Датчик давления с частотным выходом

 

„у ";у.,:; „-;;:. Хйи,. ."КЛЯ (,п. ;:тена МБА

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

< >746219

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВ ТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 030778 (21) 2640640/18-10 с присоединением заявки Но (23) Приоритет

Опубликовано 07.0780. Бюллетень Йо 25

Дата опубликования опиСания 070780 (51)М, Кл.2

G 01 L 11/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 531. 787. .91(088.8) (72) Авторы и з обретен и я

И.А. Горенштейн и В.Г.Кравцов (73) Заявитель (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, и может найти применение в приборах для измерения давления.

Известны частотные датчики давле- 5 ний с резонаторами в виде плоских упругих-пластин круглой формы, разделяющих внутренний объем, датчика.. на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиеся с контролируе- 10 мой газообразной средой. Эти пневмокамеры имеют вид щелевых зазоров между поверхностями резонатора и обращенными к ним поверхностями корпусных деталей датчика, причем величи- 15 на указанных зазоров выбирается таким образом, что постоянные времени пневмокамер превышают полупериод колебаний резонатора. С целью обеспечения динамической сбалансирован- 20 ности колебательной системы датчика, а следовательно, и его высокой добротности, в резонаторе возбуждается низшая форма веерных иэгибных колебаний (т.е. форма колебаний, ха- 25 рактеризующаяся наличием двух узловых диаметров при отсутствии узловых окружностей) (1) .

В этом датчике пучности колебаний заполняют площадь круга резонатора 3() 2 полностью, что не позволяет уменьшить

его габариты.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик, резонатор которого, представляющий собой плоскую упругую пластину, разграничивает его внутренний объем на две зеркально-симметричные пневмокамеры, сообщающиеся с контролируемой средой. Пневмокамеры выполнены в виде щелевых. зазоров между поверхностями пластины-резонатора и обращенными к резонатору плоскими поверхностями корпусных деталей датчика. Величина зазоров, играющих роль пневмокамер, выбирается столь малой, что постоянные времени этих пневмокамер превышают полупериод колебаний резонатора. По обе стороны от резонатора симметрично расположены электроды емкостных систем возбуждения и съема его колебаний. Как контуры всей пластины-резонатора в целом, так и все совпадающие участки контуров, ограничивающих свобОдную и жестко закрепленную области пластины-резонатора, имеют общую ось поворотной симметрии порядка 2 и (где и — число узловых диаметров) и 2 п проходящих через зту ось, общих плоскостей симметрии. Электроды емкост746219 йых систем воэбуЖдения и съема колебаний резонатора имеют вид секторов, расположенных по обе стороны упругой пластины, по 2п электродов с каждой стороны, и характеризуются теми же элементами симметрии (2) .

Недостаток датчика заключается в том, что уменьшение габаритных раз1 меров ограничено необходимостью размещения пучностей таким образом, чтобы они имели общую ось поворотной симметрии порядка 2п.

Цель изобретения — в уменьшении габаритов датчика.

Эта цель достигается тем, что резонатор выполнен в форме прямоугольника, закрепленного на двух парах опор, каждая из которых выполнена в виде упругих трубок, расположенных по разные стороны резонатора.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого датчика, общий вид; на фиг. 2 — промежуточная сборка узла чувствительного элемента; на фиг. 3 — низшая форма возбуждаемых в резонаторе изгибных колебаний; на фиг. 4 — принципиальная электрическая схема датчика.

Датчик собран в герметичном корпусе, образованном отрезком цилиндрической трубки 1, на конце которой располагается стеклянный изолятор 2 с гермовводами 3. Другой конец трубки 1 герметичного корпуса датчика с помощью вакуумплотного (сварка, пайка) сочленения 4 соединяется со штуцером 5, служащим для подвода к датчику газообразной контролируемой среды. Внутри корпуса 1 размещается узел чувствительного элемента, собранный в кожухе 6 (см.фиг.2). Помимо кожуха 6 с технологическими окнами

7 узел чувствительного элемента. включает в себя два газонепроницаемых экрана 8, изготовленнйх из диэлектрика с высокими механическими свойствами (например, из керамики

22 XC), резонатор 9, представляющий собой упругую плоскую пластинку прямоугольной формы с отношением корот= ной стороны к длинной не более, чем

1:4, и четыре роликовые опоры 10, выполненные в виде тонкостенных уп ругих трубок.

Газомепроницаемые экраны 8 имеют в сечении вид кругового сегмента.

На обращенные к резонатору плоские поверхности экранов 8 нанесены тонкопленочные электроды 11-16 (си. фиг.4) электростатических систем возбуждения и съема колебаний резонатора 9.

На расстояниях, составляющих 0,225+

Т0,05 длины резонатора, на экранах

8 имеются пазы 17 треугольного сечения.

На полукруглой цилиндрической поверхности экранов 8;прорезаются продольные канавки 18, служащие для прокладки проводов, с помощью кото-, рых электроды 11-16 включаются в электрическую схему датчика.

При сборке узла чувствительного элемента экраны 8 с расположенными между ними резонатором 9 вставляются внутрь кожуха 6, после чего через технологические окна 7 между экранами 8 и резонатором 9 устанавливаются упругие роликовые опоры 10, размещаемые в треугольных пазах.

Деформируясь (см. фиг. 1) роликовые опоры зажимают резонатор 9, обеспечивая таким образом упругое крепление его по узловым линиям избранной формы колебаний (см. фиг. 2).

Электрическая схема датчика I5 (фиг. 4) включает: в себя электроды

11-13 системы возбуждения колебаний резонатора 9, электроды 14-16 системы съема колебаний, высокоомные со-, противления 19, источники смещения 20, 2О разделительные конденсаторы 21 и широкополосный усилитель 22 системы самовозбуждения.

Электроды 11-13 системы возбуждения,и электроды 14-16 системы съема через высокоомные сопротивления 19 подключаются к источникам постоянного смещения 20, а через разделительные конденсаторы 21 — к выходу и входу соответственно широкополосного усилителя 22 системы самовозбуждения. Величина сопротивлений 19 выбирается таким образом, чтобы постоянная времени

ЯС-цепочки, включающей одно из сопротивлений 19 и емкость, образован-. ную группой из трех параллельно под35 ключенных к этому сопротивлению электродов 11-13 (либо 14-16) и резонатором 9, была значительно больше полупериода колебаний резонатора. Назначение разделительных конденсаторов

4() 21 состоит в предохранении усилителя

22 от попадания на его вход и выход относительно высоких постоянных напряжений от источников постоянного смещения 20.

4$

Совместно с системой самовозбуждения резонатор образует электромеханическую автоколебательную систему, частота которой близка к собственной частоте избранной формы (см. фиг. 3) изгибных колебаний резо"О натора. Система возбуждения колебаний резонатора образована тремя электродами 11-13, два из которых (11 и

13) обращены к одной и той же стороне резонатора 9 и расположены против

55 его концевых участков, ограниченных роликовыми опорами 10, а третий (12) обращен к противоположной стороне резонатора и расположен против его среднего участка (между роликовыми щ опорами 10). При подаче на электроды

11-13 переменного электрического напряжения с выхода усилителя 22 системы самовозбуждения они создают перпендикулярную плоскости резонатора распределенную возбуждающую силу, 746219

30 формула изобретения направление которой изменяется на об ратное при переходе через .каждую из узловых линий (которые совпадают с линиями касания резонатора 9 и роликовыми опорами 10), а также при изменении полярности питающего напряжения. укаэанная сила вызывает раскачку избранной формЫ изгибных колебаний резонатора. При этом на других трех электродах — электродах 14-16 съема (образующих конфигурацию, представляющую собой зеркальное отражение конфигурации, в которую входят электроды 11-13) — возникает электрический сигнал, частота которого равна, а ° амплитуда пропорциональна соответственно частоте и амплитуде механических колебаний резонатора 9. Этот сигнал через разделительную емкость поступает на вход усилителя системы самовозбуждения 22. С выхода этого усилителя усиленный сигнал через 20 другую разделительную емкость 21 вновь подается на группу из трех возбуждающих электродов 11-13, обеспечивая тем самым незатухающие колебания резонатора. Частота этих коле- .25 баний будет"близка к собственной частоте f избранной формы изгибных колебаний рЕзонатора, которая определяется формулой где Š— модуль упругости мате- риала резонатора;

h — толщина резонатора;

Я вЂ” массовая плотность материала резонатора;

L — длина резонатора; а — величина зазора между резонатором и газонепроницаемыми экранами;

Р— измеряемое давление;

Kp;K — безразмерные числовые коэффициенты, зависящие от коэффициента Пуассона.

Как следует из приведенной формулы квадрат частоты f выходного сиг-! нала датчика линейно зависит от измеряемого давления P. Это объясняется тем, что эквивалентная жесткость упругой системы датчика зависит не толь,ко от параметров самого резонатора, но и от упругости газа, находящегося в щелевьп зазорах между поверхностями резонатора и обращенными к ним поверхностями газонепроницаемых экранов.

При условии, что постоянная времени процесса изменения массы газа в щелевых зазорах значительно превышает полупериод свободных колебаниЯ резонатора (это достигается выбором достаточно малой величины зазора), газ в этих зазорах ведет себя так, как будто они герметизированы по контурам пучностей. Пои этом влияние упругости газа в щелевых зазорах на эквивалентную жесткость упругой системы датчика оказывается пропорциональным давлению P этого газа, что и обусловливает линейную зависимость квадрата частоты колебаний резонатора от измеряемого давления, Линейное расположение пучностей, достигаемое при выполнении резонатора в виде прямоугольной пластины с отношением короткой стороны к длинной не более, чем 1:4, позволяет существенно снизить габаритные размеры датчика.

Датчик давления с частотным выходом, содержащий плоский резонатор и системы съема и возбуждения колебаний, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габарита, резонатор в нем выполнен в форме прямоугольника, закрепленного на двух парах опор, выполненных в виде упругих трубок.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2407562/18-10, кл. G 01 L 11/00, 20.10.76.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2430018,кл.G 01 L 11/00, 31.12.76 (прототип).

746219

Составитель Л.Кочураев

Редактор Н.Шильникова Техред Q. Андрейко Корректор С.Шекмар

Заказ 4096/14 Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4