ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления.
Известен ряд датчиков давления, в которых чувствительным элементом служит мембрана. Преобразование деформации мембраны осуществляют по разному. В напорометре (патент на ПМ RU 75468, опубл. 10.08.2008) применено механическое преобразование на основе трибкосекторного механизма. В датчике давления среды с эластичными стрелками (патент RU 2176387, опубл. 27.07.2001) используется волоконно-оптические преобразователь. Но чаще всего применяют в той или иной форме электрическое преобразование. В датчике разряжения (патент на ПМ RU 92 534,; опубл. 20.03.2010) используются контактные пары. В тонкопленочном датчике давления (патент RU 2345341, опубл. 27.01.2009) применены соединенные мостом тензоэлементы.
Однако, аналоговая форма сигнала вторичного преобразователя ограничивает точность измерения давления; Недостатком аналогового сигнала является его зависимость от внешних помех.
В качестве прототипа выбран датчик давления по патенту RU 2017100 МПК G01L 7/06, опубл. 30.07.1994. Рассматриваемый датчик давления содержит чувствительный элемент в виде мембраны и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, который выполнен в виде двух кронштейнов, установленных по диаметру вибрационной перемычки, натянутой между кронштейнами. Вибрационная перемычка является колебательным звеном.
Система возбуждения автоколебаний вибрационной перемычки представлена взаимосвязанными функциональными блоками - возбудителем, электромагнитным адаптером и усилителем. В описании к патенту отмечено: «Для обеспечения стабильности работы датчика и уменьшение гистерезиса его показаний мембрана 1, кронштейны 2 и 3, перемычка 4 и корпус8 выполнены за одно целое». Трудно представить как в единой детали из указанных элементов реализовать разноплановые требования к отдельным элементам. Мембрана и вибрационная перемычка должны выполняться из материалов с малыми гистерезисными потерями, например, марок 60С2А, Н41ХТА, К40НХМВ. Кронштейны должны иметь большую изгибную жесткость, которая, конечно, может быть достигнута формой, но при этом растет площадь их основания, следовательно, растет недеформируемая часть мембраны и как следствие растет нелинейность характеристики преобразования. Не очень ясно как в этой конструкции обеспечивается предварительное натяжение вибрационной перемычки. Натянутая вибрационная перемычка даст несимметричную относительно центра (в полярных координатах) деформацию мембраны.
Указанные обстоятельства предполагают существенную нелинейность преобразования, следовательно, значительную погрешность измерения давления.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения давления.
Указанный результат достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, чувствительный элемент в виде мембраны в выходной сигнал в составе связанного с мембраной колебательного звена и системы возбуждения автоколебаний, колебательное звено выполнено в виде упругой растяжки, в средней части которой закреплен баланс, содержащий постоянные магниты и магнитопроводы с образованием магнитного зазора, при этом один конец упругой растяжки закреплен неподвижно, а другой соединен с жестким центром мембраны, система возбуждения автоколебаний составлена из неподвижной бифилярной электрической катушки, размещенной в магнитном зазоре баланса, и схемы формирования импульсов привода. В датчике давления схема формирования импульсов привода выполнена на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, при этом одна секция бифилярной электрической катушки подключена к базе транзистора и общей шине, а вторая секция - к коллектору транзистора и шине питания, при этом коллектор и база транзистора связаны конденсатором.
u
u
u
На фиг. 1 изображен осевой разрез датчика давления; на фиг. 2 показано крепление конца растяжки в жестком центре мембраны; на фиг. 3 - крепление конца растяжки на неподвижном элементе; на фиг. 4 приведена электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода (СФИП); на фиг. 3 показан вид функций прогиба центра мембраны δ(P) и частоты колебаний баланса f(P)
Принятые обозначения
1 - корпус;
2 - винты крепления скобы;
3 - скоба П-образной формы;
4 - мембрана;
5 - растяжка;
6 - баланс;
7 - опора растяжки нижняя (жесткий центр мембраны);
8 - накладка опоры 7;
9 - винты накладки;
10 - глухое отверстие опоры;
11 - опора растяжки верхняя;
12 - накладка опоры 11;
13 - винты накладки;
14 - винт предварительного растяжения растяжки;
15 - базирующее отверстие опоры 11;
16 - магнитопроводная втулка баланса;
17, 18 - плоские магнитопроводы баланса;
19, 20 - постоянные магниты баланса;
21, 22 - противовесы баланса;
23 - электрическая катушка;
24 - электроизоляционная стойка;
25 - накладка;
26 - винты накладки катушки;
27 - винты стойки;
28 - электрический разъем;
29 - переходник.
Датчик давления устроен следующим образом. Имеется корпус 1, к которому винтами 2 присоединена скоба П-образной формы 3. В корпусе закаткой по контуру закреплена мембрана 4. По осевой линии устройства размещено колебательное звено, представленное плоской упругой лентой (растяжкой) 5 прямоугольного сечения толщиной h и шириной b и инерционной массой (балансом) 6. Концы растяжки закреплены в тисковых зажимах. Нижний зажим (фиг. 2) содержит опору 7 прямоугольного сечения в верхней ее части (здесь и дальше ориентация по чертежу), имеется накладка 8, которая с помощью винтов 9 закрепляет нижний конец растяжки. Для удобства сборки ниже нижней кромки накладки в опоре выполнено глухое отверстие 10 диаметром, соответствующим сечению растяжки. Нижняя часть опоры 7 имеет цилиндрическую форму и развальцовкой закреплена по центру мембраны. Верхний зажим образован опорой 11, накладкой 12 и винтами 13. Верхняя часть опоры 11 имеет квадратное сечение с центральным резьбовым отверстием и она размещена в отверстии квадратного сечения скобы 3. Крепление верхней опоры осуществляется винтом 14. Для базирования растяжки имеется отверстие 15.
Конструктивно баланс представляет собой сборочную единицу, составленную магнитопроводной втулкой 16, к которой по торцам развальцовкой присоединены два плоских магнитопровода 17, 18. Заметим, что на фиг. 1 позиции магнитопроводов 17, 18 не обозначены по причинам графической плотности изображения и достаточной ясности по связям и функциям этих элементов в конструкции баланса. По одним концам этих магнитопроводов встречно прикреплены постоянные магниты 19, 20 осевой намагниченности с образованием магнитного зазора. Для приведения центра масс баланса к оси втулки 16 по другим концам магнитопроводов установлены противовесы 21, 22. Крепление баланса в средней части растяжки осуществляется полукруглыми коническими штифтами, устанавливаемыми в отверстие втулки 16 (на чертеже не показаны).
Для обеспечения автоколебательного движения баланса в его магнитный зазор помещена бескаркасная бафилярная (намотанная в два провода) катушка 23. Магниты 19, 20 и катушка образуют магнитоэлектрический привод, управление которым осуществляет электронная схема формирования импульсов привода - СФИП. Электрическая катушка закреплена в расточке электроизоляционной стойки 24 с помощью накладки 25 и винтов 26. Стойка, в свою очередь, крепится к скобе 3 винтами 27. Схема формирования импульсов привода в простейшем варианте может быть выполнена в виде электронного ключа по рис.4 и смонтирована навесным монтажом на боковой поверхности стойки 24. Электрические выводы СФИП соединены с разъемом 28.
Присоединение измерителя давления к объекту исследования осуществляется с помощью переходника 29, который по внешней поверхности имеет шестигранную форму под стандартный гаечный ключ.
В реальной конструкции предусматривается герметизирующий чехол, закрывающий пространство автоколебательной системы (на фиг.1 чехол не показан).
Сборку измерителя давления осуществляют в следующей последовательности:
- развальцовывают в центральном отверстии мембраны 4 опору нижнюю 7;
- закаткой крепят по внешнему контуру мембрану 4 к корпусу 1;
- присоединяют в средней части заготовки растяжки предварительно собранный баланс;
- крепят верхний конец растяжки к верхней опоре 11;
- снизу вверх вставляют верхнюю опору в квадратное отверстие скобы 3 и предварительно закручивает винт 14;
- устанавливают и крепят к корпусу 1 скобу 3;
- крепят нижний конец растяжки к нижней опоре 7;
- устанавливают предварительно смонтированную (с катушкой 23 и СФИП) стойку 24 и подпаивают выводы СФИП к разъему 28;
- винтом 14 осуществляют исходное натяжение растяжки.
Последнюю операцию проводят исходя из амплитудного диапазона автоколебаний баланса. Большему натяжению растяжки соответствует большая частота автоколебаний, соответственно меньшая амплитуда автоколебаний баланса. По принципу работы магнитоэлектрического привода минимальная амплитуда  баланса равна половине углового
max
размера катушки. Поэтому, подключив СФИП к источнику электропитания E закручивают винт 14, выдерживая амплитуду баланса несколько больше  Данной настройке будет соответствовать собственная частота колебаний баланса f.
Под действием измеряемого давления исходный прогиб мембраны будет увеличиваться, следовательно, будет уменьшаться натяжение растяжки, что приведет к снижению частоты и увеличению амплитуды автоколебаний. Максимальная амплитуда  обычно принимается равной 270°, если при этом значении не будет превзойдено допустимое механическое напряжение в растяжке.
Таким образом, диапазон измерения давления будет определяется перепадом амплитуд , которому в качестве выходного сигнала
max
min
соответствуют частоты на выходе СФИП от f до f.
max
0
0
Определим передаточную функцию датчика давления. Как было отмечено выше, исходная настройка частоты f колебательного звена баланс-растяжка осуществляется винтом 14. При этом мамбрана 4 будет испытывать предварительную деформацию (прогиб центра) δ. Этому предварительному прогибу соответствует некоторое (виртуальное) давление P с внешней (нижней по чертежу) стороны мембраны.
Воспользуемся соотношениями Л.Е. Андреевой (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - М.: Машгиз, 1962. С. 232-233)
где R - внешний радиус мембраны;
M
M
В формуле (2) обозначено Е, h, μ - соответственно модуль упругости первого рода материала мембраны, ее толщина и коэффициент Пуассона.
Q достаточной точностью можно принять μ=0,3, (см. замечание Л.Е. Андреевой), тогда формула (1) может быть записана в виде
0
Равнодействующая сил давления P, приведенная к центру мембраны, равна
С учетом выражений (3), (4) получим силу предварительного натяжения растяжки
где
δ
Частота собственных колебаний баланса определяется моментом инерции I баланса 6 и жесткостью на кручение C растяжки 5
Жесткость С может быть выражена через первичные параметры
p
p
p
p
где G, h, b, l - соответственно, модуль упругости 2-го рода (модуль сдвига) материала растяжки, толщина, ширина и длина растяжки;
F - сила натяжения растяжки.
Примем обозначения,
тогда формула (7) для исходной настройки примет вид
u
u
При появлении измеряемого давления P возникает дополнительная деформация δ мембраны 4
которой соответствует равнодействующая сила
Текущее значение частоты колебаний баланса при наличии измеряемого давления составит
В формуле (14) приняты обозначения
Преобразуя формулу (14) получим передаточную функцию датчика давления
u
u
u
u
На фиг.5 показаны вид функции прогиба центра мембраны 6(P) и вид функции частоты колебаний баланса f(P). С ростом измеряемого давления Pрастет прогиб центра мембраны и уменьшается частота колебаний за счет снижения натяжения растяжки.
Предлагаемый датчик давления может использоваться либо в составе измерительно-вычислительного комплекса, либо в качестве автономного прибора. Во втором случае электронный блок прибора может быть реализован на базе микропроцессора, во флеш-память которого записывается передаточная функция датчика давления - формула (16).
Работает датчик давления следующим образом. С помощью переходника 29 закрепляют датчик давления на объекте исследования и соединяют кабелем электрический разъем 28 с электронным блоком.
u
u
При появлении измерительного давления P мембрана 4 испытывает дополнительный прогиб δ, который уменьшает натяжение растяжки 5. Уменьшение натяжения растяжки приводит к снижению частоты автоколебаний баланса 6. Частота автоколебаний со СФИП в форме импульсного сигнала через электрический разъем 28 передается в электронный блок, где обрабатывается по формуле (16).
Таким образом, в предлагаемом техническом решении мембрана работает полной поверхностью при малых деформациях, что обеспечивает линейность первичного преобразования. Датчик давления не содержит кинематических пар трения, соответственно, и зоны застоя. Колебательное звено баланс-растяжка обладает высокой добротностью и, как следствие, стабильностью его частоты. Частотный выходной сигнал датчика давления квантуется с высокой точностью и надежностью простыми аппаратными средствами. Указанные обстоятельства реализуют необходимую точность измерения при достаточно простой конструкции.