Частотный датчик давления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (i)3 000805 ф У> (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 04.05.81 (21) 3283281/18-10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 2802.83. Бюллетень ¹ 8

Дата опубликования описания 28.02.83 (51) М. Кп.

G L 11/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (S3) УДК 31.787 (088. 8) /

Е,С.Левшина, Е.Н.Пятышев и Л,В.Черненькая-..

j - .. ":. .-,-: / г

Ленинградский ордена Ленина поли иЫохий ннстйтут им. М.И.Калин на . " / j (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ЧАСТОТНЬЯ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может найти применение для измерения давления газов, особенно низких давлений.

Известны частотные датчики давления, у которых плоская мембрана разделяет внутренний цилиндрический объем на две симметричные камеры, а торцовые стенки образованы плоскими электродами в форме дисков; Камеры сообщаются с измеряемой средой посредством капилярных каналов. Датчик имеет электростатическую систему возбуждения и съема колебаний (1 1.

К недостаткам такой конструкции следует отнести относительно высокую жесткость закрепленной по периферии мембраны, следствием чего является невысокая добротность колебаний системы и низкая чувствительность, особенно в области низких давлений.

Известны также датчики давления о частотным выходом, содержащие плоскую мембрану, которая укреплена в"кор- 25 пусе посредством упругих растяжек и, следовательно, образует две рабочие камеры, дополнительно сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны. 30

Выполнение мембраны с отверстиями в периферийной части позволяет понизить жесткость мембраны и улучшить

его метрологические характеристики не нарушая принцип действия датчика, так как эти отверстия вынесены за границы полостей-, образующих. газовые пружины (2 ).

Однако верхняя граница рабочего диапазона датчика определяется добротностью колебательной системы и невозможностью обеспечить высокую точность автогенератора при низкой добротности. Среди потерь, определяющих добротность, существенную роль играют потери на вязкое трение при радиальном движении газа, вызванном . колебаниями мембраны в зазоре между торцовыми стенками рабочих камер.

Цель изобретения — повышение добротности колебательной системы датчика за счет уменьшения потерь на вязкое, трение.

Укаэанная цель достигается тем, что в датчике, содержащем колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей внутреннюю полость корпуса на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны и с

1000805 контролируемой средой через капилярные каналы в корпусе, внутренние поверхности рабочих камер, обращенные к мембране, выполнены в виде частей сферы.

На фиг.1 изображена конструкция и принципиальная электрическая схема датчика, на фиг.2 — амплитудно-частотные характеристики.

Рабочие камеры датчика (фиг.1)образованы двумя крышками 1, между ко- 10 торыми зажата мембрана 2. Крышки выполнены из изоляционного материала, например, стекла, мембрана — из металлической пленки, на периферийной части которой выполнены отверстия 3.

Полости 4, находящиеся по обе стороны мембраны, соединены каналами 5 с внешней средой и, следовательно, давление газа в обеих полостях равно измеряемому, а глубина рабочей части полостей сделана очень малой. В периферийной части полости имеют кольцевые углубления 6 значительно большей глубины, чем рабочая часть.

На стеклянные крышки нанесены элект.роды 7 и 8, которые служат неподвижными пластинами электростатического преобразователя напряжения в силу и емкости преобразователя виброперемещений. Подвижной пластиной того и другого преобразователя является мембрана 2, которая электрически соединяется с корпусом. К обоим неподвижным электродам подводится напряжение от стабилизатбра напряжения. К электроду 7 подключен усилитель 9, выход ко- Зз торого соединен с электродом 8. К выходу усилителя подключен также блок 10 линеаризации частоты, выход которого соединен с счетчиком 11.

Работа датчика заключается в сле- 40 дующем.

Преобразователь напряжения в силу, образованный электродом 8 и мембраной 2, и преобразователь виброперемещения в напряжение, образованный электродом 7 и мембраной 2, включены в цепь обратной связи усилителя 9, коэффициент усиления и фазовый сдвиг в котором выбираются таким образом, чтобы в системе возбуждались автоко лебания.

Принцип действия датчика основан на зависимости частоты автоколебаний от измеряемого давления, при этом резонансная частота колеба-. тельной системы определяется массой мембраны и суммарной жесткостью собственно мембраны и газовой пружины, образующейся при колебаниях в рабочих полостях 4. Причем жесткость га-, зовой пружины для статической силы 60 равна нулю, а для динамической силы увеличивается с увеличением частоты колебаний.

Нижняя граница рабочего диапазона датчика определяется отношением жест- кости газовой пружины и мембраны. Задача снижения жесткости мембраны в датчике решается уменьшением ее толщины, а также выполнением перфораций в периферийной части.

Верхняя граница рабочего диапазона датчика определяется добротностью колебательной системы, которая в первую очередь зависит от величины вязкого трения газа в рабочих камерах.

Благодаря выполнению внутренних поверхностей 7 и 8 рабочих камер 4 в виде частей сферы, радиус которых подобен радиусу колеблющейся мембраны в крайних положениях, значительно уменьшается радиальный градиент давления, так как относительные дефор-" мации кольцевых элементов газовой пружины оказываются примерно равными, а с уменьшением радиальных градиентов давления уменьшаются радиальные потоки газа и существенен > повышаЬтся добротность колебательной системы.

На фиг.2 представлены полученные экспериментально амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) датчика,. имеющего внутренние поверхности рабочих камер в виде частей сферы (фиг. 2 a ) и датчика с плоскими стенками (фиг.2б), имеющего те же габариты, диаметр и толщину мембраны.

На фиг.2а АЧХ датчика получены при давлениях 4гПа — кривая I и 20 гПа кривая il, на фиг.2о- та же характеристика, полученная при давлении

4 гПа.

Как видно из приведенных результатов добротность датчика на частоте основного резонанса при замене плоской стенки на сферическую возросла в два. раза, в то время как добротность на частоте второго резонанса уменьшилась в 1,7 раза, а третьего резонанса — в 1,5 раза.

Формула изобретения

II

Частотный датчик давления, содержа щий колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей внутреннюю полость корпуса на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны и с контролируемой средой через капиллярные каналы в корпусе,отличающийся тем, что,с целью повышения добротности за счет уменьшения потерь на вязкое трение, в нем внутренние поверхности рабочих камер, обращенные к мембране, выполнены в виде частей сферы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 228992, кл. G 01 L 11/00, 1966.

2. Авторское свидетельство СССР

9 666677884400,, кклл. G 01 L, 11/00, 1976 (прототип ).

1000805

1000805 фиа,а

ВНИИПИ Заказ 1362!41 Тираж 871 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная,4