Пьезорезонансный датчик давления

 

Изобретение относится к пьезорезонансным датчикам давления и может быть использовано для измерения абсолютного и разностного давлений с повышенной точностью. Датчик (Д) отличается повышенной термостабильностью и виброударной устойчивостью и малым гистерезисом. Корпус 1 Д выполнен заодно целое с консольной балкой 2, снабженной пьезоэлементами 7, 8, и с силопередающей и силоуравновешивающей системами. Два коромысла 14, 15 силоуравновешивающей системы имеют упругие опоры 16, 17 в виде двусторонне вырезанных стержней, выполненных нацело с корпусом 1 в противоположных его стенках. Коромысла 14, 15 выполненные нацело с опорами 16, 17, на одном конце имеют передвигаемые балансировочные грузы 20, 21. Другие концы коромыслов выполнены заодно с силопередающими штоками 10, 13, расположенными выше и ниже рамной контсрукции пьезоэлементов 7, 8, и каждый шток имеет двусторонние вырезы для повышения их податливости. Действие измряемого давления через мембрану 9 и силопередающие штоки передается на консольную балку 2, вызывая деформации растяжения - сжатия пьезоэлементов 7, 8. Деформация пьезоэлементов преобразуется в частоту и на выходе датчика получается выходной сигнал в виде разности двух частот, пропорциональной давлению. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) Ш) А1 (5!)5 С 01 1- 08

«ei,. Д,;,,Д

J i . ë";ü5:É иО ЕйА

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4438530/24-10 (22) 08.06.88 (46) 30.03.90. Бюл. М 12 (71) Ереванский политехнический институт им. К«Маркса (72) B.P.Âàðäàíÿí, А.К.Панкратов, В.В.Варданян, Э.Н.Григорян и Н.В.Варданян (53) 531 787 (088.8) (56) Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. M. Энергия, с. 176, (54) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к пьезорезонансным датчикам давления и может быть использовано для измерения абсолютного и разностного давлений с повышенной точностью. Датчик (Д) отличается повышенной термостабильностью и виброударной устойчивостью и малым гистерезисом. Корпус Д выполнен за одно целое с консольной балкой 2, снабженной пьезоэлементами 7, 8, и с силопередающей и силоуравновешивающей системами. Два коромысла 14, 15 силоуравновешивающей системы имеют упругие опоры 16, 17 в виде двусторонне вырезанных стержней, выполненных за одно целое с корпусом 1 в про1553858

10 тивоположных его стенках. Коромысла

14, 15, выполненные за одно целое с опорами 16, 1 7, на одном конце имеют передвигаемые балансировочные грузы 20, 21, Другие концы коромысел выполнены за одно целое с силопередающими штоками 10, 13, расположенными выше и ниже рамной конструкции пьезоэлементов 7, 8, и каждый шток имеет двусторонние вырезы для повыИзобретение относится к контрольно,измерительной технике и, в частнос1, ти, к датчикам, предназначенным для измерения абсолютного давления.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения путем повышения термостабильности и вибро ударной устойчивости.

На фиг.1 изображен пьезорезонансный датчик; на фиг,2 - блок-схема из- 25 мерения.

Датчик содержит корпус 1, в котором на выполненной за одно целое с . ним консол.ьной балке 2 через кварцевые бруски 3 - 6 закреплены пьезоэлементы 7 и 8; Выводные концы пьезоэлементов подключены к выводам гермоввода (не показан), прикрепленного к корпусу 1. В корпусе 1 установлена мембрана 9 с жестким центром, связанная через шток 10 с концом бал- З5 ки 2. Шток 10 имеет двусторонне выполненные вырезы 11, 12, повышающие его податливость. К противоположной стороне балки 2 присоединен дополни40 тельный шток 13, также имеющий вырезы. Силоуравновешивающая система выполнена B виде двух коромысел 14 и !

5, которые через упругие опоры 16, 17 оперты на выступы 18, 19, нацело

45 изготовленные в корпусе 1. Силоуравновешивающие коромысла на концах имеют балансировочные грузы 20 и 21, месторасположение которых устанавливается экспериментальным путем. Давление через штуцер 22 передается мем- 50 бране 9 с жестким центром. На фиг.1 показаны технологичные отверстия, необходимые для изготовления в процессе фрезеровки. Силопередающие штоки 1О, 13, консольная балка 2, 55 коромысла 14, 15, упругие опоры 16, 17 выполнены эа одно целое с корпусом 1 из единой заготовки. шения их податливости. Действие измеряемого давления через мембрану 9 и силопередающие штоки передается на консольную балку 2, вызывая деформации растяжения - сжатия пьезоэлементов 7, 8. Деформация пьезоэлементов преобразуется в частоту и на выходе датчика получается выходной сигнал в виде разности двух частот, пропорциональной давлению. 2 ил.

Пьезоэлементы 7 и 8 входят в схему автогенераторов 23, 24 (фиг.2).

Для повышения чувствительности включены умножители 25 и 26 частоты, выходные сигналы которых с частотами и f<, подаются смесителю 27. На выходе смесителя сигнал имеет частоту fq-f .

Датчик работает следующим образом.

Действие давления P через мембрану 9 с жестким центром передается в виде усилий через штоки 10 и 13 к концу балки 2. Если из-за деформации балки пьезоэлемент 7 растягивается и увеличивает свою частоту на величину +Ьй, то пьезоэлемент 8 сжимается, уменьшая свою частоту на величину -М .

После умножителей 25 и 26 частоты автогенераторов становятся п(й +М) и n(fo М) (частота автогенераторов принята равной Ц ), где и — коэффициент умножения. После смесителя 27 частота выходного сигнала будет

+n26f. Для получения возможности измерения как давления, так и разрежения первоначальные частоты автогенератордв должны несколько отличаться одна от другой.

Для повышения термостабильности передние и задние стенки датчика закрывают крышками и по периметру сваривают с корпусом. После этого в замкнутом объеме пьезорезонансного датчика создается вакуум величиной

10 - 10 мм рт.ст.

На фиг.1 пунктиром показана вторая аналогичная мембрана с жестким центром, прикрепленная к корпусу и закрытая крышкой, содержащей штуцер.

Такая конструкция уже является датчиком разности давлений.

В предложенном датчике значительно выше термостабильность. Это обус3858

5 155 ловлено тем, что силоуравновешивающие системы в виде коромысел с балансировочными грузами имеют симметричное расположение выше и ниже балки с присоединением каждого коромысла через опоры к противоположным стенкам корпуса. Если из-за изменения температуры произойдет изменение конструктивных размеров элементов, расположенных выше и ниже пьезоэлементов, то деформации будут одинаковыми и это не приведет к появлению ложных выходных сигналов.!

Полная симметрия силопередающей, силоуравновешивающей систем по отношению к рамочной конструкции пьезоэлементов позволяет получить устойчивое виброударное состояние без появления ложных выходных сигналов.

Выполнение механической части датчика из одного куска металла позволяет исключить взаимно сдвигаемые элементы конструкции, т.е. созданная монолитность конструкции позволяет значительно уменьшить возможный гистерезис. Так как рамочная конструкция с прикрепленными пьезоэлементами позволяет получить достаточно высо- . кую чувствительность, необходимость деформации мембраны с жестким центром незначительна и не превышает десяти микрон, то возникающий гистерезис невелик и практически им можно пренебречь. При необходимости вместо гофрированной мембраны можно применить мембрану, выполненную из аморфной кварцевой пластины. В предложенной конструкции отсутствие несдвигае6 мых деталей конструкции позволяет значительно уменьшить возможные соответствующие погрешности.

Предложенная конструкция изготовляется фрезеровкой.

Формула изобретения

\ ð Пьезорезонансный датчик давления, содержащий корпус, в котором закреплена мембрана, связанная через основной силопередающий шток с упругим элементом в виде консольной балки с

15 цвумя выемками на противоположных гранях, на которых закреплены пьезоэлементы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения за счет повышения

gp термостабильности и виброударной устойчивости, он снабжен двумя коромыслами - первым и вторым с подвижными балансировочными грузами на од" ном из концов и упругими опорами, 25 связанными с корпусом, и дополнительным силопередающим штоком, при этом первое коромысло соединено с основным силопередающим штоком, а второес дополнительным силопередающим штоком, который связан.с концом консольной балки со стороны, противоположной стороне присоединения к ней .основного силопередающего штока, причем корпус, консольная балка, сило35 передающие штоки, коромысла и упру-. гие опоры выполнены за одно целое, а основной и дополнительный силопередающие штоки в местах их соединения с консольной балкой и коромысла4р ми имеют двусторонние вырезы.

1553858

Составитель Н.Матрохина

Реда ктор А. Ма ковская Техред N. Дидык

Корректор М.Пожо

Заказ 451 Тираж 468 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CCCP

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г.ужгород, ул.Гагарина, 191