Пьезорезонансный датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам, и может быть использовано для измерения абсолютного давления. Целью' изобретения является повышение чувствительности и термостабильности. Для этого в датчике силопередающая система состоит из двух мембран 2 и 10 с жестким центром.выполненных заодно с корпусом 1, и силопередающей 3 и компенсационной 11 балок. Одними концами балки соединены с мембранами, а другими - с основанием корпуса через упругие шарниры 4 и 12. Равноплечее коромысло 7 также выполнено за одно целое через упругие шарниры 6 и 14 с балками. Центр коромысла 7 через упругий шарнир 8 соединен со стержнем 9 основания корпуса, где со смещением от центра этой опоры с ее обеих сторон установлены два идентичных пьезоэлемента 15 и 16, которые включены в схемы автогенераторов. Работа датчика основана на преобразовании давления в деформацию пьезозлементов, один из которых работает на сжатие, а другой - на растяжение, и преобразовании деформации пьезоэлементов в частотный выходной сигнал в виде разности двух частот. 1 ил.>&^^25U/ f5 /7 ff//ucr\ \\ \ гт/--/ -- ^' ff ^/ 22 '5 Л 25Щи г. /

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 L 9/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

15 17 /Г

gimp f

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4628270/10 (22) 28.12.88 (46) 15.02.92, Бюл. М 6 (71) Ереванский политехнический институт им. К.Маркса (72) В.Р.Варданян, Э.Н.Григорян, В.В.Варданян и Н.В.Варданян (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1642285, кл. G 01 L 9/08, 05.12.88. (54) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам, и может быть использовано для измерения абсолютного давления. Целью изобретения является повышение чувствительности и термостабильности. Для этого в датчике силопередающая система состоит из двух мембран 2 и 10 с жестким центром, 1

Ю

Ю- " ю1

„„Я2„„1712803 А1 выполненных заодно с корпусом 1, и силопередающей 3 и компенсационной 11 балок. Одними концами балки соединены с мембранами, а другими — с основанием корпуса через упругие шарниры 4 и 12. Равноплечее коромысло 7 также выполнено за одно целое через упругие шарниры 6 и 14 с балками. Центр коромысла 7 через упругий шарнир 8 соединен со стержнем 9 основания корпуса, где со смещением от центра этой опоры с ее обеих сторон установлены два идентичных пьезоэлемента 15 и 16, которые включены в схемы автогенераторов.

Работа датчика основана на преобразовании давления в деформацию пьезоэлементов, один из которых работает на сжатие, а другой — на растяжение, и преобразовании деформации пьезоэлементов в частотный выходной сигнал в виде разности двух частот. 1 ил.

1712803

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения абсолютного давления.

Целью изобретения является повышение чувствительности и термостабильности.

На фиг. 1 изображен пьезорезонансный датчик, разрез; на фиг. 2 — блок-схема измерения.

Корпус 1 пьезорезонансного датчика (фиг. 1) имеет форму прямоугольной призмы-коробки и содержит узлы, выполненные за одно целое с ним. Силопередающая система состоит из первой мембраны 2 с жестким центром, силопередающей балки 3, которая через упругий шарнир 4 соединена со стойкой 5, опирающейся на основание корпуса 1. Балка 3 через упругий шарнир 6 соединена с концом равноплечего коромысла 7, опирающегося через упругий шарнир

8 на стержень 9, выполненный в основании корпуса. Аналогично с силопередающей системой изготавливается компенсационная силоуравновешивающая система, состоящая из изготовленных за одно целое с корпусом второй мембраны 10 с жестким центром, компенсационной балки 11, одним концом выполненной за одно целое с мембраной 10. Второй конец балки 11 через упругий шарнир 12 соединен с жесткой стойкой 13, опирающейся на основание корпуса 1. Балка 11 через упругий шарнир 14 соединена с вторым концом равноплечего коромысла 7, Рядом со стержнем 9 левее и правее оси шарнира 8 с одинаковым смещением прикреплены два одинаковых пьезоэлемента 15 и 16, опирающиеся на основание корпуса, и коромысло 7. Пьезоэлементы 15 и 16 к корпусу и коромыслу прикреплены через кварцевые бруски 17-24. Для получения термоизоляции с основанием корпуса с зазором закрепляется (сваривается) крышка 25. Давление к мембране 2 передается через штуцер крышки 26. Для исключения влияния давления на вторую мембрану 10 применена наглухо закрытая крышка 27.

Внутри корпуса 1 закреплена шпилька 28—

31 (другие не показаны), на которые прикреплены две печатные платы 32 и 33, на которых собирается схема измерения. Передние и задние стенки корпуса 1 закрываются дополнительными крышками и после окончательной настройки схемы измерения по периметрам свариваются с ним, Через штуцер гермовода (не показан) внутои датчика создается вакуум величиной 10 + 10 мм рт,ст. для повышения термостабильности. Для этой цели создан вакуум в полости между крышкой 27 и мембраной 10.

Пьезоэлементы 15 и 16 входят в схему автогенераторов 34 и 35 (фиг. 2). Для еще большего увеличения чувствительности включены умножители 36 и 37 частоты, вы5 ходные сигналы которых с частотами f1 и f2 подаются к смесителю 38. На выходе смесителя сигнал имеет частоту f1- fz.

Датчик работает следующим образом.

Действие давления P через мембрану 2

10 с жестком центром в виде усилия через си лопередающую балку 3 и через конец коромысла 7 передается пьезоэлементам 15 и

16. Если из-за деформации пьезоэлемент 15 сжимается, уменьшая свою частоту на вели15 чину - Ж, то пьезоэлемент 16, растягиваясь, увеличивает свою частоту на величину - Ю, После умножителей 36 и 37 частоты автогенераторов становятся n(fo - Л f) и n(fo +

+hf) (было принято, что частоты автогенера20 торов равны fo), где п — коэффициент умножения. После смесителя 38 частота выходного сигнала будет + пЯЮ.

Для получения возможности измерения как давления, так и разряжения первона25 чальные частоты автогенераторов должны несколько отличаться друг от друга, Замена крышки 27 (фиг. ".) крышкой со штуцером (как это вы пол не но для кры ш ки

26) превращает датчик в датчик разности

30 давлений.

В предлагаемом датчике чувствительность увеличивается по двойному эффекту усиления передачи усилий к пьезоэлементам 15 и 16. Коэффициент трансформации

35 Ктр входного сигнала F, приложенного к концу балки 3 через жесткий центр мембраны 2 к пьезоэлементу 15 или 16 в виде Fpea., когда в передаче участвуют плечи 1, lo, балки и плечи lг, 1ог, коромысла определяется из

Ктр. = Ктрл Ктр.г — — ——

F ез 11 lг где1, lo) и 1г, 1ог — длины, показанные на фиг.

1.

Коэффициент трансформации в среднем можно взять равным 25 — 36 (5 — 6 для

Ктрл, и 5 — 6 для Ктр,2), сохраняя приемлемые габариты датчика, В предлагаемом датчике значительно выше термостабил ьность. Это обуславливается тем, что при изменении температуры за счет монолитности конструкции и его полной симметрии по отношению к опоре коромысла пьезоэлементы одинаково изменяют свою частоту и на выходе не возникает ложный сигнал разностной частоты, Дополнительному повышению термостабильности способствуют также получение термоизоляционной рубашки, полученной между сило1712803

Составитель О. Полев

Техред М;Моргентал

Корректор M. Шароши

Редактор Э, Слиган

Заказ 529 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101 передающей, компенсационной системой с одной стороны и корпусом.

Выполнение монолитно с корпусом силопередающей и компенсационной системы симметрично по отношению к пьезоэлемен- 5 там, закрепленным на одинаковом расстоянии от центра опоры коромысла, позволяет получить высокую виброударную устойчивость. Из-за симметричности конструкции исключается появление ложных выходных 10 сигналов при ударных нагрузках.

Выполнение механической части датчика из одного куска металла позволяет исключить взаимно сдвигаемые элементы конструкции, т;е. созданная монолитная 15 конструкция позволяет значительно уменьшить возможный гистерезис. Кроме того, монолитная конструкция датчика с применением силоумножительной системы позволяет получить достаточно высокую чувствительность, 20 поэтому необходимость деформации мембран с жестким центром незначительна и не превышает десятка микрон и, следовательно, возникающий гистерезис небольшой и им практически можно пренебречь. Деформация пьезоэлемен- 25 тов значительно меньшая деформации мембран, B предлагаемой конструкции отсугствие несдвигаемых деталей и незначительной деформации пьезоэлементов из-за незначительного гистерезиса обеспечивает малые погрешности измере- 30 ния.

Формула изобретения

Пьезорезонансный датчик давления, содержащий вакуумируемый корпус с первой и второй мембранами и оенованием, равноплечее коромысло, снабженное упругой опорой, связанной с корпусом, два пьезоэлемента, закрепленные симметрично с двух сторон упругой опоры параллельно ее оси между коромыслом и основанием корпуса, и крышку со штуцером, закрывающую вторую мембрану, причем корпус, коромысло, упругая опора и мембраны выполнены за одно целое, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и термостабильности, он снабжен силопередающей и компенсационной балками, двумя стойками, четырьмя упругими шарнирами и прикрепленной к корпусу с зазором,со стороны основания крышкой, при этом силопередающая балка одним концом связана с первой мембраной, вторым через первый упругий шарнир соединена с первой стойкой, связанной с основанием корпуса, и через второй упругий шарнир, смещенный в сторону мембраны, соединена с одним из концов коромысла, а компенсационная балка одним концом связана с второй мембраной, вторым через третий упругий шарнир соединена с второй стойкой, связанной с основанием корпуса, и через четвертый упругий шарнир, смещенный в сторону второй мембраны, соединена с вторым концом коромысла, при этом силопередающая и компенсационная балки, упругие шарниры и стойки выполнены за одно целое с мембранами, коромыслом и корпусом,