УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения статического и динамического давления.
Известно устройство для измерения давления (US 4604898 А, 12.08.1986), которое содержит датчик в виде отрезка коаксиальной длинной линии с торцевым чувствительным элементом. Он представляет собой конденсатор, образованный совокупностью плоской металлической пластины, подсоединенной к внутреннему проводнику коаксиальной линии и установленной перпендикулярно ее продольной оси, и параллельной пластине деформируемой торцевой стенки (мембраны), воспринимающей внешнее давление. Резонансная частота колебаний, возбуждаемых в устройстве, зависит от величины прогиба деформируемой торцевой стенки резонатора. Известно также устройство для измерения давления, содержащее коаксиальный резонатор, на торце которого расположены два плоских диска, выполняющих функцию конденсатора. Один из этих дисков прикреплен с помощью штока к центру мембраны, воспринимающей измеряемое давление, а другой диск закреплен на торце внутреннего проводника коаксиальной линии параллельно первому диску (RU 2221228 C2, 10.01.2004).
Известно также устройство (US 3927369, 31.01.1973), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит сверхвысокочастотный (СВЧ) чувствительный элемент в виде объемного СВЧ-резонатора, который имеет упругую торцевую стенку (мембрану, диафрагму и т.п.), а также соединенный с резонатором блок для генерации резонансной (собственной) частоты электромагнитных колебаний резонатора и блок измерения резонансной частоты данного резонатора. Выходной сигнал этого блока соответствует измеряемому давлению. Эта частота имеет обычно величину порядка нескольких гигагерц и зависит от размеров резонатора, выбранного "рабочего" типа электромагнитных колебаний. При этом изменение давления приводит к смещению гибкой стенки резонатора (это его торцевая стенка), изменяя продольный размер полости резонатора и, как следствие, его резонансную частоту.
Недостатком устройства-прототипа является достаточно высокая сложность его реализации, обусловленная применением объемного СВЧ-резонатора в качестве СВЧ чувствительного элемента. При этом необходимо наличия в конструкции устройства функциональных элементов для требуемого измерения с высокой точностью значения резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения давления, содержащем СВЧ чувствительный элемент в виде металлической полости, часть стенки которой выполнена упругой, соединенный с помощью элемента возбуждения и элемента съема электромагнитных колебаний с электронным блоком, металлическая полость выполнена в виде волновода с упругой одной торцевой стенкой, электронный блок содержит генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты и подключенный к индикатору детектор, подсоединенные с помощью, соответственно, элемента возбуждения и элемента съема электромагнитных колебаний к волноводу у его другой торцевой стенки, а волновод выполнен в виде предельного волновода, для которого частота возбуждаемых в нем электромагнитных волн выбрана ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн.
Предлагаемое устройство поясняется  фиг. 1, где приведена его структурная схема.
На фиг. 1 показаны волновод 1, упругая торцевая стенка 2, элементы связи 3 и 4, генератор электромагнитных колебаний 5, детектор 6, индикатор 7.
Устройство работает следующим образом.
В данном устройстве СВЧ чувствительный элемент в виде волновода 1 имеет на одном из его торцов упругую торцевую стенку 2, в частности мембрану. При воздействии извне какой-либо физической величины (на фиг. 1 такое воздействие показано стрелкой) или при изменении этого воздействия относительно его некоторого исходного значения имеет место прогиб упругой торцевой стенки 2 волновода 1, обеспечивается восприятие значения соответствующего давления P (за счет измерения величины прогиба). Информативным параметром в данном устройстве является амплитуда E(l) ослабеваемых электромагнитных волн в волноводе, где l - величина прогиба мембраны, точнее ее центральной части,  относительно ее исходного положения, соответствующего отсутствию воздействия извне физической величины (или изменения этого воздействия относительно его некоторого исходного значения). Волновод 1 является при этом предельным волноводом.
Упругая стенка может быть изготовлена, например, из нержавеющей стали. Толщина диафрагмы может составлять 0,1÷0,2 мм, а диаметр ~10÷40 мм (в зависимости от диаметра трубопровода).
кр
В предлагаемом устройстве осуществляют возбуждение электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн, то есть ниже критической частоты f для волны низшего типа. Но при этом вдоль волновода существует только реактивное электромагнитное поле, убывающее при удалении от возбуждающего волны элемента связи у одного из торцов волновода.
кр
кр
11
11
кр
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: f>f, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f для волны низшего типа, в частности, в круглом волноводе - для волны типа Н. Для волн типа Н будем иметь f=2c/3,41D где D - диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. С. 78-94). При f<f имеет место предельный режим, при котором распространение электромагнитных волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное электромагнитное поле, убывающее при удалении от элемента возбуждения электромагнитных волн. В предельном волноводе 1 поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
а постоянная ослабления α есть
m
m
В этих формулах E и H - амплитуды напряженности соответственно электрического и магнитного полей при z=0; и ω=2πf; ∈ и µ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, с - скорость света.
кр
Выбирая соотношение между f и f, можно управлять величиной ослабления α в предельном волноводе.
кр
Отметим, что при f≤f распространение электромагнитных волн вдоль волновода отсутствует. Имеет место запредельный режим распространения волн, а волновод является при этом запредельным волноводом. В данном же устройстве имеет место именно предельный режим, указанный выше и характеризуемый наличием ослабеваемого вдоль волновода реактивного электромагнитного поля, а не запредельный режим распространения электромагнитных волн.
кр
В волноводе 1 с гибкой металлической мембраной 2 возбуждают через элемент связи 3 с помощью генератора электромагнитных колебаний 5 электромагнитные волны на фиксированной частоте f, которая выбрана ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн - меньшей критической частоты f для этого волновода (фиг. 1). Волновод 1 является при этом предельным волноводом.
Напряженность электрического поля Е и магнитного поля Н при удалении от элемента связи спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение E (и Н) зависит от величины прогиба l торцевой мембраны волновода 1. У того же торца волновода 1 (фиг. 1) принимаемые сигналы поступают через элемент связи 4 на детектор 6. Затем продетектированный сигнал поступает на индикатор 7 для определения амплитуды Е(l) сигнала, служащего информативным параметром.
Выражение для E(z) должно учитывать распространение электромагнитных волн вдоль предельного волновода 1, а также и их отражение от его торца - гибкой торцевой мембраны 2 у волновода 1.
Для схемы устройства на фиг. 1 амплитуда напряженности результирующего электромагнитного поля E(z) в некотором сечении с координатой z предельного волновода в данном случае есть
m
где E - амплитуда напряженности зондирующего электромагнитного поля при z=0, то есть у элемента связи 3, где z=0; l - расстояние, отсчитываемое от элемента связи 3. Величина коэффициента α определяется соотношением (2).
0
0
Величина l определяется степенью прогиба гибкой мембраны 2 в месте ее расположения и, следовательно, зависит от давления Р:l=l+l(Р), где l - значение l при нулевом прогибе мембраны, т.е. при Р=0; l(P) - величина прогиба мембраны.
Следовательно, как следует из (3), амплитуда результирующего значения напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z=0 есть
Величина Е(Р) является монотонной функцией Р, позволяя однозначно определять искомое значение давления.
Величина прогиба деформируемой торцевой стенки (мембраны) выражается следующей формулой (US 3927369, 31.01.1973):
где ΔP - разность давлений с внешней и внутренней сторон мембраны, a - радиус цилиндрической мембраны, d - ее толщина, Е - модуль упругости конкретного материала, из которого изготовлена мембрана. Формула (5) выражает максимальную величину деформации в центре мембраны.
Конструкция волновода может быть изготовлена из меди, латуни и других металлов с небольшим удельным сопротивлением. Упругая торцевая стенка (мембрана) может быть изготовлена из различных металлов, например элинвара (RU 2221228 C2, 10.01.2004). В качестве материала для мембраны допустимо выбрать нержавеющую сталь. Толщина мембраны может составлять 0,1÷0,2 мм, а ее диаметр 10÷40 мм.
Данное устройство характеризуется простотой его конструкции и реализации. Оно не требует наличия объемных резонаторов и специальных прецизионных схемных элементов для высокоточного измерения их резонансных частот. Здесь требуется наличие лишь генератора электромагнитных колебаний фиксированной частоты, волновода с торцевой гибкой металлической стенкой, детектора и регистратора. При этом точность измерения может быть достаточно высокой: амплитуда принимаемых колебаний соответствует ослабеваемому реактивному электромагнитному полю в предельном волноводе и не связана с омическими потерями электромагнитной энергии в нем.
Выбором фиксированной частоты f генератора, подсоединенного к предельному волноводу, поперечных и продольного размеров этого волновода можно оптимизировать чувствительность устройства в рабочем диапазоне изменения давления или другой измеряемой физической величины, изменение которой приводит к прогибу упругой торцевой стенки предельного волновода.
Таким образом, в предлагаемом устройстве для измерения давления за счет проведения в волноводе измерений на фиксированной частоте, меньшей минимальной частоты возбуждения в нем распространяющихся электромагнитных волн, достигается поставленная цель - упрощение конструкции. Такое устройство может иметь применение для измерения давления и других физических величин.