RU1778565C - Датчик давлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к электромеханическим датчикам давлени  и может быть использовано дл  измерени  давлени  различных сред. Цель изобретени  - повышение точности датчика давлени . Сущность изобретени : датчик давлени  содержит упругий чувствительный элемент, св занный с преобразователем перемещени  упругого элемента в электрический сигнал. Преобразователь перемещени  выполнен в виде осцилл тора типа баланс-спираль с электронной схемой привода , при этом упругий чувствительный элемент кинематически св зан с механизмом изменени  действующей длины спирали баланса , а выходом датчика  вл етс  выход электронной схемы привода. Новым в датчике давлени   вл етс  наличие осцилл тора (колебательной системы) типа баланс-спираль него св зь с упругим чувствительным элементом, в результате чего по- вышаютс  точностные характеристики датчика давлени . 3 ил.

Description

1Л

С

Изобретение относитс  к приборостроению , в частности к устройствам дл  измерени  давлени , а именно к электромеханическим датчикам давлени .

Известны электромеханические дистанционные манометры, которые можно разделить на пружинные и силовые. В пружинном манометре электрический сигнал получаетс  на основе преобразовани  перемещени , а в силовых - на основе преобразовани  силы, развиваемой чувствительным элементом (или путем уравновешивани  этой силы).

В зависимости от способа измерени  силы, развиваемой чувствительным элементом , различают две разновидности манометров силового типа: с пр мым преобразованием силы в электрический сигнал и с силовой компенсацией (с уравновешиванием ).

Электромеханический манометр с пр мым преобразованием силы в электрический сигнал состоит из датчика и электрической дистанционной передачи. Рассмотрим обобщенные принципиальные схемы датчиков с неупругим чувствительным элементом.

В первом случае чувствительный элемент представл ет собой поршень, расположенный в цилиндре, в левую и в правую полости которого подаютс  давлени  Pi и Ра. Под действием разности давлений Р PI - Ра поршень развивает силу. Поршень механически св зан с элементом, обладающим свойством непосредственного преобразовани  силы Р в электрический параметр Z (сопротивление, индуктивность, емкость.

VI Х| 00

ел о ел

напр жение или др.). Чувствительный элемент в виде поршн  имеет недостатки: он обладает большой погрешностью от трени , кроме того, возможно перетекание жидкости или газа из одной полости в другую.

От этих недостатков свободен датчик с упругим чувствительным элементом, выполненный в виде мембраны 4, раздел ющей корпус 5 на две полости, в которые подаютс  давлени  PI и Р2. Подвижный центр мем- браны опираетс  на электрический преобразователь 6, выдающий сигнал Z, завис щий от приложенной силы. Дл  преобразовани  силы в электрический сигнал могут быть использованы: магнитоупругие, угольные и пьезоэлектрические преобразователи .

Пьезоэлектрический преобразователь непригоден дл  измерени  посто нного или медленно измен ющегос  давлени . Это объ сн етс  тем, что возникающие на кварце зар ды не могут сохран тьс  длительное врем  и исчезают за доли секунды из-за утечки в элементах измерительной схемы.

Магнитоупругие и угольные преобразо- ватели, в отличие от пьезоэлектрического, могут работать при посто нном и переменном давлении, но точность преобразовани  силы в электрический сигнал (L или R) невысока из-за того, что их характеристики нелинейны, обладают гистерезисом и температурными погрешност ми,

Известен пружинный датчик давлени , где в качестве упругого чувствительного элемента используетс  мембрана, котора  через передаточный механизм св зана с по- тенш/юметрическим преобразователем перемещений . Недостатком потенциометри- ческих преобразователей перемещений  вл етс  наличие скольз щих контактов, сни- жающих надежность прибора.

Этот недостаток устранен в индуктивном датчике давлени , который принимаетс  за прототип.

Рассмотрим типичную конструкцию этого датчика. Датчик содержит упругий чувствительный элемент (мембрана или сильфон), который соединен передаточным механизмом с  корем индуктивного преобразовател  перемещений.

Работа индуктивного датчика происходит следующим образом.

Измер емое давление воздействует на упругий чувствительный элемент, который перемещает  корь индуктивного преобра- зовател  перемещений. При перемещении  кор  от нейтрального положени  индуктивность Li одной катушки увеличиваетс , а индуктивность 1.2 другой катушки уменьшаетс . Так как катушки включены в соседние

плечи мостовой схемы, то происходит разбаланс схемы и в диагонали моста по вл етс  выходное напр жение, соответствующее величине перемещени   кор  и, следовательно , соответствующее величине измер емого давлени . Первичные обмотки индуктивного преобразовател  перемещений питаютс  током повышенной частоты (28 кГц), который генерируетс  полупроводниковым преобразователем. Выходное напр жение со вторичных обмоток индуктивного преобразовател  перемещений выпр мл етс  и подаетс  на выходные клеммы штепсельного разъема.

Рассмотренный датчик давлени  содержит индуктивный преобразователь перемещений , который относитс  к группе электромагнитных чувствительных элементов . Точностные характеристики датчика оп- редел ютс  в основном точностными характеристиками преобразовател  перемещений . Результаты измерени  будут зависеть от температуры (т.к. измен етс  сопротивление обмоток индуктивного преобразовател ), амплитуды и частоты напр жени  питани . Кроме того, на  корь индуктивного преобразовател  перемещений действует сила прит жени  к сердечнику , св занна  с магнитным действием тока, протекающего в обмотках преобразовател , что также отрицательно вли ет на точностные характеристики датчика.

Целью изобретени   вл етс  повышение точностных характеристик датчика давлени .

Цель достигаетс  тем, что в известном датчике давлени , содержащем упругий чувствительный элемент, св занный с преобразователем перемещени  упругого элемента в электрический сигнал, преобразователь перемещени  выполнен в виде осцилл тора типа баланс-спираль с электронной схемой привода, при этом упругий чувствительный элемент кинематически св зан с механизмом изменени  действующей длины спирали баланса, а выходом датчика  вл етс  выход электронной схемы привода.

Предложенна  конструкци  устран ет недостатки прототипа, отмеченные выше, содержит в своем составе осцилл тор типа баланс-спираль, что повышает точностные характеристики датчика давлени .

На фиг. 1 изображена конструкци  датчика давлени  и показана св зь упругого чувствительного элемента с осцилл тором типа баланс-спираль; на фиг. 2 - конструкци  передаточного механизма и осцилл тора типа баланс-спираль, а также условно показана схема привода; на фиг. 3 - принципиальна  схема привода осцилл тора типа баланс-спираль

Датчик давлени  содержит упругий чувствительный элемент (сильфон) 1, закрепленный винтом 2 на основании 3. На том же основании 3 размещен передаточный механизм , который состоит из установленного на оси 4 рычага 5, один конец которого соединен с упругим чувствительным элементом 1 с помощью регулировочного винта 6, законтренного гайкой 7, а другой конец рычага 5 выполнен в виде зубчатого сектора 8 и соединен с зубчатым колесом 9 и .пружиной

10.Зубчатое колесо 9 установлено на втулке

11.закрепленной на основании 3 винтами

12.Теми же винтами 12 на торце втулки 11 закреплена шайба 13. На колесе 9 жестко установлен рычаг 14. на конце которого размещены штифты 15с некоторым зазором по отношению к часовой спирали 16. Внутренний конец часовой спирали 16 укреплен в колодке 17, соединенной с осью 18, а наружный конец спирали крепитс  винтом 19 в колонке 20, запрессованной в основание 3. Ось 18 находитс  в рубиновых подшипниках , состо щих из сквозного 21 и накладного 22 часовых камней (нижн   опора оси условно не показана). На оси 18 закреплен баланс, выполненный в виде двух пластин 23, 24 из магнитом гкого материала. На одной стороне этих пластин наход тс  посто нные магниты 25, 26, обращенные друг к другу разноименными полюсами. Дл  уравновешивани  посто нных магнитов 25, 26 на противоположных концах пластин 23, 24 установлены противовесы 27, 28.

Баланс, закрепленный на оси 18, и спираль 16 образуют осцилл тор (колебательную систему) типа баланс-спираль.

В зазоре посто нных магнитов 25, 26 размещена управл юща  катушка 29(L). соединенна  со схемой привода 30 и выходной клеммой Xi датчика давлени .

Осцилл тор типа баланс-спираль, рассмотренный выше, управл юща  катушка 29(L) и схема привода 30 образуют электронно-механический спусковой регул тор.

Схема привода 30 изображена на фиг, 3 и предназначена дл  возбуждени  и поддержани  колебательных движений осцилл тора типа баланс-спираль.

Схема привода представл ет собой ас- табильную релаксационную схему и содержит два усилительных каскада, сильно св занных друг с другом обратной св зью и построенных на базе двух взаимодополн ющих друг другл структур транзисторов Vi и V2. Кроме тогп. в схему привода, как составна  ее часть схема стабилизации амплитуды кочсГт ний осцилл тора типа баланс-спираль, выполненна  на транзисторах Vs-Vs.

Предложенный датчик давлени  работает следующим образом. При подаче на- 5 пр жени  питани  Un -посто нного тока схема привода 30 вырабатывает пр моугольные импульсы напр жени  с определенной амплитудой, длительностью и периодом, которые поступают науправл ю0 щую катушку 29(1.), следовательно, через нее будет проходить импульсный ток, так называемые импульсы привода, образующие импульсное магнитное поле. Взаимодействие этого пол  с полем посто нных

5 магнитов 25, 26 создает момент импульса, возбуждающий автоколебательное движение осцилл тора типа баланс-спираль. При колебани х осцилл тора магнитное поле посто нных магнитов 25, 26 пересекает вит0 ки управл ющей катушки 29(L) и в ней по в- л етс  индуцированное напр жение, вследствие чего происходит синхронизаци  импульсов привода релаксатора. Таким образом , период следовани  импульсов при5 вода будет определ тьс  параметрами осцилл тора: массой баланса и действующей длиной спирали 16. Конденсатор СЗ служит дл  срыва высокочастотной генерации .

0Стабилизаци  амплитуды колебаний осцилл тора при увеличении нагрузки и изменении напр жени  питани  осуществл етс  следующим образом. Положительное индуцируемое напр жение в управл ющей ка5 тушке L (фиг. 3) сравниваетс  с величиной опорного порогового напр жени  между эмиттером и базой транзистора V4. Опорное пороговое напр жение определ етс  делителем Re, Rg. Если в результате сравнени 

0 индуцированное напр жение по величине больше или меньше опорного порогового напр жени , то происходит больший или меньший зар д конденсатора С2 через транзистор Уз, который выполн ет функции пе5 ременного сопротивлени . При этом происходит перераспределение цепей разр да конденсатора Ci, что, в свою очередь, приводит к изменению длительности генерируемого импульса. Так, например, при

0 увеличении напр жени  питани  возрастает амплитуда колебаний осцилл тора, что приводит к увеличению индуцируемого в катушке L напр жени . Это напр жение превысит опорное пороговое напр жение и

5 приведет к отпиранию транзистора Vs и зар ду конденсатора С2. Открывшийс  транзистор Va создает дополнительную цепь разр да конденсатора Ci и длительность импульса привода уменьшитс , следовательно , уменьшитс  количество энергии, сообщаемой осцилл тору, и его амплитуда колебаний снизитс  до нормального (требуемого ) значени . Поддержание амплитуды колебаний осцилл тора на заданном уровне обеспечивает стабильность периода следовани  импульсов привода.

Измер емое давление окружающей среды воздействует на упругий чувствительный элемент (сил ьфон}1, который, сжима сь или раст гива сь, поворачивает рычаг 5 вокруг оси 4, Зубчатый сектор 8 рычага 5 поворачивает колесо 9 вокруг втулки 11, как вокруг оси. Пружина 10 служит дл  устранени  люфтов. Вместе с зубчатым колесом 9 поворачиваетс  закрепленный на нем рычаг 14 со штифтами 15, что приводит к изменению действующей длины спирали 16. Таким образом, в зависимости от величины измер емого давлени  происходит изменение действующей длины спирали 16, что приводит к изменению периода колебаний осцилл тора типа баланс-спираль, а, значит, и к изменению периода следовани  импульсов привода в управл ющей катушке 29(L). На основании вышеизложенного  сно, что выходным сигналом датчика давлени   вл етс  величина периода импульсов привода, котора  содержит информацию о величине измер емого давлени . Выходной сигнал датчика подаетс  на контакт XL

Как указывалось выше, точностные характеристики прототипа завис т от амплитуды и частоты напр жени  питани . Из рассмотрени  предложенного технического решени  следует, что оно свободно от этих

недостатков. Кроме того, точностные характеристики прототипа завис т от температуры , т.к. измен етс  сопротивление обмоток индуктивного преобразовател . Как указывалось выше, точностные характеристики предложенного технического решени  определ ютс  в основном осцилл тором типа баланс-спираль. Спираль осцилл тора изготавливаетс  из специальных железо-никелевых сплавов (элинвар, Н41ХТА), которые  вл ютс  термокомпенсационными (Л-4, стр. 87-89).

Поэтому по сравнению с прототипом (с медными обмотками индуктивного преобразовател ) температурна  погрешность предложенного датчика давлени  будет значительно меньше.

Наличие в составе датчика осцилл тора (колебательной системы) также повышает

его точностные характеристики

Claims (1)

1. Формула изобретени  Датчик давлени , содержащий упругий чувствительный элемент, св занный с преобразователем перемещени  упругого элемента в электрический сигнал, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, в нем преобразователь перемещени  выполнен в виде осцилл тора типа

   баланс-спираль с электронной схемой привода , при этом упругий чувствительный элемент кинематически св зан с механизмом изменени  действующей длины спирали баланса , а выходом датчика  вл етс  выход

   электронной схемы привода.

   16

   Фиг.1

   12 22 2J jj n 9 I

   ArfT

   2k

   -г