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 (US 3927369 А, 31.01.1973), которое 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 является достаточно высокая сложность его реализации, обусловленная применением объемного СВЧ-резонатора в качестве чувствительного элемента. При этом необходимо наличие, в конструкции устройства функциональных элементов для требуемого измерения с высокой точностью значения резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора.
Известно также устройство (RU 2586388 С1, 10.06.2016), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит металлическую полость в виде предельного волновода с одной упругой торцевой стенкой. Для такого волновода частота возбуждаемых в нем электромагнитных волн выбрана ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн. Предельный волновод соединен с помощью элемента возбуждения электромагнитных колебаний с генератором электромагнитных колебаний фиксированной частоты и с помощью элемента съема электромагнитных колебаний - с детектором, выходом соединенным с регистратором.
Недостатком этого устройства-прототипа является ограниченная область применения и недостаточная чувствительность, обусловленные предельной величиной прогиба деформируемой торцевой стенки волновода. Начиная с некоторых значений измеряемого давления данное устройство становится неработоспособным.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение границ применения устройства и повышение его чувствительности.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения давления, содержащем металлическую полость в виде предельного волновода, для которого частота возбуждаемых в нем электромагнитных волн выбрана ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн, с одной упругой торцевой стенкой, соединенного с помощью элемента возбуждения электромагнитных колебаний с генератором электромагнитных колебаний фиксированной частоты и с помощью элемента съема электромагнитных колебаний - с детектором, выходом соединенным с регистратором, предельный волновод выполнен П-образным, у которого другая торцевая стенка выполнена упругой, а элемент возбуждения электромагнитных колебаний и элемент съема электромагнитных колебаний расположены в центральной части П-образного предельного волновода.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства.
На фиг. 2 приведена схема датчика устройства.
На чертежах показаны волновод 1, упругая торцевая стенка 2, упругая торцевая стенка 3, элементы связи 4 и 5, генератор электромагнитных колебаний 6, детектор 7, регистратор 8.
Устройство работает следующим образом.
В данном устройстве чувствительный элемент в виде предельного волновода 1 имеет на одном из его торцов упругую торцевую стенку 2, в частности мембрану, а на другом его торце - упругую торцевую стенку 3. 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 упругих торцевых стенок 2 и 3 предельного волновода 1, обеспечивается восприятие значения соответствующего давления P (за счет измерения величины прогиба каждой упругой торцевой стенки).
Информативным параметром в данном устройстве является амплитуда  ослабеваемых электромагнитных волн в предельном волноводе 1, где  - величина прогиба каждой мембраны (которые будем рассматривать идентичными, что принципиально не обязательно), точнее, ее центральной части относительно ее исходного положения, соответствующего отсутствию воздействия извне физической величины (или изменения этого воздействия относительно его некоторого исходного значения).
кр
В предлагаемом устройстве осуществляют возбуждение электромагнитных волн в волноводе 1 на частоте, которая ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн, то есть ниже критической частоты ƒ, 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: ƒ>ƒ, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒ для волны низшего типа, в частности, в круглом волноводе - для волны типа H. Для волн типа H будем иметь ƒ=2с/3,41 D где D - диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. С. 78-94). При ƒ<ƒ 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; ω=2πƒ; ε и μ - соответственно, диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, с - скорость света.
кр
Выбирая соотношение между ƒ и ƒ, можно управлять величиной ослабления α в предельном волноводе.
кр
Отметим, что при ƒ<<ƒ 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 предельном волноводе 1 с гибкими металлическими мембранами 2 и 3 на его торцах возбуждают через элемент связи 4, расположенный в центральной части предельного волновода 1, с помощью генератора электромагнитных колебаний 6 электромагнитные волны (реактивное электромагнитное поле) на фиксированной частоте ƒ, которая выбрана ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн - меньшей критической частоты ƒ для этого предельного волновода 1 (фиг. 1).
Напряженность электрического поля Е и магнитного поля H при удалении от элемента связи 4 спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Е (и Н) зависит от величины прогиба  обеих торцевых мембран 2 и 3 волновода 1. В центральной части предельного волновода 1 (фиг. 1) принимаемые сигналы поступают через элемент связи 5, расположенный, как и элемент связи 4, в центральной части предельного волновода 1, на детектор 7. Затем про детектированный сигнал поступает на регистратор 8 для определения амплитуды  сигнала, служащего информативным параметром.
Выражение для E(z) должно учитывать распространение ослабеваемых электромагнитных волн (реактивного электромагнитного поля) вдоль предельного волновода 1, а также и их отражение от его соответствующего торца - гибкой торцевой мембраны 2 и гибкой торцевой мембраны 3.
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 4, где z=0;  - расстояние, отсчитываемое от элемента связи 4. Величина коэффициента α определяется соотношением (2).
0
Величина  определяется суммарной степенью прогиба гибкой мембраны 2 и гибкой мембраны 3 в местах их расположения и, следовательно, зависит от давления , где  - величина прогиба каждой мембраны;  - значение  при нулевом прогибе каждой мембраны, т.е.  при Р=Р=0. Отметим, что в устройстве-прототипе, где имеется всего одна упругая торцевая стенка (мембрана),
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.
0
Из соотношений (3) и (4) следуют выражения для значений S и S чувствительности устройств с, соответственно, одним и двумя "рабочими" концами предельного волновода:
0
0
0
0
0
0
Сравнивая (5) и (6) с учетом того, что начальное значение резонансной частоты для обоих устройств (с одним и двумя "рабочими" торцами предельного волновода) при номинальном значении Р(0)=Р=0 измеряемого параметра одна и та же (S(P)=S(P)), получим: S=2 S при х; подобное соотношение имеет место в реальном диапазоне изменения Р при деформации упругих торцевых стенок (мембран) датчика устройства. Следовательно, чувствительность предлагаемого устройства к измеряемому давлению в два раза выше чувствительности устройства с одним "рабочим" концом предельного волновода, соответствующего устройству-прототипу.
На фиг. 2 приведен датчик рассматриваемого устройства в виде предельного волновода П-образной формы, у которого упругие торцевые стенки 2 и 3 расположены на одной плоскости, перпендикулярной оси волновода 1. В этом случае устройство воспринимает давление с одной стороны, что часто имеет место на практике.
Величина прогиба деформируемой торцевой стенки (мембраны) выражается следующей формулой (US 3927369 А, 31.01.1973):
а
где ΔР - разность давлений с внешней и внутренней сторон мембраны,  - радиус цилиндрической мембраны, d - ее толщина, Е - модуль упругости конкретного материала, из которого изготовлена мембрана. Формула (7) 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 С2, 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 на каждом из двух его торцов, 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 ƒ 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 выполнения предельного волновода П-образным, у которого каждая из двух торцевых стенок выполнена упругой, а элемент возбуждения электромагнитных колебаний и элемент съема электромагнитных колебаний расположены в центральной части П-образного предельного волновода, обеспечивается технический результат настоящего изобретения - расширение границ применения устройства и повышение его чувствительности. Такое устройство может иметь применение для измерения давления и других физических величин.