SU754235A1 - Датчик давления с частотным выходом 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к частотным датчикам давления.

Известны датчики давления, содержащие колебательную систему в виде упругой мембраны, которая установлена в корпусных деталях и расположена между двух электростатических преобразователей, служащих для возбуждения и съема колебаний. Недостатком указанных датчиков является сильное взаимодействие мембраны с корпусными деталями и возбуждение в этих деталях «паразитных» механических резонансов, оказывающих обратное действие на колебательную систему, что вызывает значительные погрешности измерения, ограничивает диапазон, а также приводит к резкой нелинейности частоты выходного сигнала от измеряемого давления [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому экономическому эффекту к предлагаемому устройству является датчик давления, содержащий систему самовозбуждения в виде широкополосного усилителя, в цепь положительной обратной связи которого включена колебательная система в виде плоской эластичной мембраны,

2

разделяющей объем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой газовой средой посредством двух капилляров, постоянная времени которых на порядок выше полупериода колеба₅ ний. Мембрана датчика расположена между двумя неподвижными электродами, образующими совместно с ней электростатические системы возбуждения и приема колебаний. Конструкция датчика соответствует общеизвестным конструкциям дифференЮ циальных емкостных датчиков. Рабочик камеры датчика образуют две газовые пружины, упругость которых определяется давлением измеряемой газовой среды [2].

Недостатками известного технического

решения являются нелинейность функцио³ нальной зависимости квадрата частоты датчика от измеряемого давления, низкая точность измерения, а также ограниченный диапазон измеряемых давлений.

Указанные недостатки обусловлены тем,

20 что колебательная система датчика (мембрана) должна обладать значительной собственной упругостью, обеспечивающей достаточные по ширине частотные интервалы между ее собственными резонансными модами.

754235

3

В противном случае возникают побочные «подвозбуждения» мембраны в старших модах и их наложение на колебания в первой моде, которая определяет рабочую частоту датчика, при этом ухудшается добротность колебательной системы, ограничивается диапазон измерений и т. д.

Однако, значительная величина упругости мембраны приводит к сильному взаимодействию мембраны с элементами ее крепления, что нарушает линейность зависимости квадрата выходной частоты датчика — прототипа от измеряемого давления за счет возбуждения «паразитных» механических резонансов в элементах крепления мембраны. Кроме того, возбуждение «паразитных» резонансов ухудшает временную стабильность выходной частоты датчика—прототипа, приводит к «раздвоению» резонансных частот колебательной системы, ограничивает диапазон измеряемых давлений и резко снижает метрологические характеристики прибора.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик давления с частотным выходом, содержащем колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей объем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой газовой средой через капилляр, системы возбуждения и съема колебаний, введены два полых цилиндра, установленных в корпусе датчика с помощью амортизационных прокладок, при этом мембрана закреплена между торцами цилиндра, а длина средней окружности полых цилиндров не превышает половины отношения скорости звука в материале полого цилиндра к максимальной рабочей частоте датчика.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов конструкции чувствительного элемента; на фиг. 2 — схема его подключения к системе самовозбуждения датчика.

Мембрана 1 выполнена в виде пластинки, обладающей изгибной упругостью, или тонкой натянутой по окружности диафрагмы и закреплена в Кольцовых элементах 2, которые совместно с электродами 3 электростатических преобразователей и изоляторами 4 образуют две рабочие камеры 5 (две газовые пружины). Кольцевые элементы 2 образуют кольцевой резонатор, при этом размер его средней окружности выбирается из соотношения

где 1к и К к — соответственно, длина и радиус средней окружности кольцевого резонатора; С«к — скорость распространения продольных волн в материале кольцевых элементов; (гоах — максимальная рабочая частота датчика.

4

Кольцевые элементы 2 имеют отверстия 6 для заполнения газовых пружин 5 измеряемой средой и установлены в корпусе 7 чувствительного элемента с помощью акустически мягких прокладок 8 и прижимной гайки 9.

Амортизирующие прокладки 8 и корпусные детали чувствительного элемента — кольцевые элементы 2, изоляторы 4 и электроды 3, образуют механический фильтр низких частот, при этом суммарная упругость прокладок 8 выбирается таким образом, чтобы критическая частота механического фильтра («рк была ниже резонансной частоты ί. мембраны 1 при ее колебаниях в вакууме, т. е.

ίφκ<(ι ; («ж= ^ίί V

где —суммарная упругость прокладок 8; М к — масса корпусных деталей, откуда

Α„<4ίί*ί,* М_к

Корпус 7 чувствительного элемента снабжен крышками 10, которые снабжены электрическими герморазъемами для подключения к системе самовозбуждения датчика и содержат потенциальные штыри 11, герметично вмонтированные в изоляторы 12, которые герметично соединены с крышками

10. Проводники 13 осуществляют электрический контакт между электродами 3 и потенциальными штырями 11. Копус датчика 7 содержит входной патрубок 14 для подачи измеряемой газовой среды в полость чувствительного элемента. Входной патрубок 14, объем 15, образованный деталями 2, 8 и 7, газовые пружины 5 и отверстия 6 образуют акустический фильтр низких частот, критическая частота которого меньше собственной резонансной частоты мембраны при ее колебаниях в вакууме, при этом патрубок 14 и отверстия 6 играют роль акустических индуктивностей,а объем 15 и газовые пружины 5 — роль акустических емкостей. Наличие акустического фильтра обеспечивает малую постоянную времени датчика при его заполнении измеряемой средой и повышает упругие свойства газовых пружин, поскольку акустическое волновое сопротивление фильтра на рабочих частотах оказывается высоким и обеспечивает постоянство массы газа в газовых пружинах 5 в пределах полупериода колебаний мембраны.

Один из электродов 3 (приемный электрод) с помощью герморазъемов, которые на фиг. 2 условно не показаны, и разделительного конденсатора 16 подключен к предусилителю 17, имеющему высокое входное сопротивление, выход которого подсоединен к дифференцирующему усилителю 18 с целью автоматической регулировки усиления. Выход усилителя 18 через разделительный конденсатор 19 подключен к другому (возбуждающему) электроду 3 чувствительного элемента. Чувствительный элемент

754235

5

совместно с усилителями 17 и 18, конденсаторами 16, 19 образует измерительный автогенератор.

Блок питания 20 обеспечивает подачу поляризующего напряжения на приемный и возбуждающий электроды 3 через резисторы 21 и 22, а также запитывает усилители 17 и 18. Конденсатор 23 служит для электрической развязки входа и выхода чувствительного элемента по переменному току.

Работа датчика происходит следующим образом.

При подаче напряжений питания происходит самовозбуждение схемы на частоте собственных колебаний чувствительного элемента. При этом переменный сигнал с приемного электрода 3 поступает на предусилитель 17 через разделительный конденсатор 16 и затем на усилитель 18, где усиливается с поворотом фазы на +90°. С выхода усилителя 18 сигнал поступает через разделительный конденсатор 19 на возбуждающий электрод 3 чувствительного элемента для возбуждения колебаний мембраны 1. Цепь автоматической регулировки усиления усилителя 18 обеспечивает генерирование колебаний в пределах динамического диапазона этого усилителя.

При изменении давления измеряемой среды, последняя проникает в газовые пружины 5 через входной патрубок 14, объем 15 и отверстия 6, что приводит к изменению собственной частоты колебаний мембраны и, соответственно, частоты выходного сигнала усилителя 18, определяемой выражением { = Ϋ(23ί ίϊ) ²' + ,

где Ц— резонансная частота колебаний при Р = 0; Р — измеряемое давление; 5м— площадь мембраны 1; V — объем газовой пружины; 6 поверхностная плотность мембраны 1; у — показатель адиабатичности процессов сжатий-разряжений газа в объемах газовых пружин.

При работе датчика под действием колеблющейся мембраны происходит ее деформация в радиальном направлении, что приводит к появлению дополнительных усилий, действующих на кольцевые элементы, при этом дополнительные усилия возникают при отклонении мембраны из положения равновесия, т. е. возникают с удвоенной часто6

той по отношению к частоте колебаний. Однако возбуждения побочных резонансов в корпусных деталях не происходит, поскольку резонансные явления в кольцевых элементах 2, образующих кольцевой резонатор, могут возникать лишь на частотах, превышающих максимальную рабочую частоту датчика. В свою очередь прокладки 8 обеспечивают амортизацию кольцевых элементов 2 с другими деталями конструкции, в частности — с деталями 7, 9 и 10.

Линейная зависимость квадрата частоты датчика от давления позволяет сравнительно просто производить обработку частотного сигнала на цифровых вычислительных машинах, однако наиболее перспективным является использование предлагаемого частотного датчика совместно с функциональным частомером, снабженным цифровым индикатором для непосредственного считывания результата измерения, либо имеющим кодовый выход для регистрации результата измерения с помощью цифропечатающих устройств.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Датчик давления с частотным выходом, содержащий колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей объем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой газовой средой через капилляр, систему возбуждения и съема колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в датчик введены два полых цилиндра, установленных в корпусе датчика с помощью амортизирующих прокладок, при этом мембрана закреплена между торцами цилиндров, а длина средней окружности полых цилиндров не превышает половины отношения скорости звука в материале полого цилиндра к максимальной рабочей частоте датчика.