ЭЛЕКТРЕТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к средствам измерений малых давлений, используемых для анализа состава газовых сред.
Известен электретный датчик давлений (Губкин А.И. Электреты. – М.: Наука, 1978, с. 165-167), содержащий корпус, разделенный на две камеры металлической мембраной, служащей подвижным электродом, и неподвижной противоэлектрод, расположенный в камере на фиксированном расстоянии от этой мембраны. Подвижный электрод со стороны, обращенной к неподвижному электроду, снабжен плоским электретом, а камера снабжена штуцером для подачи давления.
При работе электретного преобразователя за счет изменения разности давления в камере изменяется расстояние между подвижным и неподвижным электродами. При этом изменяется емкость конденсатора, образованного этими электродами, а наличие электрического поля, создаваемого электретом, позволяет преобразовать изменение емкости преобразователя в электрический сигнал, который измеряется вольтметром.
Недостатком такого преобразователя является узкие функциональные возможности, определяемые тем, что он может быть использован только для измерений знакопеременных давления и, в частности, давлений камеры оптико-акустического газоанализатора.
Наиболее близким по технической сущности является электретный датчик давлений (Петров В.М. SU № 618666, Бюл. № 29, 1978), содержащий две камеры, отделенные друг от друга гибкой металлической мембраной, при этом первая камера снабжена входным штуцером, а на поверхности гибкой мембраны, обращенной во внутреннюю полость второй камеры, нанесен слой электрета, причем гибкая мембрана и электрод, установленный на изоляторе во внутренней полости второй камеры, подключены к электронному усилителю, выход которого соединен с входом вольтметра.
При работе такого датчика давлений периодически изменяется расстояние между мембраной и неподвижным электродом, что изменяет напряжение между ними, которое несет информацию об измеряемом давлении. Такой преобразователь обеспечивает измерение как знакопеременных, так и статических давлений.
Недостатком такого преобразователя являются узкие функциональные возможности, определяемые тем, что он может использоваться только для измерения давления.
Задачей полезной модели является создание электретного датчика давлений, обеспечивающего кроме измерения давлений еще и измерений состава бинарных газовых сред.
Техническим результатом является расширение функциональной возможности электретного датчика давлений.
Поставленная задача и технический результат достигается тем, что электретный датчик давлений содержит две камеры, отделенные друг от друга гибкой металлической мембраной, при этом первая камера снабжена входным штуцером, а на поверхности гибкой мембраны, обращенной во внутреннюю полость второй камеры, нанесен слой электрета, причем гибкая мембрана и электрод, установленный на изоляторе во внутренней полости второй камеры, подключены к электронному усилителю, выход которого соединен с входом вольтметра. Согласно полезной модели датчик дополнительно содержит электроакустический преобразователь, вход которого подключен к выходу генератора электрических гармонических колебаний, а выход через звуковод подключен к внутренней полости второй камеры, при этом первая камера снабжена дополнительным штуцером.
Такая конструкция позволяет определять состав бинарной газовой среды, которая может протекать через первую камеру за счет наличия входного и дополнительного штуцеров, что определяет изменения присоединенной к мембране массы газа, изменяющиеся при изменении ее состава за счет изменения плотности газовой среды. При постоянной частоте гармонических колебаний, поступающих от электроакустического преобразователя, изменяется амплитуда колебаний на выходе электронного усилителя, измеряемых вольтметром.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимного расположения.
Схема электретного датчика давлений представлена на фиг. 1.
Электретный датчик давлений содержит две камеры 1 и 2, отделенные друг от друга гибкой металлической мембраной 3, при этом камера 1 снабжена входным штуцером 4, а на поверхности 5 гибкой мембраны 3, обращенной во внутреннюю полость 6 камеры 2, нанесен слой электрета 7. Гибкая мембрана 3 и электрод 8, установленный на изоляторе 9 во внутренней полости 6 камеры 2, подключены к электронному усилителю 10, выход которого соединен с входом вольтметра 11. Датчик содержит электроакустический преобразователь 12, вход которого подключен к выходу генератора 13 электрических гармонических колебаний, а выход 14 через звуковод 15 подключен к внутренней полости 6 камеры 2. Камера 1 также снабжена дополнительным штуцером 16.
Электретный датчик давлений работает следующим образом.
С выхода генератора 13 электрических гармонических колебаний к электроакустическому преобразователю 12 поступает электрический сигнал, который преобразуется последним в звуковые колебания. Эти колебания по звуководу 15 поступают в полость 6 камеры 2, и под действием этих колебаний мембрана 3, а вместе с ней слой электрета 7 совершают периодические колебания, что вызывает гармонические электрические колебания напряжения между мембраной 3 и электродом 8. Эти колебания поступают на вход электронного усилителя 10, усиливаются и воспринимаются вольтметром 11. Таким образом, формируется начальный уровень сигнала на выходе датчика давлений. Этот уровень сигнала соответствует протеканию через камеру 1 некоторого газа постоянного состава, например воздуха. Когда вместе с воздухом через камеру 1 протекает смесь воздуха с каким-нибудь другим газом, например газом, имеющим большую плотность, амплитуда колебаний мембраны 3 уменьшается, так как увеличивается масса присоединенного к мембране 3 газа, что вызывает уменьшение амплитуды колебаний напряжения на выходе электретного датчика давлений. Изменение амплитуды колебаний, таким образом, служит мерой плотности газовой среды, поступающей в камеру 1. При уменьшении плотности газа, поступающей в камеру 1, амплитуда колебаний увеличивается, так как уменьшается присоединенная к ней масса газа.
Экспериментальная проверка работы электретного датчика давлений осуществлялась с использованием электретного микрофона типа МКЭ-3 и малогабаритного телефона типа ТМ-2 А. Помимо названных элементов также использовались: электронный усилитель переменного тока типа У4-29, генератор электрических колебаний типа Г3-118, частота колебаний которого варьировалась в диапазоне 2-5 кГ.
В результате проведенных исследований установлено, что чувствительность измерения концентрации диоксида углерода с помощью электретного датчика давлений составляет .
Преимущество предполагаемого технического решения:
простота конструкции;
расширенные функциональные возможности;
низкая стоимость.
Предложенный электретный датчик давлений может быть реализован на базе стандартных электретного микрофона и телефона, а также распространенных и дешевых средств электронной техники.
Описанный в заявке электретный датчик давлений, способный помимо малых давлений измерять концентрацию бинарной газовой среды может найти применение в промышленном контроле концентрации диоксида углерода, а также в контроле этого параметра в замкнутых пространствах авиационной, космической технике, в подводных лодках, а также в медицине.