ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, предназначенной для измерения в широком диапазоне избыточного давления высокотемпературных сред.
Известно устройство для измерения давления, содержащее датчик в виде отрезка коаксиальной длинной линии с торцевым чувствительным элементом, представляющим собой конденсатор, одна пластина которого подключена к внутреннему проводнику коаксиальной длинной линии, другая пластина конденсатора воспринимает измеряемое давление и, прогибаясь под действием избыточного давления, изменяет емкость конденсатора, что приводит к изменению резонансной частоты отрезка длинной линии [Патент США №4604898, G01L 9/12]. Недостатком устройства является ограниченный диапазон измерения и невысокая чувствительность датчика, обусловленная незначительным изменением емкости конденсатора при прогибе мембраны под действием измеряемого давления.
Известно также устройство [Патент RU №2221228, G01L 9/12], которое по технической сущности наиболее близко предлагаемому устройству и может рассматриваться как прототип. Это устройство представляет собой СВЧ-резонатор, содержащий корпус с днищем и крышкой, на мембрану которой воздействует измеряемое давление. Внутри корпуса на днище закреплен стержень, на конце которого расположен диск, который с другим диском, закрепленным соосно к центру мембраны, образует конденсатор. В днище резонатора выполнены два отверстия для подвода и съема электромагнитной СВЧ-энергии с помощью двух петель связи.
Датчик подобного типа имеет тот недостаток, что диапазон измерения строго фиксирован и ограничен предельной величиной прогиба мембраны датчика.
Целью изобретения является расширение диапазона измерения давления за счет меняющейся жесткости мембраны датчика.
Решение указанной выше задачи в предлагаемом датчике давления, выполненном в виде СВЧ-резонатора и содержащем цилиндрический корпус, стержень, два плоских диска, крышку, воспринимающую измеряемое давление, днище и две петли связи для подвода и съема СВЧ-энергии, обеспечивается тем, что датчик снабжен дополнительным СВЧ-резонатором, содержащим аналогичные элементы первого резонатора (корпус, стержень, два плоских диска и две петли связи), при этом корпуса первого и дополнительного резонаторов выполнены заодно, а днище первого (основного) резонатора, крышка которого воспринимает измеряемое давление, является крышкой второго дополнительного резонатора, жесткость которой определяется исходя из диапазона измеряемого давления и жесткости крышки первого резонатора.
Таким образом, можно отметить 3 отличительных признака предлагаемого датчика: 1) наличие в датчике дополнительного резонатора; 2) дополнительный резонатор и основной резонатор имеют общий корпус и соединены так, что днище основного резонатора является крышкой дополнительного резонатора, 3) жесткость крышки, на мембрану которой воздействует измеряемое давление, и жесткость днища первого резонатора выбираются исходя из заданного диапазона измерения датчика.
Предложенные элементы новизны позволяют положительный эффект, заключающийся в расширении диапазона измерения.
На фиг.1 показан общий вид датчика давления.
Устройство содержит корпус 1, крышку 2, днище 3, стержни 4 и 5, петли связи 6, 7 и 8, 9, диски 10, 11 и 12, 13.
Корпус 1, крышка 2, днище 3 и стержень 4 образуют первый резонатор, внутри которого на стержне 4 закреплен диск 10, образующий с диском 11 конструктивный конденсатор, плоская мембрана крышки 2 воспринимает измеряемое давление и перемещает диск 11, петли связи 6 и 7 служат для подвода и съема СВЧ-энергии. Корпус 1, днище 14, стержень 5 образуют дополнительный резонатор совместно с дисками 12 и 13, петли связи 8 и 9 служат для подвода и съема СВЧ-энергии в дополнительном резонаторе.
Датчик работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления p плоская мембрана крышки 2 деформируется, и диск 11 перемещается. Емкость конденсатора первого резонатора изменяется, соответственно изменяется резонансная частота датчика согласно уравнению [1]:
где  - волновое сопротивление резонатора;
ε - диэлектрическая проницаемость среды резонатора;
D - внутренний диаметр корпуса 1;
d - диаметр стержня 4;
0
V - скорость света в вакууме;
L - длина резонатора;
- емкость конструктивного конденсатора;
1
D - диаметр дисков 10 и 11;
Δ - зазор между дисками 10 и 11.
Резонансная частота первого резонатора, как видно из приведенного выражения, зависит от геометрических размеров резонатора и величины зазора между дисками, который функционально связан с измеряемым давлением. Причем коаксиальное исполнение датчика обуславливает неизменность результата измерений при относительно одинаковом изменении внутреннего диаметра корпуса 1 и диаметра стержня 4, т.к. в выражении они представлены через отношение D/d.
max
max
При измеряемом давлении, равном p, являющемся предельным для первого резонатора, основной резонатор перестает работать, т.к. зазор Δ между дисками 10 и 11 становится равным нулю. При дальнейшем увеличении измеряемого давления p>p стержень 4 начинает прогибать днище 3. Тогда диск 12, перемещаясь, уменьшает зазор между дисками 12 и 13, что приводит к изменению емкости конструктивного конденсатора дополнительного резонатора. Следовательно, резонансная частота дополнительного резонатора будет изменяться в соответствии с выражением (1). При одинаковых габаритных размерах резонаторов, что целесообразно добиваться с точки зрения унификации, начальные частоты резонаторов будут одинаковы, а при одинаковой жесткости мембраны и жесткости днища характеристики резонаторов будут идентичны. Диапазон измерения датчика в этом случае увеличится, т.к. к жесткости мембраны прибавится жесткость днища основного резонатора.
Для подгонки характеристик резонаторов, кроме одинаковых размеров, выравниваются жесткости мембраны и днища, что достигается уменьшением жесткости днища путем высверливания в нем отверстий, число которых определяется экспериментально в процессе тарировки датчика.
Стендовые испытания датчика, имеющего толщину мембраны 0,3 мм и рассчитанного для работы в диапазоне 0-1,0 МПа, при использовании дополнительного резонатора позволили измерять давление в диапазоне до 2,5 МПа. При этом начальные резонансные частоты резонаторов составляли 600 МГц и девиация частот - 12%.
Источники информации
1. Патент РФ №2221228, кл G01L 9/12, 2004 (прототип).
2. Патент США №4604898, кл. G01L 9/12, 1996.