Дифференциальный датчик давления с частотным выходом

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как составная часть информационно-измерительной системы с частотной формой представления сигнала. Цель изобретения - повышение точности измерения максимальной величины давления. В корпусе 1 с двумя подводящими штуцерами установлены два упругих силопередающих элемента, выполненных в виде трубок 2, установленных соосно с одним концом закрепленных на штуцере, а другим - на центральном жестком элементе, выполненном в виде кольца 3. Один конец каждого пьезорезонатора 4 и 5 закреплен на корпусе 1, а другой - на кольце 3. Рабочие оси пьезорезонаторов повернуты относительно. оси трубок на 45°. Под действием разности давлений кольцо 3 деформирует пьезорезонаторы 4 и 5. При деформации пьезоэлементов изменяются их упругие константы и соответственно изменяются частоты генерации акустоэлектронных преобразователей 6 и 7. 2 ил. I (Л С vj Ј ч| Ы fcb

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Госудд ственный комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (я)з 6 01 1 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4773080/10 (22) 25.12,89 (46} 23.07.92, Бюл, Q 27

Р1) Всесоюзный научно-исследовательский технологический институт энергетического машиностроения (72) А; В. Сударев, И. К. Шитов и 6. О. Ира(56) Авторское свидетельство СССР . % 530209, кл. 601 L 9/08, 1975, Авторское свидетельство СССР

М 667838, кл, 6 01 1 9/08; 1979. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как составная часть информационно-измерительной системы с частотной формой пред/

„„5Q„„1749734 А1 ставления сигнала. Цель изобретения — повышение точности измерения максимальной величины давлейия. В корпусе 1 с двумя подводящими штуцерами установлены два упругих силопередающих элемента, выполненных в виде трубок 2, установленных соосно с одним концом закрепленных .на штуцере, а другим — на цейтральном жестком элементе, выполненном в виде кольца

3. Один конец каждого пьезорезонатора 4 и

5 закреплен на корйусе 1, а другой — на кольце 3. Рабочие оси пьезорезонаторов повернуты относительно. оси трубок на 450.

Под действием разности давлений кольцо 3 деформирует пьезорезонаторы 4 и 5, При деформации пьезоэлементов изменяются их упругие константы и соответственно из-, меняются частоты генерации акустоэлектронных преобразователей 8 и 7. 2 ил.

1749734

Изобретение относится к измерению Эта цель достигается тем, что в диффедавлений жидких и газообразных сред и мо- ренциальном датчике давления с частотным жет быть йспользовано как составная часть выходом, содержащем корпус с двумя подинформационно-измерительной системы c: :водящими штуцерзми, два упругих силопечастотной формой представления сигнала. 5 редающих элемента и две пары

8 современных газотурбинных двигате- пьезорезонаторов, расположенные по взалях(ГТД)требуетсяизмерятьперепадыдэв- имно перпендйкулярных плоскостях, при лений в диапазоне амплитуд 0,01-10 Па и этомкаждый изпьезореэонаторовпервымкончастот 0-15 кГц. цом закреплен на центральном жестком

Однако, несмотря нз.высокую чувстви- 10 элементе, упругие силопередающие элетельность и широкий амплитудно-частот- менты выполнены в виде трубок, установный диапазон, пьезоэлектрические датчики ленных соосйо и одним концом с аналоговым выходом не обеспечибают из- закрепленных на штуцере, а другим — на мерения статических и медленно изменяю- центральном жестком элементе, выполненщихся во времени давлений. 15 ном в виде кольца, при этом второй конец

Этот недостаток устранен в пьезоэлек- каждого йьезорезонатора закреплен на кортрических датчиках, работающих на прин- пусе, а их рабочие оси повернуты относиципеакустоэлектронногорезонанса.. тельно оси трубок на угол 45О, причем

Наиболее близким по технической сущ- жесткость каждого пьезорезонэтора и жесности является датчик давления с частот- 20 ткость трубки выбираются из соотношения ным выходом, содержащий корпус, в С <01C„„ котором во взаимно перпендикулярных где С>-жесткость пьезореэонатора; плоскостях закреплены упругие силопере- C> — жесткость трубки. дающие элементы, состоящие из мембраны В отличие от известного датчика жести шаровых опор, и чувствительный элемент 25 кости силопередзющих элементов и жестков виде кольца с расположеййймй"бнутри сти пьезорезонаторов включены негодвумя парами пьезорезонаторов. Коль- параллельно относйтельно корпуса и центцо поджато с помощью мембраны и шаро- рзльного узла, а не последовательно. При вых опар. Пьезорезонэторы рвСМложены параллельном включении жесткости отдельво взаимно перпендикулярных плоскостяхи 30 ных элементов суммируются, в то время как включены rio дифференциальной схеме. при последовательном включении результи Датчик имеет; выСокую чувстВйгель- рующая жесткость меньше жесткости самоность и стабильность, а налйчие частотно- го податливого элемента. Увеличение модулированного сигнала упрощает его результирующей жесткости датчика привосогласование с информационно-измери- 35 дит к повышению собственной частоты и тельной системой.. ; соответственно к повышению точности изОднако йоследовательноа Соединение мерения давления. силопередэющего и чувствительйого эле- Известен упругий силопередзющий ментов, а также наличие мембраны и шаро- элемент, выполненный в форме прямоугольвых опор сужает амплитудно-частотный 40 ной трубчатой пружины, имеющей глухое диапазон датчика, что приводит к погреш- отверстие и предназначенной для полученостям при измерении кэк постоянных, тэк ния изгибающего момента, действующего и переменных во времени давлений. на чувствительный элемент.

Известно, что высокая частота собст- В предлагаемомдзтчикетрубчатая прувенных колебаний может быть получена 46 жина снабжена упругим кольцом, которое только в том случае, когда между прижаты- установлено в рассечке по центру пружины. ми одна к другой. поверхностями отсутству- При этом измеряемое давление приложено ет воздушная прослойка, что достигается непосредственно к упругому кольцу, котодовольно сильным поджатием мембраны; рое создает напряженно-деформированное

Основным недостатком предвЭритель- 50 состояние одновременно в пьезоэлементах

; но напряженных мембран является нели- итрубчатой пружине. нейность, сн рэничивзющэя динамический 6 данном случае помимо известных диэпэзон измерения давления и делающая свойств, присущих рассматриваемым придатчик низкочастотным, что не позволяет знакам, имеет место создание и совокуписпользовэть известный датчик давления в SS ность таких условий, которые приводят к системе эвтоматического регулирования возникновению g этих признаков новых

ГТД. свойств.

Цель изобретения - повйаение точно- Твк, при выборе жесткости С трубчатой сти измерения максимальной величины дав- пружины Сз 0,1с1, где C> — жесткость, ления.

1749734

10

25

35 появится сигнал удвоенной частоты девиации, который пропорцйонален перепаду давления ЬР

50 пьеэопластин, ее влиянием на собственную частоту датчика практически можно пренебречь. При этом полезная часть от полной силы F составляет

Fi 1 — 0,95

1+—

2С> где Fi — сила, приложенная к пьезореэонаторам;

C1 — жесткость пьезопластины; С2 — жесткость трубчатой пружины.

Поскольку отношение C2/2 Ci сохраняет постоянную величину во всем диапазоне измеряемого давления, линейность датчика определяется линейностью деформации .1 пьезопластин, которая сохраняется в пределах прочности кристалла.

При этом давление измеряемой среды оказывается приложенным не к трубчатой пружине, а к упругому кольцу. Благодаря параллельному соединению жесткостей трубчатой пружины и пьезопластин роль упругого элемента выполняют непосредственно пьеэопластины, в то время как трубчатая пружина играет теперь роль демпфера собственных колебаний датчика, На фиг. 1 показан предлагаемый датчик, разрез; на фиг. 2 — блок-схема датчика, Датчик (фиг. 1) содержит корпус 1, линейно-деформируемую трубчатую пружину

2, в рассечке пружины по центруустановлено упругое кольцо 3, Между корпусом 1 и кольцом 3 жестко закреплены (например, с помощью эпоксидного компаунда) пьезокварцевые элементы 4 и 5, установленные во взаимно перпендикулярных плоскостях. (Для обеспечения дифференциальной балансной схемы измерения им придана конструктивная симметрия путем поворота на . угол 45 относительно оси трубчатой пружины), При любом другом угле поворота пластин их конструктивная симметрия будет нарушена. Вдоль продольной оси пьезоэлементов установлены акустоэлектронные преобразователи, состоящие из передающих 6 и приемных 7 встроечно-штыреаых преобразователей.

Встроечно-штыревые преобразователи

6 и 7 (фиг. 2} соединены через усилитель 8 и образуют с ним генератор поверхностных акустических волн. Входы генераторов, установленных на пьезоэлементах 4, подключены к смесителю 9, а на пьезоэлементах 5 — к смесителю 10. Выходы смесителей 9 и 10 подключены к входам сумматора 11 часто- 5 ты.

Для достижения максимально высокой добротности и стабильности пьезоэлементов во времени они установлены в герметичном корпусе, внутренняя полость которого вакуумирована.

Датчик давления работает следующим образом.

Акустоэлектронные преобразователи 6 и 7 работают в автогенераторном режиме.

При этом поверхностные акустические волны распространяются от передающего 6 к приемному 7 преобразователю вдоль оси пьезоэлемента. При отсутствии перепада давления на дифференциальном входе датчика частоты колебания генераторов на пьезоэлементах 4и 5 равны и девиация частоты на выходе сумматора 11 отсутствует.

При действии перепада давления

bP=Pi — Р2 к упругому кольцу приложено избыточное давление, которое деформирует пьезоэлементы 4 и 5, При деформации nbeзоэлементов изменяются их упругие константы и соответственно уменьшаются частоты генерации акустоэлектронных преобразователей.

При давлении Р >Р2 пьезоэлементы 4 растягиваются, а пьезоэлементы 5 сжимаются усилием, создаваемым в них давлением упругого кольца 3. Наоборот, при давлении Pz>P i пьезоэлементы 4 будут сжиматься, а пьезоэлементы 5 — растягиваться.

В результате под действием переменного давления резонансные частоты акустоэлектронных преобразователей на элементах 4 и 5 изменяется в силу симметрии конструкции одинаково, но с противоположными знаками девиации. На выходе сумматора 11

Взаимное влияние акустоэлектронных генераторов исключено благодаря наличию воздушного промежутка в центре упругого кольца. Влияние температуры, вибраций, магнитных полей и других внешних воздействий на датчик сведено к минимуму а силу симметрии конструкции и включения автогенераторов по дифференциальной балансной схеме.

При измерении давлений в широком диапазоне температур упругое кольцо 3 может быть выполнено из термоупругого материала, например сапфира, Предлагаемый датчик обладает более высокой чувствительностью и разрешающей способностью к измеряемому давлению за счет увеличения длины пьезоэлементов(в тех же габаритах датчика) и соответственно максимально возможного увеличения базы между передающим 6 и приемным 1 преобразователями, 1749734

При этом жесткость любого элемента в пределах упругой деформации не зависит от величины приложенной нагрузки. Однако изготовление силопередающего элемента с жесткостью Сп, соизмеримой с суммарной 5 жесткостью пьезорезонаторов, может привести к заметной потере чувствительности датчика.

Уменьшение величины полезного сигнала за счет влияния жесткостью С силопе- 10 редающего элемента можно определить по формуле

fg и Ср 15 где fz — сигнал датчика при Сп=О.

Даже если принять, что при изменении измеряемого давления от нуля до верхнего

- предела отношение жесткостей не будет сохранять постоянную величину, то в соответ- 20 ствии с требованиями ГОС Г нелинейность выходного сигнала по частоте не должна быть более 4 Д.

С учетом этого требования отношение.

KC /NCp в формуле составит 0,04. Отсю- 25 да Сп «0,1Ср. При этом условии максимально возможная нелинейность выходного сигнала за счет йзменения отношения жесткостей Cp jCp не выйдет за пределы 4Я, Чувствительность акустоэлектронного преобразователя прямо пропорциональна расстоянию между его электродами. Следовательно, линейность датчика давлений может быть увеличена в сторону малых З5 амплитуд- за счет увеличения длины пьезоэлемента, а в сторону больших амплитуд— увеличением их жесткости.

Динамический диапазон датчика определяется максимальной деформацией, выдерживаемой кристаллом, и минимальной деформацией, которая вызывает надежно измеряемую девиацию частоты. С учетом стабильности акустозлектронного преобразователя (10 в) и максимально допустимой деформации пьезоэлемента(10 ) динамический диапазон датчика составляет Д = 10, что позволяет перекрыть весь диапазон давлений в ГТД, Формула изобретения

Дифференциальный датчик давления с частотным выходом, содержащий корпус с двумя подводящими штуцерами, два упругих силопередающих элемента и две пары пьезорезонаторов, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом каждый из пьезорезонаторов первым концом закреплен на центральном жестком элементе, о гл ича ю щи йс ятем, что, с целью повышения точности измерения мак- . симальной величины давления, в нем упру- . гие силопередающие элементы выполнены в виде трубок, установленных соосно с одним концом закрепленных на штуцере, а другим- на центральном жестком элементе, выйолненном в виде кольца, при этом второй конец каждого пьезорезонатора закреплен на корпусе, а их рабочие оси повернуты относительно оси трубок на угол

45О, причем жесткость каждого пьезорезонатора и жесткость трубки выбираются из соотношения

Сп «0,1Cò, где .Сп — жесткость пьеворезонатара; Ст— жесткость трубки.

1749734

6 8

Фо. 2

Составитель Г;Лебедева

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор H.Êîðoëü

Редактор Н.Козориз

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Заказ 2588 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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