Устройство для измерения давления
Использование: в технике измерения давления пьезорезонансными датчиками, преимущественно без демонтажа датчика с объекта. Цель - повышение чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений во всем диапазоне. Сущность изобретения: устройство содержит штуцер для подачи измеряемого давления , мембрану с жестким центром, корпус и основание, образующие термокамеру, преобразователь усилия в частоту в виде двух держателей с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами, один из которых расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны , и дифференциальную схему измерения. Отличием устройства является выполнение второго держателя в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием , подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны , а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса. Положительный эффект: повышение чувствительности и точности измерений, защита от перегрузок. 3 ил. (Л с
СОЮЗ ГОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕГКИХ
РЕСПУВЛИК (Я)5 G 01 (9/08
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Ъу
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
В (21) 4847794/10 (22) 09.07.90 (46) 30.11,92, Бюл. N. 44 (71) Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт роботехники и технической кибернетики (72) Л.В.Малейко и АЛ.Малейко (56) Авторское свидетельство СССР
N 1065702, кл. G 01 1 9/08, 1982.
Малов В,В. Пьезорезонансные датчики.
М., 1989, с.149. рис.5.11. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: в технике измерения давления пьезорезонансными датчиками, преимущественно без демонтажа датчика с объекта. Цель — повышение чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений во всем диапазоне, Сущность изобретения; устройство содержит штуцер для подачи измеряемого давлеИзобретение относится к технике измерения неэлектрических величин, в частности к пьезоэлектрическим датчикам давления.
Известны пьезоэлектрические датчики давления, в которых воспринимаемое мембраной давление передается кварцевым пластинам и регистрируется электрический заряд на их рабочих гранях (см. например, Агейкин Д.И, Датчики контроля и регулирования, М„Машиностроение, 1965, с.618621).
Известны также измерители давления, содержащие два пьезорезонансных преобразователя, один из которых реагирует на давление и температуру, а другой служит только для компенсации температурного
БЫ«1778572 А1 ния, мембрану с жестким центром, корпус и основание, образующие гермокамеру, преобразователь усилия в частоту в виде двух держателей с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами, один из которых расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны, и дифференциальную схему измерения.
Отличием устройства является выполнение второго держателя в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием. подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса. Положительный эффект; повышение чувствительности и точности измерений, защита от перегрузок. 3 ил. влияния, для чего оба преобразователя включены в дифференциальную измерительную схему (см.например, Заявка Великобритании, N 2089998, кл, G 01 L 9/08, 1982).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство измерения давления, описанное в статье "Пьезорезонансные датчики давления", авт. Л.В,Малейко, В.В.Малов и др..
ПСУ, 1984, N . 9, с.19-21 (прототип), это устройство описано также в книге: В.В.Малов
Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиздат, 1989. с.149, рис.5,11.
Указанное устройство представляет собой датчик давления, содержащий ш1уцер для подачи измеряемого давления. мембра1778572
15
40
50
55 ну с жестким центром, корпус и основание, образующие гермокамеру, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезорезонаторами, подключенными к дифференциальной схеме измерения, и один из пьезореэонаторов расположен на оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны и воспринимает усилие от давления через жесткий центр мембраны, при этом держатель, в котором закреплен этот пьезореэонатор, выполнен с утоньшением в средней его части, а во втором держателе, выполненном в виде жесткой балки, консольно укреплен второй пьезорезонатор, выполняющий функции опорного, ненагруженного пьезорезонатора, применение которого позволяет при дифференциальном включении обоих пьезорезонаторов в схему измерения снизить температурную погрешность и уменьшить влияние временного старения рабочего(нагруженного) пьезорезонатора на показания датчика давления, Недостатками такого технического решения являются. — недостаточная точность измерения, так как со временем возрастает погрешность измерения вследствие разной скорости старения пьезорезонаторов и элементов дифференциальной схемы измерения; — низкая чувствительность на начальном участке характеристики датчика, хотя часто бывает крайне необходимо иметь у датчиков абсол1отного давления повышенную чувствительность измерения в области малых значений давления, Целью изобретения является повышение чувствительности на начальном участке диапазоне и точности измерений во всем диапазоне.
Цель достигается тем, что в устройстве для измерения давления, содержащем штуцер для подачи измеряемого давления, мембрану с жестким центром, гермокамеру, образованную корпусом и основанием, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей, в которых закреплены, соответственно, первый и второй пьезорезонаторы, подключенные к дифференциальной схеме измерения, при этом первый пьеэорезонатор расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости. мембраны, согласно изобретению, второй держатель выполнен в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соеди25
35 нен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, причем второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра, параллельно оси мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого датчика давления, в разрезе; на фиг,2 представлен эскиз конструктивного выполнения второго держателя; на фиг,3 представлена рабочая характеристика предлагаемого датчика давления.
Датчик давления включает в себя: штуцер 1 для подачи измеряемого давления, мембрану 2 с жестким центром 3, корпус 4 и основание 5, образующие гермокамеру, преобразователь усилия в частоту, выполненный в виде двух держателей 6 и 7 с закрепленными в них двумя силочувствительными пьезореэонаторами 8 и 9, один из которых — 8 расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны 2, и дифференциальную схему измерения 10, которая, например, может быть выполнена в виде двух генераторов 11 и 12, к которым подключены соответственно пьезорезонаторы 9 и 8, выходы генераторов 11 и 12 подключены к входам смесителя 13, с выхода которого снимается выходной сигнал f датчика давления. Одновременно имеется возможность снятия при контроле нуля показаний с генератора 12 выходной его частоты fz. Второй держатель 7 выполнен в виде гибкой балки, например, в его средней части имеется утоньшение, позволяющее подвижному концу держателя 7 перемещаться вниз вдоль оси нагружения под действием силы от давления Р, которая передается на держатель 7 через жесткий центр 3. Неподвижный конец держателя 7 жестко соединен с основанием 5.
Подвижный конец держателя 7 верхней стороной соединен с жестким центром 3, а между его нижней стороной и держателем 6 имеется зазор д, Частота резонанса 1 о пьезорезонатора 8 больше частоты резонатора f
Как следует из фиг.1, пьеэорезонатор 9 прикреплен к гибкой балке (держателю 7) со
1778572 стороны жесткого центра 3 параллельно плоскости мембраны 2, Внутренняя полость гермокамеры, образованная мембраной 2, корпусом 4 и основанием 5, вакуумирована путем откачки полости после сборки датчика давления до давления 10 — 10 Па. Пьезорезонаторы 8 и 9 подключаются к входам генератора 11 и
12 через гермовводы 14 со стеклянными или керамическими изоляторами, Датчик давления работает следующим образом.
В исходном состоянии при давлении, равном нулю, мембрана 2 не прогнута, на выходе генератора 11 частотный сигнал равен f10, на выходе генератора 12 — соответственно f2p, а на выходе смесителя 13 выходная частота fp равна:
fo = f2o — 10 (1)
При подаче давления в надмембранную полость мембрана 2 создает под воздействием измеряемого давления Р по своему центру усилие
F= Р Яэфф (2) где $эфф — эффективная площадь мембраны
2.
Жесткий центр 3 мембраны 2 передает усилие F на подвижный конец держателя 7, . перемещая его вниз. при этом пьезорезонатор 9 испытывает деформацию растяжения и частота f1 начинает уменьшаться
f1 = f1p — Af1 = f1p — KF P,,(3)
Лf1 где KF1= Язфф — коэффициент сило \F вой чувствительности пьезорезонатора 9 на участке характеристики 0 <Р< Р1, На выходе смесителя 13 частота f равна:
f = f20 — f1 =(f20 — f1o)+ KF1 Pl
0<Р <Р1 (4)
При этом подвижный конец держателя 7 прогибается под воздействием давления P на величину 3 (см., например, В.В.Малов.
Пьеэорезонансные датчики. Энергоатомиздат, 1989, с.142): ! (4п +3!о ), (5)
2 E b hÇ !12+3 !2 где — расстояние по длине держателя 7 от точки его закрепления в основание 5 до оси нагружения (точки приложения силы F)— см.фиг,2;
I0 — расстояние между пьезорезонатором 9 и центром гибкой перемыЧки держателя 7;
Ь вЂ” ширина пьезореэонатора 9 и балки
7;
h — толщина пьезорезонатора 9;
Š— модуль упругости совместного рамного соединения балки 7 — пьезорезонатора
9, Известно, что чувствительность КР1 пьезорезонатора 9 при описанном консольном закреплении совместно с держателем 7 выше чувствительности пьезорезонатора 8 в
5 30-100 раз, так как пьезорезонатор 8, расположенный по оси нагружения, работает на прямое нагружение, а пьезорезонатор 9 работает на растяжение, определяемое прямым нагружением с изгибом, при этом
10 коэффициент трансформации усилия F для пьезорезонатора 9 равен Ктр
3. !о . Этим и достигается первая
2 Ь2+3 цель изобретения — повышение чувствительности на начальном участке рабочей характеристики в диапазоне давлений 0 < P
< Р1, т.е. в диапазоне перемещения подвижного конца держателя 7 0 < Л < д .
При достижении давлением значения P
= P1 прогиб подвижного конца держателя 7 становится равным J = д и держатель 7 своим подвижным концом упрется в верхний конец держателя 6, а на выходе смесителя 13 выходной сигнал датчика давления становится равным
f = т20 f1K = (120 f10) + KF1 Р (6)
Рабочая характеристика датчика давления достигает точки "А" (см,фиг,3). В дальнейшем, при повышении давления Р датчик начинает работать на втором участке рабочей характеристики
Р1
Частоты на выходе генераторов 11 и 12 в этом диапазоне соответственно равны: — KF1 Р = f1o — К P1 — КР1(Р—
-Р1) (7) а на выходе смесителя 13 частота f равна: т=т2 — т1 = (т20 — 11к)+ KF1 (Р— Р1)+ KF2(P
40 или
f =. (f2o — 1к) + (КР! + KF2)(P — Р1) (8)
Р1
В связи с тем, что чувствительность датчика во втором диапазоне рабочей характеристики определяется суммой коэффициентов силовой чувствительности пьезорезонаторов
8 и 9, где пьезорезонатор 8 имеет такую же чувствительность, как в схеме прототипа, а пьезорезонатор 9 увеличивает общую чувствительность на величину KF1, то общая чувствительность предлагаемого устройства выше, чем у прототипа. Однако чувствительноСть KF1 меньше KF1 на один-два поряд55 ка, поэтому все же вторая часть характеристики в диапазоне Р1< P < «Р2 имеет более пологий характер, чем первая— в диапазоне 0 < Р < Р1, Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения за счет расчета нулевой погрешности
1778572
15 д Р1— (15) измерения после выполнения описываемых ниже операций, Предположим, что вследствие изменения нулевых показаний вследствие различного старения пьезореэонаторов
8 и 9, а также злектрорадиоиэделий генераторов 11 и 12 частоты на выходе последних стали соответственно 110 и 120, а на выходе смесителя 13 действительное (истинное) значение нулевого сигнала равно fo = fzo —
f1o (см. нижнюю пунктирную рабочую характеристику на фиг.3), Тогда общее смеще ние показаний датчика давления в точке P =
Р1 будет определяться погрешностью+ дР1:
+ д Р1= P1 — Р1, (9) где Р1 — истинные показания датчика давления в данный момент времени;
P1 — показания датчика давления при градуировке его до установки на объект измерения.
Так как показания датчика давления Р1 соответствуют точке "В", то погрешность дР1, приведенная к частоте f, равна;
fA — fA о - о " к - к к -;-к
В связи с тем, что коэффициенты силовой чувствительности Кг1 и KF2 пьезорезонаторов 8 и 9 во времени не изменяются (что известно из физических основ их работы и подтверждается практикой), то градуировочная и смещенная рабочие характеристики параллельны друг другу.
Кроме того можно принять, что механические узлы датчика давления стабильны во
/ времени и вследствие этого д = д = const, поэтому точки А и А находятся на одной
1 линии и соответствуют значению Р1, полученному при градуировке (см.фиг.3), Тогда можно принять:
fO fO = (120 т1К) (fZO 11К ) (".") где 11к = 110 — KF1 . Р1;
11к = f1o — K.F1 Р1, . откуда получим очевидное тождество:
f0 f0 = (f20 f10) (20 f10 )! . т,е, выражение (11) справедливо.
Подставляя (11) в (10), получим: р (2 kik kko 11 1
i F1 + Кгг
Таким образом из (12) следует, что, снимая показания частоты fo с выхода смесителя 13 датчика давления в момент, когда P становится равным Р1, можно однозначно определить погрешность нуля датчика давления по формуле (12), где частота fp1 = fzo — 11к соответствует значение частоты датчика при давлении Р1 на момент градуировки его, а fp1 = 120 — 11к соответствует значению выходной частоты датчика в текущий
55 момент времени, когда определяется его погрешность нуля.
В случае же, когда рабочая характеристика сместилась вверх относительно градуировочной характеристики, то новое значение нулевой погрешности становится равным fo", а точка "А" смещается в точку
А", Смещение показаний датчика давления в точке Р = Р1 будет определяться погрешностью - д P1:
- д Р1 = P1" — P1 (13)
Показания датчика давления Р1" соответствуют точке В", поэтому погрешность - д Р1, приведенная к выходному сигналу датчика давления равна — д Р1 = — = fo — (14)
fA — fA,, fo
KF1 KF1 или по аналогии с (12):
Очевидно, что при решении (15) д Р1 получает знак "-", что соответствует истинному знаку погрешности, так же как в (12) погрешность получает знак "+", Таким образом, и при смещении характеристики вверх возможно методом, аналогично описанному выше, определить погрешность нуля датчика давления в момент времени; когда P достигает значения
Р1.
Следует заметить, что всегда (!) fzo(fzo ) =
cons«o on soHe 0 P< Р1, т.е. если частота fz на выходе генератора 12 не изменяется, то это значит, что давление, измеряемое датчиком в данный момент времени, не превышает значения Р1, т.е. P = Р1 при fzo
= const на момент градуировки или 120 =
const в данный момент времени, или можно записать:
f20 = СОПЗт °
0 Р Р1 го = const.
f20 = Чаг, Р Ð1 20 = чаг. (16)
Отсюда, исходЯ из УРавнений (12), (15) и условия (16), авторы предлагают следующий метод градуировки нуля датчика давления:
1) необходимо на время проведения контроля нуля (кратковременно) отключить штуцер датчика давления от объекта измерения и подключить к пневматическому устройству (источнику давления или разряжения);
2) медленно изменять пневматическим устройством давление в надмембранной полости датчика давления, подключив его к штуцеру 1, контролируя частоты f с выхода
1778572 е9970 /ф
lit .
9 f2, При этом, если показания датчика давления перед подключением к штуцеру источника давления P > P1, то необходимо 5 подключить к штуцеру источник разрежения воздуха, например вакуумный агрегат любого типа, если же показания датчика давления P < Р1, то необходимо подключить к штуцеру источник давления (компрессор 10 или баллон со сжатым воздухом — тоже любого типа). В первом случае после включения вакуумного агрегата показания датчика давления и значение частот f2 u f начнут 15 уменьшаться, а во втором — увеличиваться. 3) Изменение давления в надмембранной полости проводить втечение следующего интервала времени: а) при уменьшении давления — от мо- 20 мента f2 = var до момента f2 = const; б) при увеличении давления — от момента f2 = const до момента f2 = var, B момент окончания измерения (достижения условия а) или б)) зафиксировать зна- 25 чение выходной частоты f на выходе смесителя 13 датчика давления; f Fp1 = го — f« 4) Рассчитать значение A f0 = (120 — 11к) — (f2o — 1к ), где значение fP1 = (f20 — f1K) 30 получено при градуировке и берется из паспорта на датчик давления, а fP1 = f20 — f1K получено при проведении операций по описанной методике. 5) При знаке "-" hfo рассчитать погрешность нуля по выражению (15), т.е. д P1 —, (17) а при знаке "+" у Л fo расс итать погрешность нуля по выражению (12), т.е. д Р1 — + (181 +Лf, KF1 + KF2 6. Отключить от штуцера 1 датчика давления пневматическое устройство и подключить штуцер 1 к объекту измерения. 7) Ввести в показания датчика давления корректировку на погрешность нуля, полученную из уравнения (17) или (18). Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее штуцер для подачи измеряемого давЛения, мембрану с жестким центром, гермокамеру, образованную корпусом и основанием, преобразователь усилия в частоту и дифференциальную схему измерения, причем преобразователь усилия в частоту выполнен в виде двух держателей, в которых закреплены соответственно первый и второй пьезорезонаторы, подключенные к дифференциальной схеме измерения, при этом первый пьезорезонэтор расположен по оси нагружения перпендикулярно плоскости мембраны, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности на начальном участке диапазона и точности измерений по всем диапазоне, второй держатель выполнен в виде гибкой балки, неподвижный конец которой соединен с основанием, подвижный конец прикреплен одной стороной к жесткому центру, а между второй его стороной и первым держателем выполнен зазор, причем второй пьезорезонатор прикреплен к гибкой балке со стороны жесткого центра параллельно плоскости мембраны, а пьезорезонаторы выполнены с различными частотами резонанса. 1778572 g Ь j/0,/ Редактор Заказ 4185 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. уп.Гагарина 101 ) А 2 ЬГц и Составитель B.Ìîðîýîâ Техред M,Моргентал Корректор М. Максимишинец
