(54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАстотйШваходоМ
. i 3p6pe e Q к oQnacTw ff - фор Мационйо-измерительной техники пред казнач но дл точного измербйн давле-щ газбйьгх сред и может быть дсполь . зовано в тех областное техники, где трё буйтс вьюока точность -изк ёрений давлё НИИ, малые габариты и вес, а также ие-гоб .хадимс с.ть эксплуатации в у ловй х ваэ действи виброперйгрузок, ударив и -линейных ускорений l.... Известен .датчик давлёни с часггртным выходом, содержащий систе лу самснэозбуждени в виде широкопол рснрга у 2илйтеп , в цепь положительной 66piaiftoft св зи котйрого включена колебатвпьна система в виде ппрской эластичной Me ii6раны , разДел 1« цёй внутренний объём датчика на две симметричные рабрчие кам рЬ1, сРобшающйес с измер емой газовой средой посредством двух капилл ров| прсто нна времени которых на прр дбк выше полупериода колебаний. Мембрана датчика расположена между двум неподвижными электродами, образуйздйми: срвМестнос нею электрЬстати;чески8 Ир1эобр1аз5ватёди вРзбуиадени и :приема Колебаний 2. Иецостат|сам1низ&е :тного технического решёни: вй юй йёЯНйейность завйсимос; ти хйадрёта частоты датчика от изме . даепйиа, ограйиченйь1Йдиапазрн иэмерейий,;;низк4 доёротность колебательн6 .й сйстёМ1М, температураа нестабильность , а больша посто нна вре мени, прйврДгвда к неврзмРжности измёрёнй бирстррмещкадихс давлений. Указанные йедостаткр обусловлены тем, что nfSH Ki ne&iaH«jnt мембраны в рабйчи .х камера Датчика возникшот пе|}иодические перемещени га3;овой среды, вьфавнивйктшеда албшз .Пр9 этом газова среда исш ггьюает в зкие тренйе, которое приводит к Диссипации эаертии колебаний и, как следствие этргр н&высокрй добротнРста колебательнрй систему На высоких частотах в каМерок могут возбужатьс |радйаль8 1е акустические реэонанW , умваьдаакмцйе эффективную упругость 36 рабочих камер,заполненных газом, при этом зависимость частоты датчика от измер емого давлени вблизи частот радиальных резонансов носит резко нелинейный характер, что ограничивает диапазон измер емых давлений. Оба отмечен .ных. влени в значительной мере завис т от температуры, что, в свою очередь , приводит к нелинейной по диапазону температурной погрешности измереки давлений. Кроме того, при измерении малых давлений эластична мембрана дат 4HKia крлеблетс с низкой частотой. Это обсто тельство затрудн ет провецение измерений , ограничивает рабочий диапазон в области низких давлений и не позвол ет ; примен ть датчик при измерении быстромен ющихс давлений. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени давлени в широком двапазоне, а также обеспечение сочетани низкого порога чувствительности и быстродействи с возможностью эксплуатации в сложных услови х, например, в услови х вибраций и линейные перегрузок. Указанна цель достигаетс за счет того, что стенки внутреннего объема датчика , противолежащие мембране, образуют с поверхност ми мембраны шелевидные рабочие зазоры, при этом поперечный размер рабочих зазоров не превышает уавоенной глубины проникновени в зкой волныо Кроме того, с целью повы шени температурной стабильности частоты выходного сигнала детали, образующие рабочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширени , а их геометрические размеры опрецел ютс расчетным путем. На фи19 1 изображен чувствительный элемент;.на фиг. 2 - схема его подключени к системе самовозбуждени датчика . Мембрана 1 вьшопнена из материала с высоким йределом текучести, например из сплава МР-47ВП, предварительно нат нута по окружности и закреплена между корпусными детал ми 2, например, сваркой . Применение указанного материала позвол ет осушествить си;1ьное нат жени мембраны и расширить частотные интервалы между собственными резонансными модами колеблюшейс мембраны, что ис ключает их вли ние друг на друга в ши .роком диапазоне частот. При этом приме нение тонкой мембраны с малой величиной поверхностной плотности суюественн 5 повышает чувствительность цатчика к изер емому давлению. Неподвижные электроды 3- с помощью пружинных шайб 4 и гаек 5 укреплены в изол торах 6, которые установлены в корпусных детал х с помощью установочных винтов 7. Плоские поверхности электродов 3 вл ютс стенками внутреннего объёма датчика и образуют с поверхност ми мембраны щелевидные рабочие зазоры 8, при этом поперечный размер зазоров не превышает удвоенной глубины проникно вени в зкой волны, т. е. , е гдеci -поперечный размер рабочего зазора; О -глубина проникновени в зкой ВОЛНЫ} К -Цинамический коэффициент в зкости газовой среды;; J r-fmoTHocTb газовой среды; ib-кругова частота. Ограничение размеров зазоров в направлении колебаний мембраны позвол ет практически полностью затормозись радиальные перемещени газовой среды под действием колеблющейс мембраны, что, с одной стороны, приводит к повышению . упруги.х свойств рабочих зазоров, как газовых пружин, и возрастанию добротности колебательной системы, асдругой стороны , обеспечивает малую посто нную вре- . мени заполнени зазоров измер емой средой при изменении давлени этой среды. Одновременно указанное ограничение размеров рабочих зазоров приводит к изотермичности периодических сжатий - разр жений газовой среды под действием колеблющейс мембраны, что обеспечивает независимость выкодной частоты датчика от химического состава измер емой газовой среды. Электроды 3 выполнены из материала, отличающегос от материала кольцевых элементов температурным коэффициентом расширени , при этом и.х толтина (размер между плоскост ми, обращенными к мембране и прилегающими к изол тору) определ етс расчетной формулой: 1 je-etK та атштшт , i ни Хк-«э, Сз -толщина электрсца; d -размер рабочего зазора при номинальной температуре; d U а - температурные коэффициенты расширени материалов корпусных деталей и электродов . соответственно: pi, -температурный коэффициент квадрата выходной частоты датчика, обусловленный неидёальностью упругах свойст рабочих зазоров за счет термодинамических потерь на необратимое сжатие газа при колебани х мембраны. Пружинные шайбы 4 компенсируют несоответствие температурных коэффициентов расширени материалов электродов 3 и изол торов 6 в направлении ко лебаний мембраны, а различие в температурных -коэффициентах расширени материалов электродов 3 и корпусных деталей 2 создает заданные температурные колебани .х, зазоров 8, компенсирующи х температурный коэффициент выходной частоты датчика, , Чувствительньлй элемент, представлен ный на фиг. 1, может быть помешен в герметичный корпус, снабженный штуцером дл соединени с источником измер емогО давлени и электрическими герм разьемами дл подключени электродов 3 к системе самовозбуждени в соответствии с фиг. 2. Один из электродов 3 {приемный электрод) чувствительного элемента через раздйпительный конденсатор 9 подключен к предусилителю 1О, имеющему высокое йходное сопротивление, выход . которого подсоединен к дифференцирующему усилителю 11, содержащему цепь автоматической регулировки усилени . Выход усилител 11 через разделитель- ный конденсатор 12 подключен к другом ( возбуждающему) электроду 3 чувствительного элемента. Блок питани 13 обеспечивает пода.чу пол ризующих напр жений на приемньй и возбуждающий эдейстроды 3 через резисторы 14 и ISi а также подает напр жени питани на предусилитель 10 и усилитель 11. Конденсатор 16 служит дл электрической разв зки по переменному току приемного и возбуждающего электродов 3. Чувствительный элемент совместно с предусилителем 10, усилителем 11 и ко , дёнсаторами 9 и 12 образует измерител ный автогенератор. Работа датчика происходит следующим образом. При подаче напр жений питани происходит самовозбуждение схемы на частоте собственных колебаний чувствительного элемента. При этом переменный сигнал с приемного электрода 3 поступает на предусилитель 10 через разделительнь1й конденсатор 9 и затем на усилитель 11, где усиливаетс с поворотом фазы на +90 , что необходимо дл обеспечени условий самовозбуждени автогенератора . С выхода усилител 11 сигнал по ступает через разделительный конденсатор 12 на возбуждающий электрод 3 чувствительного элемента и возбуждает колебани мембраны 1. Цепь автоматической регулировки усилени в усилителе 11 обеспечивает генерирование электрических колебаний, амплитуда которых посто нна и лежит в пределах динамического диапазона усилител 11. При изменении давлени измер емой газовой среды, котора заполн ет рабочие зазоры 8 через пространство между корпусными детал ми 2, изол торами 6, электродами 3 и установочными винтами 7, происходит соответствующее изменение упругости рабочих зазоров В,что приводит к изменению собственной резонансной частоты колебаний мембраны 1 датчика и, соответственно, частоты выходного сигнала измерительного автогенератора. . Выходной сигнал снимаетс с выхода усилител 11, а его частота определ етс следующим выражением: |-() (2:й-|«0«+-, г -резонансна частота мембраны в вакууме;, 5 -площадь рабочего зазора (электрода); Зи-площадь мембраны -поверхностна плотность мембраны; р-измер емое давление; ( -поперечный размер рабочего зазора (в направлении колебаний мембраны ) j ( ji -температурный коэффициент квадрата частоты; & © «отклонение рабочей .- температуры от ном,и ..//: напьиогозначени . ; При измейении рЕ|бочёй температуры,, . : уёётВйт ёл&йо1Ро ЭЙеЙёнта датчика йзме .и ётс размер рабочего зазора di в со . ответствии свьф&жёнвем: ; / ,, +(«,.-Ыэ «о ЧТО привйдит к компенсации температур-, ного коэффициента ( с ) квадрата частоты вьиодного сигнала датчика. ПрецЛаг&емый датчик имеет прмстичес ки линейную функциональную зависимость Квадратна ча Ьтоты , от измер емого давлени . Диапазон измер емых цавпений датчика дарактеризуетсй значени ми от Ю мм рт. ст. до нескольких атмосфер. Погрешность измерени не превышает ОД-ОДО% и пропорциональна измер емому давлению. Линейна зависимость квадрйта частоты датчика от давлени позвол ет сравнительно просто производить обработку частотного сигнала на циф ровьк вычислйтельньсс машинах, однако наиболее перспектйвньш вл етс использованиё предлагаемого частотного датчика совместно с функциональным частот мером, снабженным цифровым индикатором дл непосреаственйого считывани результата измерени , либо имеющим кодовый выход дл регист 1)ации результата измерени с помошью цифропечатающих устройств. Такие цифровые манометры сочетающие & себе универсальность, точность , надежность, широкий динамический диапазон, нюзкий порог чувствительности и т. д., необходимы во многих отрасл х науки и техники И найдут самое Широкове применение. Формула и чЭ обретен и 1. Датчик давлени с частотным вь1одоМ , содержащий систему самовозбуждени и колебательную систему в виде плоской мембраны, расп.оложенной во внутреннем объеме датчика, сооб1ца1юшемс с из- MepfleMoli газовой средой, от л и 4 а Ю ш и и с трем, что, с цепью повллшенй точности в широхом диапазоне стенки йвутреннего объема, противолежашие мембране, образуют с поверхност ми мембраны шелевидные рабочиэ зазоры, при этом поперечный размер рабочих зазоров не превышает удвоенной глубины проникновени в зкой волны и определ етс по формуле: d. -поперечный размер рабочего зазора 1 -динамический коэффициент в зкости газовой среды} JJ -плотность газовой среды; CtJ -кругова частота. 2. Датчик по п, 1, о т л и ч,а ю Ш и и с тем, что, с целью повышени температурной стабильности частоты выходногоСигнала детали, образующие рабочие зазоры, выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширени . Источники информации; йрин тые во внимание при экспертизе 1. Патент США fe 3620О83, кл. 73-398, 1970. ( 2, Авторское свидетельство № 228992, кл. G O1U il/00, 1966.