Датчик давления с частотным выходом

Авторы патента:

G01L7/18 - с использованием жидкости в качестве среды, чувствительной к давлению, например жидкостные манометры

G01L11 - Измерение постоянного или медленно меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью средств, не отнесенных к группе G01L 7/00 или G01L 9/00

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВ ВТИЬСТВУ

Ов883681 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 260380 (2т) 2898599/18-10 (ss)w. к. с присоединением заявки М

G 01 L,9/08

G 01 L 11/00

Государственный комитет

СССР ио деяам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 231181. Бюллетень N9 43 (53) УДК 531.7 87 (088.8) Дата опубликования описания 23. 11. 81 (72) Автор изобретения

Ю.A Íåñòåðåíêî

Опытное конструкторско-технологических бюро "Кристалл" с опытным производством Ленинградского технологического института им, Ленсовета (7! ) Заявитель (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для измерений абсолютных давлений газовых сред.

Известны датчики давления, содержащие колебательную систему в виде упругой мембраны, которая установле на в корпусных деталях н расположена между двух электростатических преобразователей, служащих для Воэ" буждения и съема колебаний мембраны (1) .

Недостатком указанных датчиков является сильное взаимодействие колебательной системы с корпусными деталями и возбуждение в последних побочных механических резонансов, снижающих точность измерения давления.

НаибоЛее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является устройство датчика давления содержащее корпус с установленным в нем пьезоэлектрическим резонатором с электродами, выполненным в виде пластины, закрепленной в узлах стоячей волны собственных изгибных колебаний, систему возбуждения колебаний (2) .

Недостатком известного техничес кого реыения является нелинейность функциональной зависимости квадрата частоты датчика от измеряемого давления, снижающая точность измерений.

" Целью изобретения является повы.шение точности измерений.

Укаэанная цель достигается. за счет того, что между поверхностя ® ми пьезоэлектрического резонатора и внутренними поверхностями корпуса образован щелевой зазор, величина которого выбрана as выражения д "- 2ЖР где б" - величина зазора)

- кинематический коэффициент вязкости газовой среды1

f - рабочая частота.

20 пьезоэлектрический резонатор размещен на подложке, толщина которой выбирается из условия Ь)Л (С„ )Ст,УЕ,,где h - -толщина подложкиу

С вЂ” скорость звука в газовой сре25

Щ деу

С,и вЂ” скорость распространения продо дольных колебаний в материале подложки.

На фиг. 1 и 2 изображен чувстви30 тельный элемент, содержащий "пьезо883681

2 электрический резонатор; на фиг,З схема его подключения к системе воз буждения колебаний датчика. "

Пьезоэлектрический резонатор содержит подложку 1, элементы крепления 2, корпусную рамку 3, электроды 4 и 5, проводники 6 и 7, пьезопреобразователи 8 ° Элементы крепления 2 изготовлены за одно целое с подложкой 1 и корпусной рамкой 3 из материала со стабильными механическими свойствами, например из ситал ла или кварца, и расположены на лйниях,соответствующих узлам стоячей .волны собственных изгибных коле баний пьезоэлектрического резонатора (на фиг.l пунктирные линии для 1-ой моды иэгибных колебаний). Проводники 9 и 10 служат для подсоединения пьезоэлектрического резонатора к системе возбуждения и. съема колебаний датчика (фиг.3).

Пьезоэлектрический резонатор ус.тановлен в чвствительном элементе датчика (фиг.2) между корпусными деталями 11, противолежащие поверхности которых образуют внутренний объем датчика, состоящий из щелевых зазоров 12 и канала 13, опоясывающего подложку 1 резонатора по периметру. Внутренний объем датчика сообщается с измеряемой средой с помощью вставок 14, выполненных из проницаемого для газовой среды материала, например из пористой керамики или стекла. Отдельные элементы чувствительного элемента соединены между собой, например склейкой или пайкой.

Чувствительный элемент датчика может быть помещен в герметичный корпус (не показан), снабженный штуцером для подсоединения к исследуе- 40 мому газовому объему, а также содержащий электрические гермовыводы для соединения проводников 9 и 10 со схемой возбуждения и съема колебаний датчика.

Схема возбуждения и съема колебаний (фиг.З) является схемой автогенератора, в цепь обратной связи которого включен пьезоэлектрический резонатор. Пьезопреобразователи 8 с помощью внешних проводников 10 подключены один ко входу, а другой к выходу усилителя 15 с высоким входным .сопрртивлением. Выход усилителя 15 подключен также ко входу схемы ав.томаЪйческой регулировки усиления 16 усилителя 15 выход которой, в свою очередь, подключен к управляющему входу усилителя 15. Внешние проводники 9 пьезопреобразователей 8 соединены электрически с корпусом датчика. Блок питания 17 обеспечивает электропитание всей схемы. Выходной частотный сигнал датчика снимается с выхода усилителя 15.

Работа датчика происходит следующим образом.

При включении напряжения питания происходит самовозбуждение датчика на частоте собственных резонансных колебаний чувствительного элемента.

При этом сигнал с приемного электрода 5 одного из пьезопреобразователей 8 через проводники 9 и 10 поступает на усилитель 15, где усиливается в необхбдимое число раз и поступает на возбуждение изгибных колеба1 ний подложки 1 через противоположную пару проводников 9 и 10 на электрод 5 другого пьезопреобразователя

8. Одновременно с этим сигнал с выхода усилителя 15 поступает на вход схемы 16, где формируется управляющий сигнал для регулировки коэффициента усиления усилителя 15, в соответствии с условием самовоз; буждения, что обеспечивает генерирование колебаний в пределах динамического диапазона этого усилителя и исключает нелинейное ограничение выходного сигнала датчика.

Изменение давления в контролируемой газовой среде, проникая сквозь пористые вставки 14, приводит к изменению резонансной частоты колебаний пьезоэлектрического резонатора и, соответственно, частоты выходного сигнала датчика.

Размеры подложки 1 выбраны из условия превышения скорости изгибных колебаний в ней над скоростью звука в газовой среде щелевого зазора, что приводит к следующей формуле определения толщины подложки:

Ьц

C Л

%f где h вЂ” толщина подложки;

С вЂ” скорость звука в газовой среЮ де;

С вЂ” скорость распространения продольных колебаний в материале подложки;

f вЂ” рабочая частота.

При выполнении этого условия процессы сжатия-разряжения газовой среды в зазорах 12 под действием изгибных колебаний пьезорезонатора оказываются одномерными (в направлении колебаний подложки) .

При изготовлении щелевых зазоров

12 размером порядка толщины слоя вязкого трения и, в частности, в пределах удвоенной глубины проникания вязкой волны, также обеспечивается одномерность процесса сжатийразряжений газовой среды в зазорах

12 при колебаниях пьезоэлектрического резонатора. Для этого величина щелевого зазора 12 необходимо выбирать иэ выражения

883681 где Ф вЂ” величина зазОра;

Y - кинематнческнй коэффициент вязкости газовой среды;

f рабочая чатота.

Выполнение рекомендаций по выбору толщины подложки 1 пьезоэлектрического резонатора ; и величины щелевых зазоров 12 позволяет обеспечить одномерность процесса сжатийразряжений газового объема а контролируемой среды как на низких,так и на высоких частотах, что значительно расширяет диапазон измеряемых давлений и повьиаается точность их измерений.

Описанный датчик обеспечивает исключение искажений функциональной зависимости выходной частоты от измеряемого давления за счет отсутствия воздействий колебающейся подложки 1 на корпусные детали, и, как следствие, повышение точности измерений.

Формула изобретения

1. Датчик давления с частотным вы.ходом, содержащий корпус с установ ленным в нем пьезоэлектрическим резонатором с электродами, выполненным в виде пластины, закрепленной в узлах стоячей волны собственных изгибных колебаний, систему возбужде ния колебаний, о т л и ч а ю щ и и.с я тем, что, с целью повышения точности измерений, между поверхностями пьезоэлектрического резонатора и внутренними поверхностями корпуса

5 образован щелевой зазор, величина которого выбрана из выражения

"- г где Р вЂ” величина зазора

9 вЂ” кинематический коэффициент вязкости газовой среды

f - рабочая частота, а пьезоэлектрический резонатор размещен на подложке, толщина которой

15 выбирается из условия

Я с„

Ь7УЗ с ле Ф где h - толщина подложки1

Щ С вЂ” скорость звука в газовой оредеж

С вЂ” скорость распространения продольных колебаний в материале подложки.

25 Источники информации, принятые во,внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

lt 691705, кл. G 01 Ь 11/ЬО от 2.0.06 ° 77 °