. Нижний зажим (фиг. 2) содержит опору 7 прямоугольного сечения в верхней ее части (здесь и дальше ориентация по чертежу), имеется накладка 8, которая с помощью винтов 9 закрепляет нижний конец растяжки. Для удобства сборки ниже нижней кромки накладки в опоре выполнено глухое отверстие 10 диаметром, соответствующим сечению растяжки. Нижняя часть опоры 7 имеет цилиндрическую форму и развальцовкой закреплена по центру мембраны. Верхний зажим образован опорой 11, накладкой 12 и винтами 13. Верхняя часть опоры 11 имеет квадратное сечение с центральным резьбовым отверстием и она размещена в отверстии квадратного сечения скобы 3. Крепление верхней опоры осуществляется винтом 14. Для базирования растяжки имеется отверстие 15.
Конструктивно баланс представляет собой сборочную единицу, составленную магнитопроводной втулкой 16, к которой по торцам развальцовкой присоединены два плоских магнитопровода 17, 18. Заметим, что на фиг. 1 позиции магнитопроводов 17, 18 не обозначены по причинам графической плотности изображения и достаточной ясности по связям и функциям этих элементов в конструкции баланса. По одним концам этих магнитопроводов встречно прикреплены постоянные магниты 19, 20 осевой намагниченности с образованием магнитного зазора. Для приведения центра масс баланса к оси втулки 16 по другим концам магнитопроводов установлены противовесы 21, 22. Крепление баланса в средней части растяжки осуществляется полукруглыми коническими штифтами, устанавливаемыми в отверстие втулки 16 (на чертеже не показаны).
Для обеспечения автоколебательного движения баланса в его магнитный зазор помещена бескаркасная бафилярная (намотанная в два провода) катушка 23. Магниты 19, 20 и катушка образуют магнитоэлектрический привод, управление которым осуществляет электронная схема формирования импульсов привода - СФИП. Электрическая катушка закреплена в расточке электроизоляционной стойки 24 с помощью накладки 25 и винтов 26. Стойка, в свою очередь, крепится к скобе 3 винтами 27. Схема формирования импульсов привода в простейшем варианте может быть выполнена в виде электронного ключа по рис.4 и смонтирована навесным монтажом на боковой поверхности стойки 24. Электрические выводы СФИП соединены с разъемом 28.
Присоединение измерителя давления к объекту исследования осуществляется с помощью переходника 29, который по внешней поверхности имеет шестигранную форму под стандартный гаечный ключ.
В реальной конструкции предусматривается герметизирующий чехол, закрывающий пространство автоколебательной системы (на фиг.1 чехол не показан).
Сборку измерителя давления осуществляют в следующей последовательности:
- развальцовывают в центральном отверстии мембраны 4 опору нижнюю 7;
- закаткой крепят по внешнему контуру мембрану 4 к корпусу 1;
- присоединяют в средней части заготовки растяжки предварительно собранный баланс;
- крепят верхний конец растяжки к верхней опоре 11;
- снизу вверх вставляют верхнюю опору в квадратное отверстие скобы 3 и предварительно закручивает винт 14;
- устанавливают и крепят к корпусу 1 скобу 3;
- крепят нижний конец растяжки к нижней опоре 7;
- устанавливают предварительно смонтированную (с катушкой 23 и СФИП) стойку 24 и подпаивают выводы СФИП к разъему 28;
- винтом 14 осуществляют исходное натяжение растяжки.
Последнюю операцию проводят исходя из амплитудного диапазона автоколебаний баланса. Большему натяжению растяжки соответствует большая частота автоколебаний, соответственно меньшая амплитуда автоколебаний баланса. По принципу работы магнитоэлектрического привода минимальная амплитуда баланса равна половине углового
размера катушки. Поэтому, подключив СФИП к источнику электропитания E закручивают винт 14, выдерживая амплитуду баланса несколько больше Данной настройке будет соответствовать собственная частота колебаний баланса fmax.
Под действием измеряемого давления исходный прогиб мембраны будет увеличиваться, следовательно, будет уменьшаться натяжение растяжки, что приведет к снижению частоты и увеличению амплитуды автоколебаний. Максимальная амплитуда обычно принимается равной 270°, если при этом значении не будет превзойдено допустимое механическое напряжение в растяжке.
Таким образом, диапазон измерения давления будет определяется перепадом амплитуд , которому в качестве выходного сигнала
соответствуют частоты на выходе СФИП от fmax до fmin.
Определим передаточную функцию датчика давления. Как было отмечено выше, исходная настройка частоты fmax колебательного звена баланс-растяжка осуществляется винтом 14. При этом мамбрана 4 будет испытывать предварительную деформацию (прогиб центра) δ0. Этому предварительному прогибу соответствует некоторое (виртуальное) давление P0 с внешней (нижней по чертежу) стороны мембраны.
Воспользуемся соотношениями Л.Е. Андреевой (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - М.: Машгиз, 1962. С. 232-233)
где R - внешний радиус мембраны;
В формуле (2) обозначено ЕM, hM, μ - соответственно модуль упругости первого рода материала мембраны, ее толщина и коэффициент Пуассона.
Q достаточной точностью можно принять μ=0,3, (см. замечание Л.Е. Андреевой), тогда формула (1) может быть записана в виде
Равнодействующая сил давления P0, приведенная к центру мембраны, равна
С учетом выражений (3), (4) получим силу предварительного натяжения растяжки
Частота собственных колебаний баланса определяется моментом инерции Iδ баланса 6 и жесткостью на кручение C растяжки 5
Жесткость С может быть выражена через первичные параметры
где Gp, hp, bp, lp - соответственно, модуль упругости 2-го рода (модуль сдвига) материала растяжки, толщина, ширина и длина растяжки;
F - сила натяжения растяжки.
Примем обозначения,
тогда формула (7) для исходной настройки примет вид
При появлении измеряемого давления Pu возникает дополнительная деформация δu мембраны 4
которой соответствует равнодействующая сила
Текущее значение частоты колебаний баланса при наличии измеряемого давления составит
В формуле (14) приняты обозначения
Преобразуя формулу (14) получим передаточную функцию датчика давления
На фиг.5 показаны вид функции прогиба центра мембраны 6u(Pu) и вид функции частоты колебаний баланса f(Pu). С ростом измеряемого давления Pu растет прогиб центра мембраны и уменьшается частота колебаний за счет снижения натяжения растяжки.
Предлагаемый датчик давления может использоваться либо в составе измерительно-вычислительного комплекса, либо в качестве автономного прибора. Во втором случае электронный блок прибора может быть реализован на базе микропроцессора, во флеш-память которого записывается передаточная функция датчика давления - формула (16).
Работает датчик давления следующим образом. С помощью переходника 29 закрепляют датчик давления на объекте исследования и соединяют кабелем электрический разъем 28 с электронным блоком.
При появлении измерительного давления Pu мембрана 4 испытывает дополнительный прогиб δu, который уменьшает натяжение растяжки 5. Уменьшение натяжения растяжки приводит к снижению частоты автоколебаний баланса 6. Частота автоколебаний со СФИП в форме импульсного сигнала через электрический разъем 28 передается в электронный блок, где обрабатывается по формуле (16).
Таким образом, в предлагаемом техническом решении мембрана работает полной поверхностью при малых деформациях, что обеспечивает линейность первичного преобразования. Датчик давления не содержит кинематических пар трения, соответственно, и зоны застоя. Колебательное звено баланс-растяжка обладает высокой добротностью и, как следствие, стабильностью его частоты. Частотный выходной сигнал датчика давления квантуется с высокой точностью и надежностью простыми аппаратными средствами. Указанные обстоятельства реализуют необходимую точность измерения при достаточно простой конструкции.
Claims (2)
1. Датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде мембраны, преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал в составе связанного с мембраной колебательного звена и системы возбуждения автоколебаний, отличающийся тем, что колебательное звено выполнено в виде упругой растяжки, в средней части которой закреплен баланс, содержащий постоянные магниты и магнитопроводы с образованием магнитного зазора, при этом один конец упругой растяжки закреплен неподвижно, а другой соединен с жестким центром мембраны, система возбуждения автоколебаний составлена из неподвижной бифилярной электрической катушки, размещенной в магнитном зазоре баланса, и схемы формирования импульсов привода.
2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что схема формирования импульсов привода выполнена на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, при этом одна секция бифилярной электрической катушки подключена к базе транзистора и общей шине, а вторая секция - к коллектору транзистора и шине питания, при этом коллектор и база транзистора связаны конденсатором.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014144663/28U RU153752U1 (ru) | 2014-11-05 | 2014-11-05 | Датчик давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014144663/28U RU153752U1 (ru) | 2014-11-05 | 2014-11-05 | Датчик давления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU153752U1 true RU153752U1 (ru) | 2015-07-27 |
Family
ID=53763031
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014144663/28U RU153752U1 (ru) | 2014-11-05 | 2014-11-05 | Датчик давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU153752U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU199237U1 (ru) * | 2020-04-30 | 2020-08-24 | Елена Александровна Бадеева | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2749644C1 (ru) * | 2020-11-23 | 2021-06-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Способ измерения низкого абсолютного давления газа и устройство для его осуществления |
-
2014
- 2014-11-05 RU RU2014144663/28U patent/RU153752U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU199237U1 (ru) * | 2020-04-30 | 2020-08-24 | Елена Александровна Бадеева | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2749644C1 (ru) * | 2020-11-23 | 2021-06-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Способ измерения низкого абсолютного давления газа и устройство для его осуществления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU153752U1 (ru) | Датчик давления | |
CN103278396A (zh) | 一种测定砂浆动态弯拉力学性能的试验方法及试验装置 | |
Kumar et al. | Resonance based DC current sensor | |
CN204924542U (zh) | 一种用于防浪墙的波浪力测试装置 | |
CN105136898B (zh) | 一种基于检测电荷的挠曲电动态效应直接检测装置及方法 | |
KR101056473B1 (ko) | 계측 기기 | |
US9140619B2 (en) | Piezoelectric vacuum gauge and measuring method thereof | |
CN105403748A (zh) | 一种基于挠曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置及方法 | |
CN112729479A (zh) | 一种线圈型磁致伸缩传感器 | |
CN201637384U (zh) | 小位移测量传感器 | |
CN102706491B (zh) | 一种微型电阻应变式拉力传感器 | |
CN203169160U (zh) | 脉搏跳动血压波强度传感器 | |
CN203572435U (zh) | 一种微弱应变测量系统 | |
RU165999U1 (ru) | Магнитоэлектрический датчик магнитного поля | |
Istvan et al. | Vibrating wire sensor measurement method by stimulation with steps of variable frequency sinusoidal pulse trains | |
CN211452684U (zh) | 法兰式抗弯矩静态扭矩传感器 | |
CN203824678U (zh) | 压电感应式拳击测力计 | |
CN203464986U (zh) | 一种电磁力平衡的微量天平 | |
CN202614614U (zh) | 数显杨氏模量测量仪 | |
CN108955985B (zh) | 一种可以测试多轴向力学物理量的传感器结构 | |
RU115474U1 (ru) | Устройство для измерения механических напряжений | |
RU159820U1 (ru) | Частотный датчик давления | |
RU123143U1 (ru) | Частотный датчик давления | |
CN108986774A (zh) | 固定器以及弦乐器 | |
CN204065379U (zh) | 超声相位差法磁致伸缩系数测定仪 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20151106 |