Датчик абсолютного давления с частотным выходом

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

< >748154

Ъ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 030478 (21) 2598873/18-10 с присоединением заявки М9 (23) Приоритет

Опубликовано 150780. Бюллетень ¹ 28

Дата опубликования описания 150780

G 01 L 11/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 531. 787 (088. 8) (72) Авторы изобретения

И.А.Горенштейн и В.Г.Кравцов (71) Заявитель (54) ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ

ВЫХОДОМ

Вт ак

}с

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно — к частотным датчикам абсолютных давлений с первичными измерительными преобразователями в виде тонкостенных цилиндрических резонаторов. Оно может быть использовано при создании таких датчиков с повышенной крутизной преобразования измеряемого давления в частоту.

Известен датчик абсолютного давления с частотным выходом и с первичным измерительным преобразователем в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, внутрь которого подводится измеряемое давление (1) .

Недостатком датчика является то, что при используемой в нем конструк- 2О тивной схеме невозможно увеличить крутизну осуществляемого им преобразования измеряемого давления в частоту,, не ухудшив одновременно других важных параметров. 25

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является датчик абсолютного давления с частотным выходом, имеющий тонкостенный цилиндрический резонатор, $Q,становленный в защитном силовом корпусе. В герметичной кольцевой камере, ограниченной внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью резонатора, размещаются системы возбуждения колебаний резонатора и съема выходного сигнала.

Измеряемое давление подается внутрь резонатора (2).

Известно, что максимальная крутизна преобразования давления в частоту, осуществляемого такими датчиками, определяется формулой максимальная крутизна осуществляемого датчиком преобразования давления в частоту, Гц/Па; собственная частота иэгибных колебаний резонатора, Гц„ измеряемое давление, Па) безмерный числовой коэффициент,- значение которого лежит в интервале

0 25 6 K с 0„30

74.8154 — радиус тонкостенного участка резонатора, м; толщина тонкостенного участка резонатора,м1 р — массовая плотность мате3. риала резонатора, кг/м

E — модуль упругости материала, резонатора, Па.

В соответствии с формулой (1) известны также пути повышения крутизны преобразования измеряемого давления в частоту, состоящие в том, что либо увеличивают радиус резонатора R либо уменьшают одну из трех величин h, Е или /Ь, либо, наконец, применяют любую комбинацию из этих четырех возможностей.

Однако во всех этих случаях (за исключением уменьшения величины p„ которая практически невариабельна) одновременна с увеличением крутизны уменьшается начальная частота колебаний резонатора (то есть частота его колебаний в вакууме), определяемая формулой

К h2.E (2) я

Р где К вЂ” безразмерный постоянный

Е коэффициент (КЕ = 0,03) .

Это, в свою очередь, приводит к снижению временной стабильности датчика и к ухудшению его динамических характеристик, а также к усложнению электрической схемы.

Цель настоящего изобретения состоит в увеличении крутизны характеристики датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике абсолютного давления с частотным выходом, содержащем первичный измерительный преобразователь в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, систему возбуждения колебаний резонатора и систему съема сигнала, соосно резонатору установлен по меньшей мере один цилиндрический экран на расстоянии, не превышающем 8,„а„ я 3g1, так и где R — радиус резонатора;

К вЂ” безразмерный числовой коэффициент (2 — 6); частота колебаний резонатора в вакууме;

1 †.кинематическая вязкость га за, находящегося в зазоре; с — скорость звука в газе;

2КW п = = — число полных волн, укладыва2 1 0 ющихся по окружности резонатора

При этом резонатор выполнен в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийных участках которого выполнено 2 и сим40 к =рвгк, <о к= <ао

При выполнении условия (3) газ, заполняющий зазор о, в процессе колебаний резонатора вследствие своей вязкости не успевает протекать между смежными пучностями и поэтому каждая пучность колеблется в этом случае так, как будто она герметизирована по узловым линиям. В результате выражения для частоты колебаний резонатора и для крутизны к0 преобразования давления в частоту изменяются соответственно следующим образом 2 2 Р Р Я "oP "PP (5) р)iЕ о phd phS метрично расположенных по окружнос ти отверстий, где

2mk, Сущность изобретения заключает5 ся в -oM что вблизи внутренней пок верхности тонкостенного участка резо натора, контактирующей с контролируемой газообразной средой, размещают с небольшим зазором S неподвижный гаэонепроницаемый цилиндрический экран, причем велйчину зазора между внутренней поверхностью тонкостенного участка резонатора и обращенной к ней внешней поверхностью экрана выбирают столь малой, чтобы постоянная I5 времени процесса выравнивания давлений между пучностями резонатора была равной, либо больше чем полупериод колебаний резонатора в ва-. кууме.В математической форме укаЩ занное условие имеет вид:

К Р

Ь >et = — (3)

8 и с2 21 откуда для величины зазорами получа25 0 (4< Э 9k и с2 (4)

В формулах (3) и (4) помимо обозначений, расшифрованных выше, принято: постоянная времени процесса

Р выравнивания давлений между пучностями резонатора, с; — кинематическая вязкость газообраэной контролируемой среды, м /с; с — скорость звука в газбобразной контролируемой среде, м/с; о — величина зазора между резонатором и экраном,м;

Бд,ак- предельная величина зазора между резонатором и экраном, м, ь1 — полуп риод колебаний резо45 натора в вакууме, с; — безразмерные постоянные ко3 эффициенты, связанные между собой соотношением

748154

% (б) Р ("o "Р 1 йр 1 " г,р),Ь 2, Ьд Ь где 1 — частота колебаний ре(7) 50

60 эонатора при наличии экрана, Гц; 5

)Е

Ь вЂ” крутизна преобразования давления н частоту при наличии экрана, Гц/Па; р — давление контролируемой среды, контактирующей 10 с внутренней поверхностью резонатора, Па; безразмерные постоянные коэффициенты (Ко = 2К (К 0,08+0,10;

Кр 2).

Из формул (5) и (б) видно, что введение экрана, расположенного вблизи внутренней поверхности резонатора с малым зазором, определяемым формулой (4), изменяет саму структуру формул для частоты и крутизны преобразования, осуществляемого резонатором. Именно это обстоятельство и позноляет решить поставленную задачу.

Еще более значительного увеличения крутизны преобразования давления в частоту можно достигнуть, если с таким же зазором разместить экран не только внутри, но и снаружи резонатора, а кольцевые зазоры между поверхностями резонатора и экранов сделать пневматически сообщающимися.

В этом случае формулы для частоты и крутизны преобразования примут 35 нид г ) р Р о ping и (с Р (8) 40 3Р (1 а)1. о ) где "" и 5 „ — частота и крутизна резонатора, размещенного между двух экранов.

Чтобы упростить конструкцию и уменьшить стоимость изготовления резонатора, не снижая при этом его добротности, последний изготавливается в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийных участках которого (на границе между пассивной,то есть закрепляемой, и активной, то есть колеблющейся, зонами) имеется по 2 и симметрично расположенных по окружности отверстий, перемычки между которыми совмещены с узловыми меридианами и образуют упругий поднес акL. тинной зоны резонатора.

На фиг.1 изображен один из возможных вариантов датчика с одним внутренним экраном, общий нид; на фиг.2 — вариант датчика с двумя экранами, общий вид; на фиг.3 — раэ 65 вертка для нарианта датчика с двумя экранами.

В первом варианте датчика (фиг.l) тонкостенный цилиндрический резонатор 1 с утолщенными установочными поясками по краям установлен. в защитном силовом корпусе 2. B герметичной кольцевой камере 3, имеющей вид кольцевого зазора между внутренней поверхностью корпуса 2 и внешней поверхностью резонатора 1, располагается система 4 возбуждения колебаний резонатора и система 5 съема сигнала, Внутри резонатора 1 жестко крепится неподвижный газонепроницаемый экран б, один конец которого закрыт заглушкой 7, а другой штуцером 8, с помощью которого измеряемое давление через отверстия 9 подается в измерительный зазор 10 между внутренней поверхностью тонкостенного участка резонатора 1 и обрашенной к ней внешней поверхностью экрана б. Детали датчика соединены между собой вакуумплотными сочленениями (сварка, пайка) 11 и 12. Be— личина зазора 10 выбирается в соответствии с формулой (4). Датчик работает следующим образом. С вынодон

13 системы 5 съема сигнала последний поступает на вход электронного блока 14 системы самовоэбуждения (ЭБСС), и далее на выводы 15 системы 4 возбуждения колебаний резонатора,В совокупности с резонатором 1 системы 4 и

5 и блок 14 образуют электромеханическую автоколебательную систему, частота колебаний которой весьма близка к частоте собственных изгибных колебаний резонатора 1,С изменением измеряемого давления газа в зазоре 10 собственная частота изгибных колебаний, резонатора 1 изменяется не только потому, что при этом изменяются механические напряжения н стенке резонатора, но также и потому, что изменяется упругость контактирующего с этой стенкой газа. Именно этот факт и обуславливает существенное повышение крутизны характеристики датчика беэ ухудшения других его качеств.

Вариант конструкции датчика с двумя экранами изображен на фиг.2.

Конструкция эта в основном аналогична конструкции, представленной на фиг. 1.

Роль экранов в этой конструкции играют обращенные к резонатору

1 поверхности корпуса 2 и газонепроницаемого экрана б. Системы возбуждения 4 и съема 5 размещены н гаэонепроницаемом экране б,что позволяет сократить общие габаритные размеры датчика. С целью упрощения конструкции резонатора датчик выполнен н виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, развертка которой приводится на фиг.3. Датчик со 748154 держит активную зону 16 резонатора, совершающую в процессе работы датчика иэгибные колебания, пассивную зону 17 резонатора, являющуюся мес.том его жесткого соединения с корпусом 2 и газонепроницаемым экраном

6, перемычки 18, образующие упругий подвес активной зоны резонатора и расположенные на узловых меридианах, отверстия 19 (прорези), разделяющие активную и пассивные области резонатора.

Формула изобретения

1. Датчик абсолютного давления с частотным выходом, содержащий первичный измерительный преобразова- )5 тель в виде тонкостенного цилиндрического резонатора, систему возбуждения колебаний резонатора и систему съема сигнала, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения крутизны характеристики датчика, в нем соосно резонатору установлен по меньшей мере один цилиндрический экран на расстоянии, не превыающемЬ - я,) Э g о 25 отак = с> где R — радиус резонатора; ! безразмерный числовой коэффициент (2-6); частота колебаний резонатора в вакууме; кинематическая вязкость газа, находящегося в зазоре; скорость звука в газе;

c—

2 R

П=

291О

2. Датчик по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что его резонатор выполнен в виде отрезка тонкостенной трубки постоянного сечения, на периферийных участках которого выполнено по 2п симметрично расположенных по окружности отверстий.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

9 181848, кл. 0 01 Ь 11/00, 1965.

2. Авторское свидетельство СССР

9226912, кл. G 01 Ь 11/00, 1967 (прототип).

748154

19

Составитель 0 СаФонов

Редактор Т. Лошкарева Техред К. Бабурка

Корректор Н.Григорук

Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Эакаэ 4222/27 Тираж 1019

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытиЯ

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