SU932315A1 - Датчик давлени - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано цл  измерени  аавлени  в жидких и газо образных средах. Известны пьезорезонансные цатчики аавлени , действие которых основано на преобразовании измер емого давлени  в силу, котора  формирует кварцевый резонатор . Это приводит к изменению собственной частоты данного резонатора, и, следшательно, к изменению частоты выходного сигнала генератора, частотозада- ющим элементом которого он  вл етс . Изменение частоты пропорционально изме . р емому давлению и может фиксироватьс  например с помощью частотомера Cl. При выполнении преобразовател  давлени  из металла возникают трудности с креплением кварцевого резонатора. Дл  исключени  возможности разрушени  рез натора при изменении температуры окружающей среды температурный коэфф щиен линейного расширени  ТКЛР материала, из которого изготовлены детали датчика. к которым крепитс  резонатор, должен с большой точностью равн тьс  вешчине этого параметра дл  кварца (дл  диапазона температур в величина их разност { не должна превышать 10).Выполнение данного услови  затруон егс  еще и тем, что ТКЛР монокристалличеокого кварца сложным образом зависит ог температуры. В луч1Ш1Х образцах пьезорезонансных датчиков примен етс  монолитное исполне ние преобразовател  давлени  в силу и резонатора из одного кристалла. Такие устройства имеют весьма высокую стоимость и примен ютс  только в эталонных, датчиках. К общему недостатку аналогов слеоуег отнести также чувствительность к перегрузкам и у да рам, с в занную с хрупкостью монокристаллического кварца. Наиболее близким к предлагаемому  в етс  пьезорезонансный датчик давлени  с интегральным чувствительным элементом . Чувствительный элемент имеет форMy полого цй/шндра, в центральной части

которого выполнен риск,  вл ющийс  ОС-

новой кварцевого резонатора, причем цилинцр и диск изготовлены как одао целое из моноК|М1Сгалла кварце. Измер емое

цав/юние совдаег сжатие цилиндрической части чувстштельного элемента, которое трансформируетс  в плоское сжатие диска Это сжатие приведет к изменению собст венной частоты колебаний кварцевого ре- зонатора, выполиенного на основе этого писка, а спедоватетезно - к изменению частоты эшкгрических колебаний генера- тора, частотозааающим элементом -которо го он  вл етс , Монолитное исполнение чувствительного элемента датчика спсюобствует получешю высоких метрологичес™ ких характеристик, гак как в этом случае практически полностью исключаютс   влени  Гистерезиса и деформации чувст витального элемента из-за различий ТКЛР преобразовател  давлени  в силу и кварцевого резонатора.

Это устройство обладает такими недостатками: стоимость материала чувстви- тельного элемента ,HS особенно, стоимость его обработки весьма высоки, что ограни- чиввет возможность применени  таких датчиков то ько в очень точных и от&ет-ственных устройствах. Кроме того моно кристаллически кварц нар ц - с хорошими механическими характеристиками  вл етс  хрупким материалом Это обсто тельство ограничивает примененке подобных датчи Ков в услови х возможных перегрузок, ударов и вибраций| чувствительные эле менты, выполненные иа монокристалличес - кого пьезоэлекарика, ограничены в своих размерах максимальными размерами моно кристаллов по длине ™- цо 100 мм ив сечении - до ктМ: а, следователь Ht с их помощью можно производить измерение давлени  в ограниченных пределах .,.i

Це,11Ь изобретени  ™ расш5 ение пре депов измерег-гай, н повышение надежности I

Поставленна  цепь достигаетс  тем,

что датчик снабжен двум  стержн ми, прикрепленными к диску с разных его сторон и выполненными из магнитострик ционного материала, и двум  катушками индуктивности, охватывающими кажда  соответствующий стержень и закрепленными на крышк-ах, а корпус выполнен в виде цилиндра с отверстием в боковой стенке и герметично соединен с чувствительным а/ю ментом, образу  с ним замкнутую по лость

На чертеже схематично изображен давлени .

Чувствительный злемент I имеет форму тела вращени , причем его наружный риаметр в центральной части несколько меньше8 чем у краев, совместно с корпусом 2, имеющим форму полого цилиндра, наружна  поверхность чувствительного. Э|вэмента образует полость, заполн емую через отверстие в боковой стенке корпуса жидкостью или газом, давление которых измер етс . Место стыка чувстви- тельного элемента и корпуса герметизируетс  например, с помощью пайки тугоплавкими припо ми,

Внутри чувствительного элемента, в центральной его части, имеетс  диск, сл --жаший механическим резонатором, причем он выполнен как одно целое с цилиндрИческой частью чувствительного элемента. В центральной части диска с двух сторон укреплены стержни 3, изготовленные .из материала, обладающего магаитострккци™ онными свойствами, например никел . На этих стержн х размещены катушки 4, закрепленные на крышках 5, герметизирующих внутреннюю полость чувствительного элемента. Начало и конец катушек 6 выведены через проходные изол торы 7, Крышки 5 могут быть намагничены дл  создани  начального подмагничивани  стержней 2, После поцмагничивани  може создаватьс  также посто нным током, протекающим по катушкам.

Устройство, состо щее из резонатора, двух стержней, с©ух катушек и магнитов (намагниченных крышек )представл ет собой частогиоизбирательный фильтр.

При питании одной, из катущек, например . нижней переменным током определенной частоты, в стержне, согласно эф« фекту Джоул , возникают продольные механические колебани , которые вызовут нагибные колебани  диска. Колебани  диск а у в свою очередь, приведут к возникновению продольных колебаний в стержне , расположенном на противоположной стороне диска. При этом, согласно эффекту ВилларИ;, в верхней катушке будет наводитьс  переменное напр жение той же частоты, что и подаваемые на вход ус-тройства . Максимальный коэффициент пере дачи соответствует частоте собственных колебаний диска, котора  может быть оп раДелена ,по формуле

593

гце t - толщина диска cvi; TO - радиус диска, см; К - модуль Юнга материала диска, ,дин/см ;

5 - плотносгь материала диска, г/см л) - коэффициент Пуассона материала

диска;

X - коэффициент, завис щий от номера тона колебаний (дл  закрепленного диска 2,554 - тон.

Например диск, выполненный из сплава Н-41-ХТ, имеющий толщину t l мм и радиус РО 5 мм имеет частоту основного тша колебаний f 80 кГц.

Под воздействием измер емого давлени  на чувствительный элемент происходит сжатие диска, что вызовет повышение его собственной частоты.

Например, есгес чувствительный элемен датчика обладает длиной активного участка , т.е. длиной той его части, котора  имеет меньший диаметр, равной 80 мм, а РИСК - диаметром 10 мм и толщиной 1 мм, то давление 5О кг/см вызовет относительную деформацию диска на величину Ш, что 1фиведет к изменению собственной частоты изгибньк колебаний диска на 0,18%. На частоте 80 кГц это изменение состаш1т 0,15 кГц.

Дл  получени  электрических колебаний с частотой, равной собственной частоте колебаний диска, выводы катушек подключаютс  к электронному усилителю, причем одна из катушек пооключаетс  к его выходу, а друга  - ко входу.

Изменение частоты выходного сигнала генератора пропорционально при деформаци х до точностью не хуже 0,5% измер емому давлению и может быть измерено , например, с помгацью частотомера .

156

Применение предлагаемых датчиков

давлени  позволит расширить пределы иэмер емых цавлешй. Кроме этого, значительно снижаютс  расходы на изготовлени чувствительных алэментов, так как исключаетс  применение монокристаллического KBafaia и дорогосто да  механическа  обработка последнего. При этом повышаетс 

(Надежность датчиков, так как хрупкий монок рис та лги чес кий материал замен етс  на сплав, значительно более устойчивый к ударам и перегрузкам.

Перечисленные свойства предлагаемых датчиков позвол ет примен ть их в самых разнообразных област5Ос техники

Claims (2)

1.Малов В. В. Пьезорезонансные п.ат ,чики, М., 1978, с. 171-180.

2.Там же, с. 178 (прототип).