SU1749734A1 - Differential pressure gage - Google Patents
Differential pressure gage Download PDFInfo
- Publication number
- SU1749734A1 SU1749734A1 SU894773060A SU4773060A SU1749734A1 SU 1749734 A1 SU1749734 A1 SU 1749734A1 SU 894773060 A SU894773060 A SU 894773060A SU 4773060 A SU4773060 A SU 4773060A SU 1749734 A1 SU1749734 A1 SU 1749734A1
- Authority
- SU
- USSR - Soviet Union
- Prior art keywords
- piezoresonators
- ring
- sensor
- rigidity
- housing
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано как составна часть информационно-измерительной системы с частотной формой представлени сигнала. Цель изобретени - повышение точности измерени максимальной величины давлени . В корпусе 1 с двум подвод щими штуцерами установлены два упругих силопередающих элемента, выполненных в виде трубок 2, установленных со- осно с одним концом закрепленных на штуцере, а другим - на центральном жестком элементе, выполненном в виде кольца 3. Один конец каждого пьезорезонатора 4 и 5 закреплен на корпусе 1, а другой - на кольце 3. Рабочие оси пьезорезонаторов повернуты относительно. оси трубок на 45°. Под действием разности давлений кольцо 3 деформирует пьезорезонаторы 4 и 5. При деформации пьезоэлементов измен ютс их упругие константы и соответственно измен ютс частоты генерации акустоэлект- ронных преобразователей 6 и 7. 2 ил. I (Л С vj Ј ч| Ы fcbThe invention relates to a measurement technique and can be used as an integral part of an information-measuring system with a frequency form of signal representation. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measuring the maximum pressure value. In case 1 with two inlets, two elastic force-transmitting elements are installed, made in the form of tubes 2, mounted with one end fixed to the fitting and the other on the central rigid element made in the form of a ring 3. One end of each piezoresonator 4 and 5 is fixed on the housing 1, and the other on the ring 3. The working axes of the piezoresonators are rotated relatively. tube axes at 45 °. Under the action of the pressure difference, the ring 3 deforms the piezoresonators 4 and 5. During the deformation of the piezoelectric elements, their elastic constants change and the generation frequencies of acoustoelectronic transducers 6 and 7 change accordingly. 2 Il. I (С С vj Ј h | Ы fcb
Description
Изобретение относитс к измерению давлений жидких и газообразных сред и может быть использовано как составна часть информационно-измерительной системы частотной формой представлени сигнала. The invention relates to the measurement of pressures of liquid and gaseous media and can be used as an integral part of an information-measuring system by the frequency form of the signal representation.
В современных газотурбинньТх двигате- л х (ГТД)требуетс измер ть перепады давлений в диапазоне амплитуд 0,01-10 Па и частот 0-15 кГц.In modern gas turbine engines (GTE), it is required to measure pressure differences in the range of amplitudes of 0.01–10 Pa and frequencies of 0–15 kHz.
Однако, несмотр на-высокую чувстви- тельность и широкий амплитудно-частотный диапазон, пьезоэлектрические датчики с аналоговым выходом не обесТТё чйвают измерени статических и медленно измен ющихс во времени давлений,However, despite the high sensitivity and wide amplitude-frequency range, piezoelectric sensors with analogue output do not measure static and slowly varying in time pressure,
Этот недостаток устранен в пьезоэлектрических датчиках , работающих на принципе акустоэлектронного резонанса.This disadvantage is eliminated in piezoelectric sensors operating on the principle of acoustoelectron resonance.
Наиболее близким по технической сущности вл етс датчик давлени с частот- ным выходом, содержащий корпус, в котором во взаимно перпендикул рных плоскост х закреплены упругие силопере- дающие элементы, состо щие из мембраны и шаровых опор, и чувствительный элемент в виде кольца с расположенными внутри него двум парами пьезорезонаторов. Кольцо поджато с помощью мембраны и шаровых опор. Пьезорезонаторы рёстшожены во взаимно перпендикул рных плоскост х и включены по дифференциальной схеме.The closest to the technical essence is a pressure sensor with a frequency output, comprising a housing in which elastic force transfer elements consisting of a membrane and ball bearings are fixed in mutually perpendicular planes, and a sensitive element in the form of a ring located inside him two pairs of piezoresonators. The ring is preloaded with the help of a membrane and ball bearings. Piezoresonators are rigged in mutually perpendicular planes and included in a differential circuit.
Датчик имеет/высокую чуТбт11итель- ность и стабильнос1ъ, а наличие частотно- модулированного сигнала упрощает его согласование с информационно-измери- тельной системой.The sensor has a high accuracy and stability, and the presence of a frequency-modulated signal simplifies its coordination with the information-measuring system.
Однако последовательное соединение силопередающего и чувствительного элементов , а также наличие мембраны и шаровых опор сужает амплитудно-частотный диапазон датчика, что приводит к погрешност м при измерении как посто нных, так и переменных во времени давлений. However, the serial connection of the power-transmitting and sensitive elements, as well as the presence of a membrane and ball bearings, narrows the amplitude-frequency range of the sensor, which leads to errors in measuring both constant and time-varying pressures.
Известно, что высока частота собственных колебаний может быть получена только в том случае, когда между прижатыми одна к другой поверхност ми отсутствует воздушна прослойка, что достигаетс довольно сильным поджатием мембраны.It is known that a high frequency of natural oscillations can be obtained only in the case when there is no air gap between the surfaces pressed against one another, which is achieved by a rather strong preload of the membrane.
Основным недостатком предваритель- но напр женных мембран вл етс нелинейность , ограничивающа динамический диапазон измерени давлений и делающа датчик низкочастотным, что не позвол ет использовать известный датчик давлени в системе автоматического регулирований ГТД,The main disadvantage of pre-stressed membranes is non-linearity, which limits the dynamic range of the pressure measurement and makes the sensor low-frequency, which does not allow the use of the known pressure sensor in the GTE automatic control system,
Цель изобретени - повышение точности измерений максимальной величины давлени .The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurements of the maximum pressure value.
Эта цель достигаетс тем, что в дифференциальном датчике давлени с частотным выходом, содержащем корпус с двум подвод щими штуцерами, два упругих силопе- редающих элемента и две пары пьезорезонаторов, расположенные по взаимно перпендикул рных плоскост х, при этом каждый из пьезорезонаторов первым концом закреплен на центральном жестком элементе, упругие силопередающие элементы выполнены в виде трубок, установленных соосно и одним концом закрепленных на штуцере, а другим - на центральном жестком элементе, выполненном в виде кольца, при этом второй конец каждого пьезорезонатора закреплен на корпусе , а их рабочие оси повернуты относительно оси трубок на угол 45°, причем жесткость каждого пьезорезонатора и жесткость трубки выбираютс из соотношени This goal is achieved by the fact that in a differential pressure transducer with a frequency output, comprising a housing with two inlets, two elastic force transmitting elements and two pairs of piezoresonators arranged in mutually perpendicular planes, each of the piezoresonators being fixed to the first the central rigid element, the elastic force-transmitting elements are made in the form of tubes mounted coaxially and at one end fixed to the choke, and the other on the central rigid element made in the form of a ring , The second end of each piezo resonator is fixed on the housing, and their work axes rotated relative to tube axis at an angle of 45 °, wherein the stiffness and rigidity of each piezo resonator tube are selected from ratios of
,1Ст, где Сп - жесткость пьезорезонатора;, 1St, where Cn is the rigidity of the piezoresonator;
Ст - жесткость трубки.St - tube stiffness.
В отличие от известного датчика жесткости силопередающих элементов и жестко- сти пьезорезонаторов включены параллельно относительно корпуса и центрального узла, а не последовательно. При параллельном включении жесткости отдельных элементов суммируютс , в то врем как при последовательном включении результирующа жесткость меньше жесткости самого податливого элемента. Увеличение результирующей жесткости датчика приводит к повышению собственной частоты и соответственно к повышению точности измерени давлени .In contrast to the known stiffness sensor of the power-transmitting elements and the stiffness of the piezoresonators are connected in parallel with respect to the housing and the central assembly, and not in series. With parallel inclusion, the stiffness of the individual elements are summed, while with sequential connection, the resulting stiffness is less than the stiffness of the compliant element itself. An increase in the resulting stiffness of the sensor leads to an increase in the natural frequency and, accordingly, to an increase in the accuracy of pressure measurement.
Известен упругий силопередающий элемент, выполненный в форме пр моугольной трубчатой пружины, имеющей глухое отверстие и предназначенной дл получени изгибающего момента, действующего на чувствительный элемент.A resilient force-transmitting element, made in the form of a rectangular tubular spring, having a blind hole and intended to obtain a bending moment acting on the sensitive element is known.
В предлагаемом датчике трубчата пружина снабжена упругим кольцом, которое установлено в рассечке по центру пружины. При этом измер емое давление приложено непосредственно к упругому кольцу, которое создает напр женно-деформированное состо ние одновременно в пьезоэлементах и трубчатой пружине.In the proposed sensor, the tubular spring is provided with an elastic ring, which is mounted in a cut along the center of the spring. In this case, the measured pressure is applied directly to the elastic ring, which creates a stress-strain state simultaneously in the piezoelectric elements and the tubular spring.
В данном случае помимо известных свойств, присущих рассматриваемым признакам , имеет место создание и совокупность таких условий, которые привод т к возникновению у этих признаков новых свойств.In this case, in addition to the known properties inherent in the considered features, there is the creation and combination of such conditions, which lead to the appearance of new properties for these signs.
Так, при выборе жесткости Са трубчатой пружины Са S 0,1с1, где Ci - жесткость So, when choosing the stiffness Ca of the tubular spring Ca S 0,1с1, where Ci is the stiffness
пьеэопластин, ее вли нием на собственную частоту датчика практически можно пренебречь . При этом полезна часть от полной силы F составл етpyeoplastin, its effect on the natural frequency of the sensor can almost be neglected. Here, the useful part of the total force F is
1one
0,95,0.95,
Р С2 V.-)P C2 V.-)
где FI - сила, приложенна к пьезорезона- торам ;where FI is the force applied to piezoresonators;
Ci - жесткость пьезопластины;Ci is the rigidity of the piezoplates;
Сг - жесткость трубчатой пружины.Cr is the rigidity of the tubular spring.
Поскольку отношение Са/2 Ci сохран ет посто нную величину во всем диапазоне измер емого давлени , линейность датчика определ етс линейностью деформации пьезопластин, котора сохран етс в пределах прочности кристалла.Since the ratio Ca / 2 Ci maintains a constant value over the entire range of measured pressure, the linearity of the sensor is determined by the linearity of the deformation of the piezoplates, which is kept within the strength of the crystal.
При этом давление измер емой среды оказываетс приложенным не к трубчатой пружине, а к упругому кольцу. Благодар параллельному соединению жесткостей трубчатой пружины и пьезопластин роль упругого элемента выполн ют непосредственно пьезопластины, в то врем как трубчата пружина играет теперь роль демпфера соб- ственных колебаний датчика.In this case, the pressure of the measured medium is applied not to the tubular spring, but to the elastic ring. Due to the parallel connection of the stiffness of the tubular spring and piezoplates, the role of the elastic element is performed directly by the piezoplates, while the tubular spring now plays the role of a damper of the sensor's own oscillations.
На фиг. 1 показан предлагаемый датчик, разрез; на фиг. 2 - блок-схема датчика.FIG. 1 shows the proposed sensor section; in fig. 2 is a block diagram of a sensor.
Датчик (фиг, 1) содержит корпус 1, линейно-деформируемую трубчатую пружину 2, в рассечке пружины по центру установлено упругое кольцо 3. Между корпусом 1 и кольцом 3 жестко закреплены (например, с помощью эпоксидного компаунда) пьезок- варцевые элементы 4 и 5, установленные во взаимно перпендикул рных плоскост х. (Дл обеспечени дифференциальной ба- - лансной схемы измерени им придана конструктивна симметри путем поворота на угол 45° относительно оси трубчатой пружи- ны). При любом другом угле поворота пластин их конструктивна симметри будет нарушена. Вдоль продольной оси пьезоэле- ментов установлены акустоэлектронные преобразователи, состо щие из передаю- щих 6 и приемных 7 встроечно-штыревых преобразователей.The sensor (FIG. 1) contains a housing 1, a linearly deformable tubular spring 2, and an elastic ring 3 is installed in the center of the spring. Between the housing 1 and the ring 3 are rigidly fixed (for example, by means of an epoxy compound) piezokartsevy elements 4 and 5 installed in mutually perpendicular planes. (To provide a differential balance measurement scheme, they are given a constructive symmetry by rotating an angle of 45 ° relative to the axis of the tubular spring). At any other angle of rotation of the plates, their constructive symmetry will be broken. Acoustoelectronic transducers are installed along the longitudinal axis of the piezoelectric elements, which consist of transmitting 6 and receiving 7 integrated-pin transducers.
Встроечно-штыревые преобразователи 6 и 7 (фиг. 2} соединены через усилитель 8 и образуют с ним генератор поверхностных акустических волн. Входы генераторов, установленных на пьезоэлементах 4, подключены к смесителю 9, а на пьезоэлементах 5 - к смесителю 10. Выходы смесителей 9 и 10 подключены к входам сумматора 11 часто- ты.Reamer-pin converters 6 and 7 (Fig. 2} connected through an amplifier 8 and form with it a generator of surface acoustic waves. The inputs of the generators installed on the piezoelectric elements 4 are connected to the mixer 9, and on the piezoelectric elements 5 - to the mixer 10. The outputs of the mixers 9 and 10 are connected to the inputs of the adder 11 frequencies.
Дл достижени максимально высокой добротности и стабильности пьезоэлемен- тов во времени они установлены в герметичном корпусе, внутренн полость которого вакуумирована.To achieve the highest possible quality and stability of the piezoelectric elements in time, they are installed in an airtight housing, the internal cavity of which is evacuated.
Датчик давлени работает следующим образом.The pressure sensor operates as follows.
Акустоэлектронные преобразователи 6 и 7 работают в автогенераторном режиме. При этом поверхностные акустические волны распростран ютс от передающего 6 к приемному 7 преобразователю вдоль оси пьезоэлемента. При отсутствии перепада давлени на дифференциальном входе датчика частоты колебани генераторов на пьезоэлементах 4 и 5 равны и девиаци частоты на выходе сумматора 11 отсутствует.Acoustoelectronic converters 6 and 7 operate in self-oscillating mode. In this case, surface acoustic waves propagate from the transmitting 6 to the receiving 7 transducer along the axis of the piezoelectric element. In the absence of a differential pressure at the differential input of the frequency sensor, oscillations of the generators on the piezoelectric elements 4 and 5 are equal and the frequency deviation at the output of the adder 11 is absent.
При действии перепада давлени ДР Р1-Р2 к упругому кольцу приложено избыточное давление, которое деформирует пьезоэлементы 4 и 5, При деформации пье- зоэлементов измен ютс их упругие константы и соответственно уменьшаютс частоты генерации акустоэлектронных преобразователей .Under the action of the pressure differential DP P1-P2, an overpressure is applied to the elastic ring, which deforms piezoelectric elements 4 and 5. During deformation of the piezoelectric elements, their elastic constants change and, accordingly, the generation frequency of acoustoelectronic transducers decrease.
При давлении пьезоэлементы 4 раст гиваютс , а пьезоэлементы 5 сжимаютс усилием, создаваемым в них давлением упругого кольца 3. Наоборот, при давлении пьезоэлементы 4 будут сжиматьс , а пьезоэлементы 5 - раст гиватьс . В результате под действием переменного давлени резонансные частоты акустоэлектронных преобразователей на элементах 4 и 5 измен етс в силу симметрии конструкции одинаково, но с противоположными знаками девиации. На выходе сумматора 11 по витс сигнал удвоенной частоты девиации , который пропорционален перепаду давлени АР.Under pressure, the piezoelectric elements 4 are stretched, and the piezoelectric elements 5 are compressed by the force created in them by the pressure of the elastic ring 3. On the contrary, under pressure, the piezoelectric elements 4 will be compressed, and the piezoelectric elements 5 will be expanded. As a result, under the action of alternating pressure, the resonant frequencies of the acoustoelectronic transducers on elements 4 and 5 change due to the symmetry of the structure in the same way, but with opposite signs of deviation. At the output of the adder 11, the Wits signal doubles the frequency of the deviation, which is proportional to the pressure differential of the AR.
Взаимное вли ние акустоэлектронных генераторов исключено благодар наличию воздушного промежутка в центре упругого кольца. Вли ние температуры, вибраций, магнитных полей и других внешних воздействий на датчик сведено к минимуму в силу симметрии конструкции и включени автогенераторов по дифференциальной балансной схеме.The mutual influence of acoustoelectronic generators is excluded due to the presence of an air gap in the center of the elastic ring. The effect of temperature, vibrations, magnetic fields and other external influences on the sensor is minimized due to the symmetry of the design and the inclusion of auto-generators in a differential balanced circuit.
При измерении давлений в широком диапазоне температур упругое кольцо 3 может быть выполнено из термоупругого материала , например сапфира.When measuring pressures in a wide temperature range, the elastic ring 3 can be made of a thermoelastic material, such as sapphire.
Предлагаемый датчик обладает более высокой чувствительностью и разрешающей способностью к измер емому давлению за счет увеличени длины пьезоэлементов (в тех же габаритах датчика) и соответственно максимально возможного увеличени базы между передающим 6 и приемным 7 преобразовател ми.The proposed sensor has a higher sensitivity and resolution to the measured pressure due to an increase in the length of the piezoelectric elements (in the same sensor dimensions) and, accordingly, the maximum possible increase in the base between the transmitter 6 and receiver 7 transducers.
При этом жесткость любого элемента в пределах упругой деформации не зависит от величины приложенной нагрузки. Однако изготовление силопередагощего элемента с жесткостью Сп, соизмеримой с суммарной жесткостью пьезорезонаторов, может привести к заметной потере чувствительности датчика.In this case, the stiffness of any element within the elastic deformation does not depend on the magnitude of the applied load. However, the fabrication of a force-transfer element with rigidity Cn, commensurate with the total rigidity of piezoresonators, can lead to a noticeable loss of sensitivity of the sensor.
Уменьшение величины полезного сигнала за счет вли ни жесткостью Сп силопе- редающего элемента можно определить по формулеThe decrease in the value of the useful signal due to the influence of the rigidity Cn of the force-transmitting element can be determined by the formula
f2f2
fi -KCnfi -KCn
i т ч, р N-Cpi t h, p N-Cp
где fa - сигнал датчика при .where fa is the sensor signal at.
Даже если прин ть, что при изменении измер емого давлени от нул до верхнего - предела отношение жесткостей не будет сохран ть посто нную величину, то в соответствии с требовани ми ГОСТ нелинейность выходного сигнала по частоте не должна быть более 4%.Even if it is accepted that when the measured pressure changes from zero to the upper — the limit, the ratio of stiffnesses will not keep a constant value, then, in accordance with the requirements of GOST, the nonlinearity of the output signal over frequency should not be more than 4%.
С учетом этого требовани отношение КСп/NCp в формуле составит 0,04. Отсюда Сп 0,1 Ср. При этом условии максимально возможна нелинейность выходного сигнала за счет изменени отношени жесткостей СП/СР не выйдет за пределы 4%.In view of this requirement, the ratio of CSP / NCp in the formula is 0.04 From here Cn 0.1 Wed. Under this condition, the maximum possible nonlinearity of the output signal due to a change in the ratio of stiffness of the SP / CP will not go beyond 4%.
Чувствительность акустоэлектронного преобразовател пр мо пропорциональна рассто нию между его электродами. Следовательно , линейность датчика давлений может быть увеличена в сторону малых амплитуд - за счет увеличени длины пьезо- элемента, а в сторону больших амплитуд - увеличением их жесткости.The sensitivity of an acoustoelectronic converter is directly proportional to the distance between its electrodes. Consequently, the linearity of the pressure sensor can be increased in the direction of small amplitudes — by increasing the length of the piezoelectric element, and in the direction of large amplitudes — by increasing their rigidity.
Динамический диапазон датчика определ етс максимальной деформацией, выдерживаемой кристаллом, и минимальной деформацией, котора вызывает надежноThe dynamic range of the sensor is determined by the maximum deformation withstanding by the crystal and the minimum deformation which causes reliably
измер емую девиацию частоты. С учетом стабильности акустоэлектронного преобразовател (10 j и максимально допустимой деформации пьезоэлемента (10 ) динамический диапазон датчика составл ет Д ,measured frequency deviation. Taking into account the stability of the acousto-electronic converter (10 j and the maximum allowable deformation of the piezoelectric element (10), the dynamic range of the sensor is D,
что позвол ет перекрыть весь диапазон давлений в ГТД.which allows to cover the entire pressure range in the CCD.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU894773060A SU1749734A1 (en) | 1989-12-25 | 1989-12-25 | Differential pressure gage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU894773060A SU1749734A1 (en) | 1989-12-25 | 1989-12-25 | Differential pressure gage |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SU1749734A1 true SU1749734A1 (en) | 1992-07-23 |
Family
ID=21486659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU894773060A SU1749734A1 (en) | 1989-12-25 | 1989-12-25 | Differential pressure gage |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| SU (1) | SU1749734A1 (en) |
-
1989
- 1989-12-25 SU SU894773060A patent/SU1749734A1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Авторское свидетельство СССР № 530209,кл. G 01 L 9/08,1975. Авторское свидетельство СССР № 667838, кл. G 01 L 9/08,1979. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7779700B2 (en) | Pressure sensor | |
| US4258565A (en) | Force detector | |
| US4096740A (en) | Surface acoustic wave strain detector and gage | |
| JPS59131135A (en) | Piezoelectric pressure transducer used for deep oil well | |
| JPS59126261A (en) | Accelerometer with needle resonator power transducer | |
| JPH0520693B2 (en) | ||
| SU1749734A1 (en) | Differential pressure gage | |
| JPS5856428B2 (en) | Pressure sensor using a crystal oscillator | |
| CN87104176A (en) | Resonant tube type compression transducer | |
| Cascetta et al. | A new straight-pipe coriolis mass flowmeter: the mathematical model | |
| Morten et al. | A novel torque sensor based on elastic waves generated and detected by piezoelectric thick films | |
| SU667838A1 (en) | Pressure pickup | |
| SU627360A1 (en) | Pressure transducer with frequency output | |
| SU1457587A1 (en) | Device for calibrating transducers of acoustic emission signals | |
| SU1164562A1 (en) | Device for measuring force | |
| SU1747977A1 (en) | Piezoelectric vibration stand | |
| SU1578526A1 (en) | Force transmitter | |
| SU1384980A1 (en) | Pressure-measuring device | |
| SU530209A1 (en) | Differential pressure sensor | |
| SU1345076A1 (en) | Pressure transducer | |
| SU1384979A1 (en) | Pressure transducer | |
| Schuster | 0n the Use of Resonant Diaphragms as FM Pressure Transducers | |
| SU1587344A1 (en) | Three-component vibration transducer | |
| SU800744A1 (en) | Pressure difference sensor | |
| SU853445A2 (en) | Hydraulic acoustic pulser for checking pressure transducers |