SU746219A1 - Pressure sensor with frequency output - Google Patents

Pressure sensor with frequency output Download PDF

Info

Publication number
SU746219A1
SU746219A1 SU782640640A SU2640640A SU746219A1 SU 746219 A1 SU746219 A1 SU 746219A1 SU 782640640 A SU782640640 A SU 782640640A SU 2640640 A SU2640640 A SU 2640640A SU 746219 A1 SU746219 A1 SU 746219A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
resonator
gas
sensor
pressure
gaps
Prior art date
Application number
SU782640640A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иосиф Анатольевич Горенштейн
Владимир Георгиевич Кравцов
Original Assignee
Предприятие П/Я А-1874
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Предприятие П/Я А-1874 filed Critical Предприятие П/Я А-1874
Priority to SU782640640A priority Critical patent/SU746219A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU746219A1 publication Critical patent/SU746219A1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

(54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ (54) PRESSURE SENSOR WITH FREQUENCY OUTPUT

1one

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике, и может найти применение в приборах дл  измерени  давлени .The invention relates to instrumentation engineering and can be used in instruments for measuring pressure.

Известны частотные датчики давлений с резонаторам в виде плоских упругих-пластин круглой формы, раздел ющих внутренний объем .датчика: на две зеркально-симметричные пневмокамеры , сообщающиес  с контролируемой газообразной средой. Эти пневмокамеры имеют вид щелевых зазоров между поверхност ми резонатора и обращенными к ним поверхност ми корпусных деталей датчика, причем величина указанных зазоров выбираетс  таким образом, что посто нные времени пневмокамер превышают полупериод колебаний резонатора. С целью оберпечени  динамической сбалансированности колебательной системы датчика , а следовательно, и его высокой добротности, в резонаторе возбуждаетс  низша  форма веерных изгибных колебаний (т.е. форма колебаний, характеризующа с  наличием двух узловых дис метров при отсутствии узловых окружностей) 1 .Frequency pressure sensors are known with resonators in the form of flat, round-shaped elastic plates separating the internal volume of the sensor: into two mirror-symmetric pneumatic chambers communicating with a controlled gaseous medium. These pneumatic chambers have the form of slot gaps between the surfaces of the resonator and the surfaces of the body parts of the sensor facing them, and the magnitude of these gaps is chosen so that the time constant of the pneumatic chambers exceed the half-period of the oscillations of the resonator. In order to ensure the dynamic balance of the oscillatory system of the sensor and, consequently, its high quality factor, a lower form of fan-shaped bending oscillations is excited in the resonator (i.e., an oscillation mode characterized by the presence of two nodal diameters in the absence of nodal circles) 1.

, В этом датчике пучности колебаний заполн ют площадь круга резонатораIn this sensor, the antinodes of oscillations fill the area of the resonator circle.

полностью, что не позвол ет уменьшить его габариты.completely, which does not allow to reduce its dimensions.

Наиболее близким к предлагаемому ,  вл етс  датчик,резонатор которого,The closest to the offer is a sensor whose resonator,

5 представл ющий собой плоскую упругую пластину, разграничивает его внутренний объем на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиес  с контролируемой средой. Пневмокамеры5, which is a flat elastic plate, divides its internal volume into two mirror-symmetric pneumocameras communicating with the controlled medium. Pneumatic chambers

10 выполнены в виде щелевых зазоров между поверхност ми пластины-резонатора и обращенными к резонатору плоскими поверхност ми корпусных деталей датчика. Величина зазоров, играющих10 is made in the form of slot gaps between the surfaces of the resonator plate and the flat surfaces of the sensor body parts facing the resonator. The amount of gaps playing

5 роль пневмокамер, выбираетс  столь малой, что посто нные времени этих пневмокамер превышают Полупёриод колебаний резонатора. По обе стороны от резонатора симметрично расположены электроды емкостных систем возбуждени  и съема его колебаний. Как контуры всей пластины-резонатора в целом, так и все совпадающие участки контуров, ограничивающих своббдную5, the role of pneumocameras is chosen so small that the time constants of these pneumocameras exceed the half-period of the resonator oscillations. On both sides of the resonator, electrodes of capacitive excitation systems and removal of its oscillations are symmetrically located. Both the contours of the entire resonator plate as a whole, and all the coinciding parts of the contours limiting the free

25 и жестко закрепленную области пластины-резонатора , имеют общую ось поворотной симметрии пор дка 2 п (где п - число узловых диаметров) и 2 п проход щих через эту ось общих плоскостей симметрии. Электроды емкост ныхсистем воэбуВДёйи  и съема колебаний резонатора имеют вид секторов , ра сположе иных по обе стороны упругой пластины, по 2п электродов с каждой 1 стороны, и характеризуютс  теми же элементами симметрии 2j .25 and the rigidly fixed region of the resonator plate, have a common axis of rotational symmetry in the order of 2 n (where n is the number of nodal diameters) and 2 n common symmetry planes passing through this axis. The electrodes of the capacitive systems of the web and of the oscillations of the resonator have the form of sectors that are different from each other on both sides of the elastic plate, 2p electrodes from each side, and are characterized by the same symmetry elements 2j.

Недостаток датчика заключаетс  в том, что уменьшение габаритных разйёров ограни ено необходимостью размещени  пучностей таким образом, чтобы они имели общую ось поворотной симметрии пор дка 2п.The disadvantage of the sensor lies in the fact that the reduction of overall sprays is limited by the need to locate the antinodes so that they have a common axis of rotational symmetry in the order of 2n.

Цель изобретени  - в уменьшении габаритов датчика.The purpose of the invention is to reduce the size of the sensor.

Эта цель достигаетс  тем, что резонатор выполнен в форме пр моугольника , закрепленного на двух парах опор, кажда  из которых выполнена в виде упругих трубок, расположенных по разные ст-ороны резонатора.This goal is achieved by the fact that the resonator is made in the form of a rectangle fixed on two pairs of supports, each of which is made in the form of elastic tubes arranged along different sides of the resonator.

На фиг. 1 изображена конструкци  предлагаемого датчика, общий вид; на фиг. 2 - промежуточна  сборка узла чувствительного элемента; на . 3 - низша  форма возбуждаемых в резонаторе изгибных колебаний; на фиг. 4 - принципиальна  электрическа  схема датчика.FIG. 1 shows the structure of the proposed sensor, general view; in fig. 2 — intermediate assembly of the sensing element assembly; on . 3 - the lowest form of bending oscillations excited in the resonator; in fig. 4 is a circuit diagram of the sensor.

Датчик собрай в гегметичном корпусе , образованном отрезком цилиндрической трубки 1, на конце которой располагаетс  стекл нный изол тор 2 с гермовводами 3. Другой конец трубки 1 герметичного корпуса датчик с помощью вакуумплотного (сварка, пайка) сочленени  4 соедин етс  со штуцером 5, служащим дл  подвода к датчику газообразной контролируемой среды. Внутри корпуса 1 размещаетс  узел чувствительного элемента, собраный в коАсухе 6 (см.фиг. 2). Помимо кожуха б с технологическими окнамиThe sensor is assembled in a flexible case formed by a segment of a cylindrical tube 1, at the end of which there is a glass insulator 2 with pressure seals 3. The other end of the tube 1 of the hermetic body is connected to a vacuum joint (welding, soldering) 4 with fitting 5, which serves supply to the sensor gaseous controlled environment. Inside the housing 1 is placed the node of the sensing element assembled in coaxial 6 (see fig. 2). In addition to the casing with technological windows.

7узел чувствительного элемента включает в себ  два газонепроницаемых экрана 8, изготовленных из диэлектрика с высокими механическими свойствами (например, из керамики 22 ХС), резонатор 9, представл ющий собойупругую плоскую пластинку пр моугольной формы с отношением короткой стороны к длинной не более, чем 1:4, и четыре роликовые опоры 10, выполненные в виде тонкостенных упругих трубок.The sensing element node includes two gas-tight screens 8 made of a dielectric with high mechanical properties (for example, ceramics 22 CS), a resonator 9, which is an elastic flat plate of a rectangular shape with a ratio of the short side to the long no more than 1: 4, and four roller bearings 10, made in the form of thin-walled elastic tubes.

Газонепроницаемые Экраны 8 имеют в сечении вид кругового сегмента. На обращенные к резонатору плоские поверхности экранов 8 нанесены тонкопленочные электроды 11-16 (см. фиг.4 электростатических систем возбуждени  и съема колебаний резонатора 9. На рассто ни х, составл кицих 0,225+ ±0,05 длины резонатора, на экранахGas-tight Screens 8 have in cross-sectional view of a circular segment. Flat surfaces of screens 8 facing the resonator are applied thin film electrodes 11-16 (see Fig. 4 of electrostatic systems of excitation and vibration pickup of resonator 9. At distances of 0.225 + ± 0.05 resonator lengths on the screens

8имеютс  паэы 17 треугольного сечени ..8 there are paei 17 triangular cross-section ..

На полукруглой цилиндрической поверхности экранов В.прорезаютс  продольные канавки 18, служащие дл  прокладки проводив, с помощью кбторых . электроды 11-16 включаютс  в электрическую схему датчика.On the semicircular cylindrical surface of the shields B., longitudinal grooves 18 are cut, which are used for wiring, using a second one. electrodes 11-16 are included in the sensor circuitry.

При сборке узла чувствительного элемента экраны 8 с расположенными между ними резонатором 9 вставл ютс  внутрь кожуха,6, после чего через технологические окна 7 между экранами 8 и резонатором 9 устанавливаютс  упругие роликовые опоры 10, размещаемые в треугольных пазах. Деформиру сь (см. фиг. 1) роликовые опоры зажимают резонатор 9, обеспечива  таким образом упругое крепление его по узловым лини м избранной формы колебаний (см. фиг. 2).When assembling the sensing element assembly, screens 8 with resonator 9 located between them are inserted inside the casing 6, after which elastic roller supports 10 placed in triangular grooves are installed through technological windows 7 between screens 8 and resonator 9. By deforming (see Fig. 1), the roller bearings clamp the resonator 9, thus providing its elastic fastening along the node lines of the chosen vibration mode (see Fig. 2).

Электрическа  схема датчика (фиг. 4) включает; в себ  электроды 11-13 системы возбуждени  колебаний резонатора 9., электроды 14-16 системы съема колебаний, высокоомные сопротивлени  19, источники смещени  2 разделительные конденсаторы 21 и широкополосный усилитель 22 системы самовозбуждени .The electrical circuit of the sensor (FIG. 4) includes; The electrodes 11-13 of the resonator excitation system of the resonator 9, the electrodes of the oscillation pickup system 14-16, high-resistance impedances 19, the bias sources 2 separation capacitors 21 and the wideband amplifier 22 of the self-excitation system.

Электроды 11-13 системы возбуждени  ,й электроды 14-16 системы съема через высокоомные сопротивлени  19 подключаютс  к источникам посто нног смещени  20, а через разделительные конденсаторы 21 - к выходу и входу соответственно широкополосного усилител  22 системы самовозбуждени . Величина сопротивлений 19 выбираетс  тким образом, чтобы посто нна  времен RC-цепочки, включающей одно из сопротивлений 19 и емкость, образованную группой из трех параллельно подключенных к этому сопротивлению элекродов 11-13 (либо 14-16) и резонатором 9, бЕлпа значительно больше полупериода колебаний резонатора. Назначение разделительных конденсаторовThe electrodes 11-13 of the excitation system, the electrodes 14-16 of the removal system, through high-resistance impedances 19, are connected to sources of constant bias 20, and through coupling capacitors 21 to the output and input of a broadband amplifier 22 of the self-excitation system, respectively. The magnitude of the resistances 19 is chosen in such a way that the time constant of the RC chain, including one of the resistances 19 and the capacitance formed by a group of three elevens 11-13 (or 14-16) connected in parallel to this resistance and the resonator 9, is significantly longer than half a period oscillations of the resonator. Purpose separation capacitors

21состоит в предохранении усилител 21 is the amplifier protection

22от попадани  на и выход относительно высоких посто нных напр жений от источников посто нного смещени  20.22 from falling into and out of relatively high dc voltages from constant displacement sources 20.

Совместно с системой самовозбуждени  резонатор образует электромеханическую автоколебательную систему , частота которой близка к собственной частоте избранной формы (см. фиг. 3) изгибных колебаний резонатора . Система возбуждени  колебаний резонатора образована трем  элекродами 11-13, два из которых (11 и 13) обращены к одной и той же стороне резонатора 9 и расположены против его концевых участков, ограниченных роликовыми опорами 10, а третий (12) обращен к противоположной стороне резонатора и расположен против его среднего участка (между роликовыми опорами 10). При подаче на электроды 11-13 переменного электрического напр жени  с выхода усилител  22 системы Сс1моврзбу.ждени  они создают перпендикул рную плоскости резонатор распределенную возбуждак цую силу, направление которой измен етс  на об ратное при переходе через каждую из УЗЛОВЫХ линий (которые совпадают с пини м касани  резонатора 9 и роликовыми опорами 10), а также при изме нении пол рности питающего напр жени Указанна  сила вызывает раскачку избранной формул изгибных колебаний резонатора. При этом на других трех электродах - электродах 14-16 съема (образующих конфигурацию, представл ющую собой зеркальное отражение конфигурации, в которую вход т элект роды llylS) - возникает электрический сигнал, частота которого равна, а-амплитуда пропорциональна соответственно частоте и амплитуде механических колебаний резонатора 9. Этот сигнал через разделительную емкость поступает на вход усилител  системы самовозбуждени  22. С выхода этого усилител  усиленный сигнал через другую разделительную емкость 21 вновь подаетс  на группу из трех возбуждающих электродов 11-13, обеспечива  тем самым незатухающие колебани  резонатора.. Частота этих коле баний будетблизка к собственной частоте f избранной формы изгибных колебаний резонатора, котора  определ етс  формулой „ модуль упругости материала резонатора; h - толщина резонатора; р - массова  плотность материала резонатора; L - длина резонатора; а - величина зазора между резонатором и газонепроницаемыми экранами; Р - измер емое давление; Кр;К- - безразмерные числовые коэффициенты, завис щие от коэффициента Пуассона Как следует из приведенной форму лы квадрат частоты f выходного сиг нала датчика линейно зависит от измTogether with the self-excitation system, the resonator forms an electromechanical self-oscillatory system, the frequency of which is close to the natural frequency of the chosen form (see Fig. 3) of the bending oscillations of the resonator. The resonator oscillation excitation system is formed by three electrodes 11–13, two of which (11 and 13) are facing the same side of the resonator 9 and are located opposite its end sections bounded by roller bearings 10, and the third (12) is facing the opposite side of the resonator and is located against its middle section (between the roller bearings 10). When an alternating electrical voltage is applied to the electrodes 11-13 from the output of the amplifier 22 of the system C1-1203, the wafers create a resonant distributed perpendicular plane of the excitation power, the direction of which changes to the opposite direction when passing through each of the KNOTS contact of the resonator 9 and roller supports 10), as well as when the polarity of the supply voltage is changed. The specified force causes the buildup of the chosen formulas of bending oscillations of the resonator. At the same time, on the other three electrodes — electrodes 14-16 of removal (forming a configuration representing a mirror image of the configuration in which electrodes llylS enter) —the electric signal arises, whose frequency is equal to, and the amplitude is proportional to the frequency and amplitude of the mechanical oscillations resonator 9. This signal through the separation capacitance enters the input of the self-excitation system amplifier 22. From the output of this amplifier, the amplified signal is fed through another separation capacitance 21 to a group of three excitation electrodes 11–13, thereby ensuring sustained oscillations of the resonator. The frequency of these oscillations will be close to the natural frequency f of the chosen form of bending resonator oscillations, which is determined by the formula „elastic modulus of the resonator material; h is the resonator thickness; p is the mass density of the resonator material; L is the length of the resonator; a is the size of the gap between the resonator and gas-tight screens; Р - measured pressure; Кр; К- - dimensionless numerical coefficients depending on Poisson's ratio. As follows from the above formula, the square of the frequency f of the output signal of the sensor depends linearly on the measurement

Claims (2)

746219 р емого давлени  Р. Это рбъ сн етс  тем, что эквивалентна  жесткость упругой системы датчика зависит не только от параметров самого резонатора, но и от упругости газа,;наход щегос  в щелевых зазорах между поверхност ми резонатора и обращенными к ним поверхност ми газонепроницаемых экранов. При условии, что посто нна  времени процесса изменени  массы газ в щелевых зазорах значительно превышает полупериод свободных колебаний резонатора (это достигаетс  выбором достаточно малой величины зазора), газ в этих зазорах ведет себ  так, как будто они герметизированы по контурам пучностей. Пои. этом вли ние упругости газа в щелевых зазорах на эквивалентную жесткость упругой системы датчика оказываетс  пропорциональным давлению Р этого газа, что и обусловливает линейную зависимость квадрата частоты колебаний резонатора от измер ;емого{ давлени . Линейное расположение пучностей, достигаемое при выполнении резонатора в виде пр моугольной пластины с отношением короткой стороны к длинной не более, чем.1:4, позвол ет существенно снизить габаритные размеры датчика. Формула изобретени  Датчик давлени  с частотным выходом , содержащий плоский резонатор и системы съема и возбуждени  колебаний , отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  габарита, резонатор в нем выполнен в форме пр моугольника , закрепленного на двух парах опор, выполненных в виде упругих трубо :. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по за вке 2407562/18-10, кл. G 01 L 11/00, 20.10,76. 746219 measured pressure P. This is due to the fact that the equivalent stiffness of the elastic system of the sensor depends not only on the parameters of the resonator itself, but also on the elasticity of the gas, located in the gap gaps between the surfaces of the resonator and the surfaces of gas-tight screens facing them. . Provided that the time constant of the process of changing the gas mass in the gap gaps significantly exceeds the half-period of free oscillations of the resonator (this is achieved by selecting a sufficiently small gap size), the gas in these gaps behaves as if they were sealed along the contours of antinodes. Poi. This effect of gas elasticity in the gap gaps on the equivalent stiffness of the elastic sensor system is proportional to the pressure P of this gas, which determines the linear dependence of the square of the oscillation frequency of the resonator on the measured {pressure. The linear arrangement of the antinodes, achieved when the resonator is made in the form of a rectangular plate with the ratio of the short side to the long side of not more than 1: 4, makes it possible to significantly reduce the overall dimensions of the sensor. Claims A pressure output sensor with a frequency output, comprising a flat resonator and vibration pickup and excitation systems, characterized in that, in order to reduce the envelope, the resonator in it is made in the form of a rectangle fixed on two pairs of supports, made in the form of an elastic pipe:. Sources of information taken into account in the examination 1. USSR author's certificate for application 2407562 / 18-10, cl. G 01 L 11/00, 20.10,76. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке 2430018,кл.С 01 L.11/00, 31.12.76 (прототип).2. USSR author's certificate according to the application 2430018, class C. 01 L.11 / 00, 12.31.76 (prototype). 746219746219 фуг 3fugues 3
SU782640640A 1978-07-03 1978-07-03 Pressure sensor with frequency output SU746219A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU782640640A SU746219A1 (en) 1978-07-03 1978-07-03 Pressure sensor with frequency output

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU782640640A SU746219A1 (en) 1978-07-03 1978-07-03 Pressure sensor with frequency output

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU746219A1 true SU746219A1 (en) 1980-07-07

Family

ID=20775315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU782640640A SU746219A1 (en) 1978-07-03 1978-07-03 Pressure sensor with frequency output

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU746219A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100379206B1 (en) Capacitance-type external-force detecting device with improved sensitivity
JP2006519362A (en) Accelerometer
JPH0467129B2 (en)
JPH08338776A (en) Microminiature mechanical pressure gage with expanded sensorrange
JP2011226941A (en) Vibration-type force detection sensor and vibration-type force detector
JP2002277248A (en) Angular velocity sensor
JPH0520693B2 (en)
US4267731A (en) Force balanced vibratory rate sensor
JP2011232264A (en) Piezoelectric sensor, piezoelectric sensor element and piezoelectric vibration chip
GB2227318A (en) A coriolis-effect mass flow sensor
SU746219A1 (en) Pressure sensor with frequency output
Johnson et al. An acoustically driven Kelvin probe for work‐function measurements in gas ambient
EP0062432B1 (en) Vibrating vane pressure gauge
GB2068551A (en) Vortex Shedding Flow Measuring Device
SU883681A1 (en) Pressure transducer with frequency output
SU798523A1 (en) Frequency-type pressure sensor
US3417606A (en) Electric discharge device
JP2000146592A (en) Oscillatory detector
JP2000283764A (en) Angular velocity detector
RU2237913C1 (en) Seismometer
SU905671A1 (en) Pressure pickup
USRE26774E (en) Sonic displacement transducer
JPH0435018B2 (en)
RU2104557C1 (en) Vibration-type angular-velocity transducer
SU757889A1 (en) Frequency-output pressure sensor