RU159820U1

RU159820U1 - FREQUENCY PRESSURE SENSOR

Info

Publication number: RU159820U1
Application number: RU2015133842/28U
Authority: RU
Inventors: Валерий Петрович Деревянкин; Николай Николаевич Макаров; Игорь Алексеевич Кузнецов; Михаил Юрьевич Сорокин
Original assignee: Акционерное общество "Ульяновское конструкторское бюро приборостроения" (АО "УКБП")
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2016-02-20

Abstract

Частотный датчик давления, содержащий модуль давления, включающий в себя предварительный преобразователь, являющийся одновременно входом модуля давления, соединенный с вибрирующим чувствительным элементом, выход которого соединен со схемой возбуждения и регистрации колебаний, содержащей приемник сигналов резонансного контура, соединенного с усилителем и обратным преобразователем, образующим с вибрирующим чувствительным элементом положительную обратную связь, а усилитель соединен со схемой обработки и выдачи сигнала, соединенной с постоянным запоминающим устройством, термочувствительный элемент, соединенный со схемой компенсации температурной погрешности, соединенной с постоянным запоминающим устройством, выход которой подключен к схеме обработки и выдачи сигнала, отличающийся тем, что в него введены первичный преобразователь и соединенная с ним схема компенсации изменения плотности среды, вход которой соединен с постоянным запоминающим устройством, а выход соединен со схемой обработки и выдачи сигнала, выход которой является выходом частотного датчика давления.A frequency pressure sensor comprising a pressure module including a pre-converter, which is simultaneously the input of a pressure module, connected to a vibrating sensing element, the output of which is connected to an excitation and registration circuit of oscillations containing a signal receiver of a resonant circuit connected to an amplifier and an inverse transducer forming positive feedback with a vibrating sensing element, and the amplifier is connected to a signal processing and output circuit connected to read-only memory device, a thermosensitive element connected to a temperature error compensation circuit connected to a read-only memory device, the output of which is connected to a signal processing and output circuit, characterized in that a primary converter and a compensation circuit for changing the density of the medium are connected to it, an input which is connected to a read-only memory, and the output is connected to a signal processing and output circuit, the output of which is the output of a frequency sensor eniya.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения воздушных давлений в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.The utility model relates to measuring technique and can be used to measure air pressures in airborne signal systems of aircraft.

Известны частотные датчики давления с вибрирующим цилиндром, принцип работы которых в режиме автоколебаний подробно описан в книгах Боднер В.А. «Приборы первичной информации: Учебник для авиационных вузов». - М.: Машиностроение, 1981 г., Клюев Г.И. и др. «Авиационные приборы и системы» УлГТУ, 2000 г., Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.Н. «Датчики контроля и регулирования». -М.: Машиностроение, 1965 г.Known frequency pressure sensors with a vibrating cylinder, the principle of operation of which in the mode of self-oscillation is described in detail in the books of VA Bodner. "Instruments of Primary Information: A Textbook for Aviation Universities." - M.: Mechanical Engineering, 1981, G. Klyuyev et al. “Aviation devices and systems” UlSTU, 2000, Ageikin DI, Kostina EI, Kuznetsova NN "Control and regulation sensors." -M.: Engineering, 1965

В данных частотных датчиках давления схема возбуждения и регистрации колебаний, за счет создания положительной обратной связи поддерживает колебания вибрирующего цилиндра в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего цилиндра зависит от измеряемого давления: увеличение измеряемого давления приводит к изменению геометрических размеров и жесткости чувствительного элемента, частота собственных колебаний также увеличивается, а за счет положительной обратной связи схемой возбуждения и регистрации колебаний изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего цилиндра в соответствии с резонансной кривой.In these frequency pressure sensors, the scheme of excitation and registration of vibrations, by creating positive feedback, supports vibrations of the vibrating cylinder in resonance at a specific harmonic, and the frequency of natural vibrations of the vibrating cylinder depends on the measured pressure: an increase in the measured pressure leads to a change in the geometric dimensions and rigidity of the sensitive element , the frequency of natural oscillations also increases, and due to the positive feedback by the excitation and regis In the process of oscillation, the excitation frequency changes through the inverse transducer to obtain the maximum amplitude of the oscillations of the walls of the vibrating cylinder in accordance with the resonance curve.

В установившемся режиме частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента (вибрирующего цилиндра) изменяется от измеряемого давления по следующей зависимости:In the steady state, the natural frequency of the vibrating sensing element (vibrating cylinder) varies from the measured pressure according to the following relationship:

где E - модуль упругости материала вибрирующего чувствительного элемента;where E is the elastic modulus of the material of the vibrating sensing element;

m - приведенная масса в кг;m is the reduced mass in kg;

δ - толщина стенки вибрирующего чувствительного элемента в см (характерный размер 0,01-0,03 см);δ is the wall thickness of the vibrating sensing element in cm (characteristic size 0.01-0.03 cm);

l - длина вибрирующего чувствительного элемента в см (характерный размер 3-5 см);l is the length of the vibrating sensing element in cm (typical size 3-5 cm);

b - диаметр вибрирующего чувствительного элемента в см (характерный размер 1,5-2 см);b is the diameter of the vibrating sensing element in cm (typical size 1.5-2 cm);

Р - измеряемое давление в кг/см².P is the measured pressure in kg / cm ² .

Однако при изменении температуры от номинальной происходит изменение рабочей резонансной кривой и работа схемы возбуждения и регистрации колебаний происходит по измененной резонансной кривой. Это и вызывает появление температурной погрешности, которая достигает 30% от измеряемой величины для данного датчика, что является недопустимым при использовании в прецизионных измерителях давления. Внедрение в конструкцию преобразователя термочувствительного элемента с последующей компенсацией выходного сигнала по информации о температуре позволяет уменьшить температурную погрешность, что описано в патенте №123143 РФ МПК: G01L 11/00 «Частотный датчик давления» от 06.06.2012 г., взятом за прототип и содержащим модуль давления, состоящий из предварительного преобразователя, вибрирующего чувствительного элемента, схемы обработки и выдачи сигнала, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов, схемы возбуждения и регистрации колебаний, включающей в себя приемник сигналов резонансного контура, усилитель, обратный преобразователь, термочувствительный элемент, схему компенсации температурной погрешности.However, when the temperature changes from the nominal temperature, the working resonance curve changes and the operation of the excitation and registration of oscillations occurs along the changed resonance curve. This causes the appearance of a temperature error, which reaches 30% of the measured value for this sensor, which is unacceptable when used in precision pressure meters. The introduction of a thermosensitive element into the design of the converter, followed by compensation of the output signal according to temperature information, allows to reduce the temperature error, which is described in IPC patent No. 123143 of the Russian Federation IPC: G01L 11/00 “Frequency pressure sensor” dated 06.06.2012, taken as a prototype and containing pressure module, consisting of a pre-converter, a vibrating sensing element, a signal processing and output circuit, a read-only memory (ROM) for storing calibration coefficients, a circuit uzhdeniya and registering vibrations including a signal receiver resonant circuit, amplifier, inverter, temperature sensing element, a temperature error compensation circuit.

Известно, что частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента также зависит от плотности среды, давление которой необходимо измерить. В известном частотном датчике погрешность измерения давления в зависимости от плотности среды изменяется в диапазоне от 1,225 кг/м³ до 0,195 кг/м³, что соответствует изменению высоты полета от О км до 15 км (ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры»), что достигает 10% от измеряемой величины давления.It is known that the frequency of natural vibrations of a vibrating sensing element also depends on the density of the medium, the pressure of which must be measured. In the known frequency sensor, the error in measuring pressure depending on the density of the medium varies in the range from 1.225 kg / m ³ to 0.195 kg / m ³ , which corresponds to a change in flight height from O km to 15 km (GOST 4401-81 “Standard atmosphere. Parameters” ), which reaches 10% of the measured pressure.

Сущность полезной модели заключается в следующем.The essence of the utility model is as follows.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание частотного датчика давления с повышенной точностью измерения давления.The problem to which the claimed utility model is directed is to create a frequency pressure sensor with increased accuracy of pressure measurement.

Технический результат заключается в повышении точности измерения давления.The technical result is to increase the accuracy of pressure measurement.

Указанный технический результат достигается тем, что частотный датчик давления содержит модуль давления, включающий в себя предварительный преобразователь, вибрирующий чувствительный элемент (вибрирующий цилиндр), схему обработки и выдачи сигнала, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов, схему возбуждения и регистрации колебаний, содержащую приемник сигналов резонансного контура, усилитель, обратный преобразователь, термочувствительный элемент, схему компенсации температурной погрешности, первичный преобразователь, схему компенсации изменения плотности среды.The specified technical result is achieved in that the frequency pressure sensor comprises a pressure module including a pre-converter, a vibrating sensing element (vibrating cylinder), a signal processing and output circuit, a read-only memory (ROM) for storing calibration coefficients, an excitation and registration circuit for oscillations comprising a receiver of resonant circuit signals, an amplifier, an inverter, a temperature-sensitive element, a temperature error compensation circuit , primary converter, compensation scheme for changes in the density of the medium.

Особенностью заявляемого технического решения является то, что в частотный датчик давления вводится схема компенсации изменения плотности среды, которая чувствительна к изменению плотности измеряемой среды.A feature of the claimed technical solution is that a compensation circuit for a change in the density of the medium, which is sensitive to a change in the density of the measured medium, is introduced into the frequency pressure sensor.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого частотного датчика давления, гдеIn FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed frequency pressure sensor, where

1 - модуль давления, содержащий1 - pressure module containing

2 - предварительный преобразователь,2 - pre-Converter

3 - вибрирующий чувствительный элемент,3 - vibrating sensing element,

4 - схему обработки и выдачи сигнала,4 is a diagram of a signal processing and output,

5 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ),5 - read-only memory (ROM),

6 - схему возбуждения и регистрации колебаний, содержащую6 is a diagram of the excitation and registration of vibrations containing

7 - приемник сигналов резонансного контура,7 - receiver of the resonant circuit signals,

8 - усилитель,8 - amplifier

9 - обратный преобразователь,9 - inverter

10 - термочувствительный элемент,10 - heat-sensitive element,

11 - схема компенсации температурной погрешности.11 is a diagram of temperature error compensation.

12 - первичный преобразователь,12 - primary Converter

13 - схема компенсации изменения плотности среды.13 is a diagram of compensation for changes in the density of the medium.

На фиг. 2 представлены графики изменения относительной погрешности, вызванной изменением плотности измеряемой среды прототипа и предлагаемого частотного датчика давления.In FIG. 2 presents graphs of changes in relative error caused by a change in the density of the measured medium of the prototype and the proposed frequency pressure sensor.

Предлагаемый частотный датчик давления содержит модуль давления 1 включающий в себя предварительный преобразователь 2, вибрирующий чувствительный элемент 3, схему обработки и выдачи сигнала 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, схему возбуждения и регистрации колебаний 6, состоящую из приемника сигналов резонансного контура 7, усилителя 8, обратного преобразователя 9, термочувствительный элемент 10, схему компенсации температурной погрешности 11, первичный преобразователь 12, схему компенсации изменения плотности среды 13.The proposed frequency pressure sensor comprises a pressure module 1 including a preliminary transducer 2, a vibrating sensing element 3, a signal processing and output circuit 4, a read-only memory (ROM) 5, an oscillation excitation and recording circuit 6, consisting of a signal receiver of the resonant circuit 7, an amplifier 8, an inverse transducer 9, a heat-sensitive element 10, a compensation circuit for temperature error 11, a primary transducer 12, a compensation circuit for changes in the density of the medium 13.

Работа предлагаемого частотного датчика происходит следующим образом. Модуль давления 1, содержащий схему возбуждения и регистрации колебаний 6, за счет создания положительной обратной связи поддерживает колебания вибрирующего чувствительного элемента 3 в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 зависит от измеряемого давления: увеличение измеряемого давления приводит к изменению геометрических размеров и жесткости вибрирующего чувствительного элемента 3, частота собственных колебаний также увеличивается, а за счет положительной обратной связи схемой возбуждения и регистрации колебаний 6 изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь 9 для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего чувствительного элемента 3 в соответствии с резонансной кривой.The work of the proposed frequency sensor is as follows. The pressure module 1, containing the excitation and registration circuit of the oscillations 6, by creating a positive feedback supports the vibrations of the vibrating sensor 3 in resonance at a certain harmonic, and the frequency of natural vibrations of the vibrating sensor 3 depends on the measured pressure: an increase in the measured pressure leads to a change in geometric size and rigidity of the vibrating sensing element 3, the frequency of natural vibrations also increases, and due to the positive In the feedback loop, the excitation frequency 6 changes the excitation frequency through the inverter 9 to obtain the maximum vibration amplitude of the walls of the vibrating sensing element 3 in accordance with the resonance curve.

Калибровочные коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве 5, используются при формировании выходного сигнала частотного датчика давления для приведения в соответствие выходного сигнала измеряемому давлению с учетом нелинейности функции преобразования чувствительного элемента.Calibration coefficients stored in the read-only memory 5 are used when generating the output signal of the frequency pressure sensor to bring the output signal into line with the measured pressure, taking into account the non-linearity of the conversion function of the sensing element.

Схема компенсации температурной погрешности 11 преобразует выходной сигнал с термочувствительного элемента 10, в электрический сигнал с учетом нелинейности выходного сигнала термочувствительного элемента 10 и нелинейности изменения частоты собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 от измеряемого давления и температуры, используя калибровочные коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве 5.The temperature error compensation circuit 11 converts the output signal from the heat-sensitive element 10 into an electric signal, taking into account the non-linearity of the output signal of the heat-sensitive element 10 and the non-linearity of the change in the natural frequency of the vibrating sensitive element 3 from the measured pressure and temperature, using calibration coefficients stored in the permanent memory 5 .

В качестве первичного преобразователя 12 для схемы компенсации изменения плотности среды 13 предпочтительным является конденсатор, величина емкости которого определяется в соответствии с выражением (для плоского конденсатора), приведенным в книге Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. «Измерительная техника»: Учебное пособие для технических вузов.- М.: Высш. шк., 1991 г.:As the primary transducer 12 for the compensation circuit for changes in the density of the medium 13, a capacitor is preferable, the value of the capacitance of which is determined in accordance with the expression (for a flat capacitor) given in the book Aliyev T.M., Ter-Khachaturov A.A. "Measuring equipment": A textbook for technical universities. - M.: Higher. school, 1991:

где С - величина емкости, Ф;where C is the value of capacity, f;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;ε is the relative dielectric constant;

ε₀ - электрическая постоянная, равная 8.86·10^-12 Ф/м;ε ₀ is the electric constant equal to 8.86 · 10 ^-12 F / m;

S - площадь обкладок, м²;S is the area of the plates, m ² ;

d - расстояние между обкладками, м.d is the distance between the plates, m

Для воздуха диэлектрическая проницаемость ε при нормальных условиях равна 1,00058. При давлении 4 МПа проницаемость возрастает до величины 1,0218.For air, the dielectric constant ε under normal conditions is equal to 1,00058. At a pressure of 4 MPa, permeability increases to 1.0218.

В соответствии с ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры» плотность воздуха меняется в соответствии со следующим выражением:In accordance with GOST 4401-81 “The atmosphere is standard. Parameters "air density varies in accordance with the following expression:

где ρ - плотность, кг/м³;where ρ is the density, kg / m ³ ;

P - давление, Па;P is the pressure, Pa;

R - удельная газовая постоянная, равная 287,05287 Дж/(кг·К);R is the specific gas constant equal to 287.05287 J / (kg · K);

Т - температура, К.T is the temperature, K.

Таким образом, изменение плотности воздуха приводит к изменению количества молекул, приходящихся на единицу объема, что в свою очередь ведет к изменению диэлектрической проницаемости в соответствии с известными зависимостями изменения диэлектрической проницаемости от числа молекул и дипольного момента.Thus, a change in the density of air leads to a change in the number of molecules per unit volume, which in turn leads to a change in the dielectric constant in accordance with the known dependences of the change in dielectric constant on the number of molecules and the dipole moment.

Как видно из фиг. 2 при уменьшении плотности среды ρ, выраженной в кг/м³ в предлагаемом частотном датчике давления снижается его относительная погрешность, выраженная в %.As can be seen from FIG. 2 with a decrease in the density of the medium ρ, expressed in kg / m ³ in the proposed frequency pressure sensor decreases its relative error, expressed in%.

Введение в конструкцию датчика первичного преобразователя 12 и схемы компенсации изменения плотности среды 13, которая преобразует выходной сигнал с первичного преобразователя 12, расположенного в полости измерения давления, используя калибровочные коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве 5, позволит скомпенсировать изменение собственной частоты колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 путем изменения выходного сигнала самого датчика в соответствии с изменением плотности измеряемой среды.Introduction to the design of the sensor of the primary transducer 12 and the compensation scheme for the change in the density of the medium 13, which converts the output signal from the primary transducer 12 located in the pressure measurement cavity using calibration coefficients stored in the permanent memory 5, will compensate for the change in the natural frequency of the vibrations of the vibrating sensing element 3 by changing the output signal of the sensor itself in accordance with a change in the density of the medium being measured.

Предварительные испытания предложенной схемы подтвердили эффективность разработанной схемы компенсации изменения плотности, удалось снизить величину погрешности приблизительно на 30%.Preliminary tests of the proposed scheme confirmed the effectiveness of the developed scheme for compensating for density changes; it was possible to reduce the error by about 30%.

Claims

A frequency pressure sensor comprising a pressure module including a pre-converter, which is simultaneously the input of a pressure module, connected to a vibrating sensing element, the output of which is connected to an excitation and registration circuit of oscillations containing a signal receiver of a resonant circuit connected to an amplifier and an inverse transducer forming positive feedback with a vibrating sensing element, and the amplifier is connected to a signal processing and output circuit connected to read-only memory device, a thermosensitive element connected to a temperature error compensation circuit connected to a read-only memory device, the output of which is connected to a signal processing and output circuit, characterized in that a primary converter and a compensation circuit for changing the density of the medium are connected to it, an input which is connected to a read-only memory, and the output is connected to a signal processing and output circuit, the output of which is the output of a frequency sensor eniya.