ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения воздушных давлений в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.
Известен частотный датчик давления ДВБЧ-У 6Г2.320.463 [1], серийно выпускаемый ОАО «УТЕС» г.Ульяновск, принятый за прототип.
Частотный датчик давления ДВБЧ-У (фиг.1) содержит модуль давления 1, состоящий из предварительного преобразователя 2, вибрирующего чувствительного элемента 3, схемы обработки и выдачи сигнала 4, постоянного запоминающего устройства 5 (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов, схемы возбуждения и поддержания колебаний 6, включающей в себя приемник сигналов резонансного контура 7, усилитель 8, обратный преобразователь 9, термостат 10.
Известный датчик работает в режиме автоколебаний [2].
Измеряемое давление поступает на предварительный преобразователь 2, входящий в модуль давления 1, далее на вибрирующий чувствительный элемент 3. Затем давление, преобразованное в электрический сигнал в виде переменного напряжения, поступает в схему возбуждения и поддержания колебаний 6, состоящую из приемника сигналов резонансного контура 7, усилителя 8 и обратного преобразователя 9. За счет создания положительной обратной связи она поддерживает колебания вибрирующего чувствительного элемента 3 в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента зависит от измеряемого давления. Далее сигнал поступает в схему обработки и выдачи сигнала 4, куда поступают калибровочные коэффициенты, хранящиеся в ПЗУ 5, используемые при формировании выходного сигнала частотного датчика давления для приведения в соответствие выходного сигнала измеряемому давлению с учетом нелинейности функции преобразования вибрирующего чувствительного элемента. Для поддержания постоянной температуры датчика используют термостат 10.
Увеличение измеряемого давления приводит к изменению геометрических размеров и жесткости вибрирующего чувствительного элемента, частота собственных колебаний также увеличивается, а за счет положительной обратной связи схемой возбуждения и поддержания колебаний 6 изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь 9 для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего чувствительного элемента в соответствии с резонансной кривой.
В установившемся режиме частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента изменяется от измеряемого давления по следующей зависимости [3]:
,
2
где E - модуль упругости материала вибрирующего чувствительного элемента; m - приведенная масса в кг; δ - толщина стенки вибрирующего чувствительного элемента в см (характерный размер 0.01-0.03 см); l - длина вибрирующего чувствительного элемента в см (характерный размер 3-5 см); b - диаметр вибрирующего чувствительного элемента в см (характерный размер 1,5-2 см); P - измеряемое давление в кг/см.
Однако при изменении температуры от номинальной происходит изменение рабочей резонансной кривой и работа схемы возбуждения и поддержания колебаний 6 происходит по измененной резонансной кривой. Это и вызывает появление температурной погрешности, которая достигает для известного датчика 30%, что является недопустимым при использовании в прецизионных измерителях давления.
Наибольший вклад в аддитивную температурную погрешность вносит изменение геометрических размеров вибрирующего чувствительного элемента в силу наличия температурного коэффициента линейного расширения, присущего любому материалу. Основным источником мультипликативной температурной погрешности является изменение модуля упругости первого рода (для анизотропного материала, например, монокристаллического кремния - изменение коэффициентов упругости кристаллической решетки).
Для уменьшения температурной погрешности в известном датчике применено термостатирование.
Однако для термостатирования характерно повышенное потребление электрической мощности, а также увеличенное время готовности датчика, что во многих случаях является неприемлемым.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение температурной погрешности частотного датчика давления за счет введения термочувствительного элемента и схемы компенсации температурной погрешности в известный частотный датчик давления, снижение потребляемой мощности и уменьшение габаритно-массовых характеристик за счет исключения термостата, а также снижение времени готовности датчика.
Технический результат заключается в уменьшении температурной погрешности частотного датчика давления, а также снижении потребляемой мощности и уменьшении габаритно-массовых характеристик, снижении времени готовности датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что термостат, используемый для уменьшения температурной погрешности, исключается, а в частотный датчик давления вводятся термочувствительный элемент и схема компенсации температурной погрешности, причем термочувствительный элемент расположен на входе модуля давления. Такое расположение обеспечивает максимально достоверную информацию о температуре вибрирующего чувствительного элемента модуля.
На фиг.1 представлена структурная схема частотного датчика давления, принятого за прототип.
На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого частотного датчика давления, где
1 - модуль давления,
2 - предварительный преобразователь,
3 - вибрирующий чувствительный элемент,
4 - схема обработки и выдачи сигнала,
5 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ),
6 - схема возбуждения и поддержания колебаний,
7 - приемник сигналов резонансного контура,
8 - усилитель,
9 - обратный преобразователь,
10 - термочувствительный элемент,
11 - схема компенсации температурной погрешности.
На фиг.3 представлены графики аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности прототипа и предлагаемого частотного датчика давления.
На фиг.4 представлены графики изменения температуры в различных регистрируемых местах расположения во времени, где
1 - график изменения температуры при соединении термочувствительного элемента с предварительным преобразователем,
2 - график изменения температуры при соединении термочувствительного элемента с обратным преобразователем,
3 - график изменения температуры при соединении термочувствительного элемента со схемой обработки и выдачи сигнала.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Измеряемое давление поступает на предварительный преобразователь 2, входящий в модуль давления 1 и являющийся одновременно входом модуля давления, далее на вибрирующий чувствительный элемент 3. Затем давление, преобразованное в электрический сигнал в виде переменного напряжения, поступает в схему возбуждения и поддержания колебаний 6, состоящую из приемника сигналов резонансного контура 7, усилителя 8 и обратного преобразователя 9. За счет создания положительной обратной связи она поддерживает колебания вибрирующего чувствительного элемента 3 в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента зависит от измеряемого давления. Далее сигнал поступает в схему обработки и выдачи сигнала 4.
Схема компенсации температурной погрешности 11 преобразует выходной сигнал с термочувствительного элемента 10, взаимодействующего с предварительным преобразователем 2, в электрический сигнал с учетом нелинейности выходного сигнала термочувствительного элемента и нелинейности изменения частоты собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 от измеряемого давления и температуры. Далее сигнал поступает в схему обработки и выдачи сигнала 4, куда поступают калибровочные коэффициенты, хранящиеся в ПЗУ 5, используемые при формировании выходного сигнала частотного датчика давления для приведения в соответствие выходного сигнала измеряемому давлению с учетом нелинейности функции преобразования вибрирующего чувствительного элемента.
Увеличение измеряемого давления приводит к изменению геометрических размеров и жесткости вибрирующего чувствительного элемента, частота собственных колебаний также увеличивается, а за счет положительной обратной связи схемой возбуждения и поддержания колебаний 6 изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь 9 для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего чувствительного элемента в соответствии с резонансной кривой.
На фиг.3 видно, что аддитивная и мультипликативная составляющие температурной погрешности меньше у предлагаемого датчика приблизительно на 20% при крайних значениях рабочей температуры, чем у прототипа.
Проведенные экспериментальные исследования и математическое моделирование выявили места расположения термочувствительного элемента в датчике, в которых в динамических режимах температура наиболее близка к температуре вибрирующего чувствительного элемента и наблюдается наименьшее динамическое запаздывание при изменении температуры (фиг.4, кривая 1), для сравнения на фиг.4 приведены графики изменения температуры в других местах расположения термочувствительного элемента. Тогда установка термочувствительного элемента 10 на входе модуля давления (при соединении термочувствительного элемента с предварительным преобразователем) позволяет повысить достоверность измерения температуры и уменьшить температурную погрешность в динамических режимах.
Испытания подтвердили эффективность введения в частотный датчик давления термочувствительного элемента и схемы компенсации температурной погрешности. Величина температурной погрешности снизилась приблизительно на 20%. За счет исключения термостата масса частотного датчика давления снижена на 50%, потребляемая мощность снижена в 2.5 раза, время готовности уменьшено в 6 раз.
Источники информации:
1 Датчик высоты барометрической частотный унифицированный ДВБЧ-У 6Г2.320.463 ПС, 6Г2.320.463 ТУ, ОАО «УТЕС», г.Ульяновск.
2 Боднер В.А. «Приборы первичной информации» - М. Машиностроение, 1981.
3 Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.Н. «Датчики контроля и регулирования» - М. Машиностроение, 1965.