Датчик давления и разности давлений

 

С А Нйй

Союз Советских

Социалистических

Республик

СПИ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<" 699376

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свкд-ву (22) Заявлено13.10.77 (21) 2533021/18-10 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Опубликовано 25.11.79. Бюллетень Лв 43 (51)М. Кл

C 01 1. 11iOO а 01), 15100

Гооудоротвонный коинтет

СССР ио делом изобретений н открытий (53) УДК 531.78 (088.8 ) Дата опубликования описания 28, 13.79 (72) Автор изобретения

Е. А. Карцев (71) Заявитель

Московский институт электронного машиностроения (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЙ И, РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Изобретение относится к области изме- . рительной техники. Предлагаемый датчик позволяет с высокой точностью одновременно производить измерения двух давлений и разности этих давлений. При этом выходная информация получается в виде

5 частотно-модулированных сигналов.

Известны датчики давлений с частотным выходным сигналом (1).

Недостатками известного датчика яв10 ляются отсутствие возможности выдачи информации одновременно о двух измеряемых давлениях и о их разности и сложность технологии его изготовления.

Указанные недостатки обусловлены на15 личием двух мембран, центры которых жестко связаны стержнем.

Кроме того, выходная характеристика преобразователя весьма существенно отливается от линейной.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изоб« ретению является преобразователь для иэ мерения давлений и разности давлений(21, содержащий корпус, две мембраны, распо ложенные в одной плоскости, на каждой из которых закреплена стойка, смещенны относительно центра мембран, два кронштейна, и струнные преобразователи пере мещения концов стоек в частоту. Датчик выдает одновременную информацию о величинах двух измеряемых давлений и о разности между этими давлениями. К недостаткам этого датчика следует отнести нелинейную функциональную зависимос между измеряемыми давлениями и приращениями частот колебаний струн, что в ряде случаев затрудняет практическое ис пользование датчика, а также изменение частот колебаний струн при изменении mi пературы окружающей среды.

Целью изобретения является линеаризация выходной характеристики датчика по измеряемым давлениям и повышение его температурной стабильности.

Указанная цель достигается тем, что в датчике давлений и разности давлений, содержащем корпус, в котором выполне3 69937 ны расположенные в одной .плоскости две идентичные мембраны с закрепленными на них стойками, между которыми закреплена струна струнного преобразователя перемещений мембран в частоту, и кронштейны, установленные на торцовой части корпуса, стойки выполнены Г-образной формы, а четыре кронштейна установлены по два с каждой стороны от оси, соединяющей центры мембран, причем конец каж- 10 дой Г-образной стойки размещен между двумя кронштейнами, и между каждой из

Г-образных стоек и парой неподвижных кронштейнов закреплены струны струнного дифференциального преобразователя пере- 15 мещений конца Г-образной стойки в частоту.

На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемого датчика; на фиг. 2то же, вид сверху; на фиг. 3 — сечение датчика по местам крепления Г-образных стоек.

В корпусе 1 датчика (фиг. 1) выполнены две цилиндрические расточки, торцо25 вые части которых образуют тонкие круглые мембраны 2 и 3. Измеряемые давления Р1 и Р подаются в полость расто»

2 чек через штуцеры 4 и 5, приваренные к корпусу 1 или установленные в нем на резьбе.

Стойки 6 и 7 (фиг. 2) жестко закреплены на мембранах 2 и 3 перпендикулярно их поверхности с некоторым одинаковым смещением относительно центров мембран 2 и 3. Широкие стороны стоек 6 и

7 расположены перпендикулярно оси, соединяющей центры мембран 2 и 3.

Стойки 6 и 7 имеют Г-образную форму в сечении, перпендикулярном оси, соеди40 няющей центры мембран 2 и 3 (фиг. 3).

На торцовой части корпуса 1 установлено четыре неподвижных кронштейна 8, 9, 10 и 11> по два с каждой стороны от оси, соединяющей центры мембраны 2

45 и 3 (фиг. 2). Между Г-образной стойкой

6 и парой неподвижных кронштейнов 8 и 9 натянуты струны 12 и 13 дифференциального струнного преобразователя перемещений конца Г-юбразной стойки 6 в

50 частоту. Для возбуждения незатухающих автоколебаний струн 12 и 13 последние помещены в воздушный зазор сильных постоянных магнитов 14 и 15. Аналогично между Г-образной стойкой 7 и парой неподвижных кронштейнов 10 и 11 натянуты струны 16 и 17 второго дифференциального преобразователя перемещений конца стойки 7. Струны 16 и 17 помещены

6 4 в поле постоянных магнитов 18 и 19.

Между стойками 6 и 7 натянута струна

20, помещенная в поле постоянного магнита 21.

Датчик работает следующим образом.

Информация об измеряемом давлении

Р снимается с первого дифференциального преобразователя (струны 12 и 13) в виде разности или отношения частот струн

12 и 13.

Положим, что при Р1 -» 0 начальные частоты струн 12 и 13 равны между со- бой. Они определяются выражением (3) о о1 о2 26 Ч Sy

Гдв 1 — НОМЕР ГарМОНИКИ, На КОтсрОй происходят возбуждение автоколебаний струн 12 и 13, в рассматриваемом случае Tl = 1;

6 — длина струны 12 или 13; сила начального натяжения о струн 12 (13);

5 — плошадь поперечного сечения струны 12 (13); р - плотность материала струны

12 (13).

При подаче в левый штуцер 4 избыточного давления Р4 ) 0 мембрана 2 прогнется и стойка 6 изменит свое угловое положение таким образом, что натяжение струны 12 увеличится, а струны 13соответственно уменьшится. При этом частоты струн 12, 13 будут равны

"оК 1 K P1 (2) 126 РS Чо Н Г о ) -КР1 КР1

2- 26 $> о Fo где — текущее значение частоты стру1 ны 12 дифференциального преобразователя;

- текущее значение частоты вто2 рой струны 13 дифференциального преобразователя;

К вЂ” коэффициент пропорциональности, обусловленный геометрическими размерами мембраны 2, стойки 6 и свойствами материала мембраны 2;

Р1 — величина измеряемого давления.

69937 6

Разность частот струн 12 и 13 определяется вычитанием уравнения (3) из уравнения (2) д =у = (+ — — 4 - — (+)

Kp4 Kp<

1 2 о то Ро 5

Разложив в степенной ряд иррациональ-. ные члены выражения (4) и ограничившись второй степенью разложения, получим: () 10

Из выражения (5) следует, что разносп-: частот струн 12 и 13 линейно связана с измеряемым давлением Р„.

Пренебрежение членами разложения со степенями более 2 для реальных парамет15 ров преобразователя дает погрешность не

Ganee 0,05%. Поэтому с такой точностью соблюдается линейная зависимость между разностью частот струн 12 и 13 и измеряемым давлением Р1

Все вышесказанное справедливо и для второго дифференциального преобразователя.

В этом случае разность частот струн

16 и 17 пропорциональна измеряемому давлению Р2 о

30 где 1 — текущее значение частоты стру3 ны 16 (фиг. 2);

- текущее значение частоты стру4 ны 17 (фиг. 3).

Очевидно, что при P -- Р ф 0 угловые смешения стоек 6 и 7 будут одинBKGBbI» ми и изменения частоты колебаний струны 20 не произойдет. Во всех остальных случаях, когда дР = Р— Р„ф О, информация 40 о разности давлений определяется прирашением частоты поперечных колебаний струны 20.

Информация о величинах давлений Р4 и Р может быть получена не только в 45

2 виде разности частот струн 12, 13 и 16, 17, но и в виде отношения частот струн

12, 13 и 16, 17 струнного дифференциального преобразователя. Современные стандартные электронно-счетные частото- 50 меры имеют возможность измерять отношения частот струн. Можно показать, что при определенных начальных частотах струн 12, 13 и 16, 17 функция преобразования датчика будет иметь вид

У, 1 1" 9 VnqK4P) ) з,„

С Я 1 2 (B;I показания на табло цифрового электронном=четного частотоме ра, работающего в режиме отношения частот; измеряемые давления; текушие. значения частот струн первого дифференциальногоо преобразователя перемешений в частоту; текущие значения частот струн второго дифференциального преобразователя перемещений в частоту; коэффициент деления частоты Х или f <, ус тановленный на переключателе электронно-счетного частотомера," коэффициентпропорциональности, обусловленный значениями параметров датчика. где М„и Я

Р1 и

1 и з

Рассмотренная конструкция датчика давлений и разности давления дает возможность получать выходную информацию в виде частотно-модулированного электри,ческого сигнала, частота которого линейно связана с измеряемыми давлениями. Это обстоятельство делает датчик более универсальным и позволяет использовать его не только в системах АСУТП, но и в обычных измерительных устройствах, работающих в лабораторных и цеховых условиях в комплекте со стандартными электронно-счетными частотомерами. При этом соответствуюшим подббром параметров струн 12, 13 и 16, 17, 20 можно обеспечить на табло отсчет измеряемого давления непосредственно в натуральных единицах (Па; ""C мм рт.ст. ). см

Изменения температуры окружаюшей среды приводят к значительно меньшим попогрешностям изме рения. Это обусловлено, тем, что в струнном дифференциальном преобразователе B значительной степени компенсируются температурные погрешности его обеих половин и его суммарная температурная погрешность при измерении давлений примерно на порядок меньше темI пературной погрешности прототипа.

) i4 ф 1 ф

7 699376 8

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я щей центры мембран причем конец каждой

Г-образной стойки размещен между двумя датчик давлений и разности давлений, кронштейнами, и между каждой из Г-обсодержащий корпус, B котором выполнены разных стоек и парой кронштейнов зекренразложенные в одной плоскости две иден-. 5 лены струны дифференциального преобратичные мембраны с закрепленными на них зователя перемещений конца Г-образной стойками, между которыми закреплена стойки в частоту. струна струнного преобразователя перемещений мембран в частоту, и кронштейны, принятые во внимание при эк ерти установленные на торцовой части корпуса, 10 отличающийся тем, что, с це- 1. Вибрационно-частотные преобразолью линеаризации выходной характеристи- ватели. НИКИМП. Сборник научно-техники датчика по измеряемым давления и по- ческих статей. Под ред. Эткиня Л. Г. вышения его температурной стабильности, Ч. 1, М., 1970, с. 134. в нем стойки выполнены Г-образной фор- 2. Авторское свидетельство СССР мы, а четыре кронштейна установлены по hh 600405, кл. G 01 L 11/00, 1976 два с каждой стороны от оси, соединяю- (прототип).

21

Р1

Фиг.1

A.A В Ейо3еркутв

f/ /Я Н

ЦНИИПИ Зека:з 7207/45 Тираж 1073 Подписи е

Филиал ИПП "Патент", г. Ужгород, yzf. Проектная, 4