УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE MEASUREMENT DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения статического и динамического давления.
Известно устройство для измерения давления, содержащее коаксиальный резонатор, на торце которого расположены два плоских диска, выполняющие 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 4604898 A, 12.08.1986), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Устройство-прототип 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.
Недостатком устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная предельной величиной прогиба деформируемой торцевой стенки резонатора. Если давление превышает предельное значение, связанное с максимальным прогибом стенки, то устройство становится неработоспособным.
Целью изобретения является расширение границ области применения датчика давления и повышения его чувствительности.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения давления содержит датчик в виде отрезка коаксиальной длинной линии с одним торцевым конденсатором, образованным совокупностью металлической деформируемой торцевой стенки и плоской металлической пластины, присоединенной к внутреннему проводнику коаксиальной линии и установленной перпендикулярно ее продольной оси и параллельно упомянутой металлической деформируемой торцевой стенке, воспринимающей внешнее давление, и электронный блок для возбуждения электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии и измерения его резонансной частоты, при этом отрезок длинной линии выполнен П-образным, содержащим подсоединенный к его второму торцу конденсатор, идентичный первому конденсатору, причем плоская металлическая пластина второго конденсатора установлена параллельно указанной металлической деформируемой торцевой стенке.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, изображающим схему устройства.
На нем показаны: 1 - отрезок длинной линии, 2 - внутренний проводник, 3 - наружный проводник, 4 и 5 - металлическая пластина, 6 и 7 - торцевые стенки, 8 и 9 - элементы связи, 10 - электронный блок, 11 и 12 - линии связи.
В данном устройстве отрезок длинной линии 1 образован совокупностью его внутреннего 2 и наружного 3 проводников. К концам внутреннего проводника 2 прикреплены плоские металлические пластины 4 и 5, установленные перпендикулярно продольной оси коаксиальной линии и параллельно металлическим деформируемым торцевым стенкам 6 и 7. Отрезок коаксиальной линии выполнен в форме буквы «П», что позволяет обе пластины 4 и 5 расположить параллельно в одном и том же сечении и на одинаковом расстоянии от соответствующих им упругих торцевых стенок 6 и 7. Совокупности пластины 4 и торцевой стенки 6, а также пластины 5 и торцевой стенки 7 образуют электрические емкости (конденсаторы), являющиеся оконечными реактивными нагрузками отрезка длинной линии 1. С помощью элементов связи 8 и 9 отрезок длинной линии 1 соединен с электронным блоком 10, служащим для возбуждения электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии 1 и измерения его резонансной частоты (информативного параметра). Элементы связи могут быть, в частности, выполнены, как показано на чертеже, в виде петель связи (магнитных элементов связи).
Устройство работает следующим образом. В зависимости от величины внешнего измеряемого давления (показано на чертеже стрелками) изменяется величина прогиба каждой деформируемой торцевой стенки 6 и 7. При этом изменяется расстояние между стенками и соответствующими им пластинами 4 и 5 и, как следствие, величины электрических емкостей - реактивных (емкостных) нагрузок отрезка коаксиальной длинной линии.
н
Покажем, что при подключении к обоим торцам отрезка длинной линии 1 нагрузочных сопротивлений в виде сосредоточенных емкостей С, являющихся чувствительными элементами, имеет место увеличение чувствительности по сравнению с отрезком длинной линии, имеющим чувствительный элемент лишь на одном конце.
н
C
Подключение на конце отрезка длинной линии электрической емкости С эквивалентно удлинению разомкнутого на этом конце отрезка длинной линии на величину l, равную (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С.18-19)
8
0
p
н
где f - частота, c - скорость света (3·10 м/с), W - волновое сопротивление длинной линии. Поэтому резонансная (собственная) частота f электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, на каждом из двух концов которого подключена емкость С, равна
где l - длина отрезка длинной линии.
н
н0
н
н0
Если одна из емкостей С является чувствительным элементом, а другая имеет фиксированную величину С, не зависящую от измеряемого параметра, то такой отрезок длинной линии сходен с отрезком длинной линии в устройстве-прототипе, где "рабочим" является только один конец соответствующего отрезка длинной линии. В этом случае для отрезка длинной линии с подключенными к его концам емкостями С и С резонансная частота рассчитывается так:
н
где x - измеряемый параметр, которым является прогиб торцевого упругого элемента (мембраны), влияющий на величину электрической емкости С(х).
н
При наличии двух "рабочих" торцевых емкостей С на концах отрезка длинной линии значение резонансной частоты будет равным
При n=1 в формулах (2), (3) и (4) отрезок длинной линии является полуволновым. При этом на его концах наблюдается максимум амплитуды электрического поля и минимум амплитуды магнитного поля, а в центральной части отрезка длинной линии наоборот - минимум амплитуды электрического поля и максимум амплитуды магнитного поля. Именно для связи по магнитному полю элементы 8 и 9 имеют форму петель.
0
Преобразовав выражения (3) и (4), можно получить формулы для расчета значений S и S чувствительности устройств с одним или двумя "рабочими" концами отрезка длинной линии:
0
p1
0
p2
0
0
Сравнивая (5) и (6), с учетом того, что начальное значение резонансной частоты для обоих устройств (с одним и двумя "рабочими" концами отрезка длинной линии) при некотором номинальном значении x измеряемого параметра одно и то же (f(x)=f(x)), получим S=2S. Подобное соотношение имеет место в реальном диапазоне изменения х при деформации мембран датчика устройства. Следовательно, чувствительность предлагаемого устройства к измеряемому давлению в два раза выше чувствительности устройства с одним "рабочим" концом отрезка длинной линии, соответствующего устройству-прототипу.
Конструкции резонаторов в виде отрезков коаксиальной длинной линии могут быть изготовлены из меди, латуни и других металлов с небольшим удельным сопротивлением. Добротность этих резонаторов должна быть достаточно высокой (~100) для высокоточного измерения резонансной частоты. Упругие торцевые мембраны могут быть изготовлены из различных металлов, например элинвара (RU 2221228). Величина прогиба деформируемой торцевой стенки (мембраны) выражается следующей формулой (US 3927369):
где ΔР - разность давлений с внешней и внутренней сторон мембраны, а - радиус цилиндрической мембраны, d - ее толщина, Е - модуль упругости конкретного материала, из которого изготовлена мембрана.
В качестве материала для мембраны допустимо выбрать нержавеющую сталь. Толщина мембраны может составлять 0,1-0,2 мм, а ее диаметр 10-40 мм. Формула (7) выражает максимальную величину деформации в центре мембраны.
При использовании двух мембран одному и тому же изменению давления соответствует вдвое большее изменение информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, то есть имеет место повышение чувствительности предлагаемого устройства.
Кроме того, в предлагаемом устройстве с двумя торцевыми емкостями на концах отрезка длинной линии одно и то же давление может быть измерено при вдвое меньшей величине прогиба каждой мембраны, чем в случае устройства с одной такой емкостью.
Это означает, что в предлагаемом устройстве возможно измерять вдвое большее значение давления ΔР при тех же, что и ранее, конструктивных параметрах мембраны. Во-первых, это позволяет не предъявлять столь жестких требований к этим параметрам (размерам а и d, модулю упругости Е) мембраны; во-вторых, дает возможность расширить диапазон измерения давления, поскольку прогибы упругих стенок на ту же величину, что и ранее, теперь соответствуют более высоким значениям давления.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение в два раза чувствительности датчика устройства к измеряемому давлению, а также возможность измерения существенно больших значений внешнего давления при тех же параметрах датчика устройства.