ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения избыточного давления высокотемпературных сред в широком диапазоне его изменения.
Известно устройство для измерения давления, содержащее коаксиальный резонатор, на торце которого расположены два плоских диска, выполняющих 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 С2, 10.01.2004).
Недостатком этого устройства является строгое фиксирование диапазона измерения, что обусловлено имеющей место предельной величиной прогиба мембраны датчика давления.
Известно также устройство (RU 2457451 С2, 27.07.2012), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит датчик в виде коаксиального резонатора, который содержит цилиндрический корпус, стержень, два плоских диска, крышку, воспринимающую измеряемое давление, днище и две петли связи. При этом датчик снабжен дополнительным коаксиальным резонатором с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора, причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, жесткость которой рассчитывается исходя из диапазона измеряемого давления и жесткости крышки первого резонатора.
Недостатком устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная предельной величиной прогиба деформируемой крышки, воспринимающей измеряемое давление. Если давление превышает предельное значение, связанное с максимальным прогибом крышки, то устройство становится неработоспособным.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей датчика давления за счет расширения диапазона измерения давления, повышение его чувствительности.
Технический результат достигается тем, что датчик давления выполнен в виде совокупности первого коаксиального резонатора, содержащего цилиндрический корпус, соосный с ним стержень, к которому на одном из его торцов подсоединен плоский диск, установленный перпендикулярно продольной оси стержня и образующий первый конденсатор с другим аналогичным, параллельным ему, плоским диском, соединенным другим стержнем с параллельной ему деформируемой крышкой на одном торце цилиндрического корпуса, воспринимающей измеряемое давление, к другому торцу стержня подсоединено днище на другом торце цилиндрического корпуса, и две петли связи, и второго коаксиального резонатора с аналогичными элементами первого коаксиального резонатора (корпус, соосный с ним стержень, два плоских диска и две петли связи), причем корпуса обоих резонаторов выполнены заодно, а днище первого резонатора является крышкой второго резонатора, при этом что стержень второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск, идентичный первому плоскому диску, оба этих диска установлены перпендикулярно продольной оси этого стержня и каждый из них образует конденсатор с параллельной им указанной деформируемой крышкой второго резонатора.
Устройство поясняется чертежом, изображающим схему устройства.
На нем показаны: корпус 1, крышка 2, днище 3, стержни 4 и 5, элементы связи 6, 7, 8 и 9, диски 10, 11, 12, 13 и 14, днище 15, стержень 16.
Устройство работает следующим образом.
Корпус 1, крышка 2, днище 3 и стержень 4 образуют первый коаксиальный резонатор, внутри которого на стержне 4 закреплен диск 10, образующий с параллельным ему диском 11 электрическую емкость (конденсатор), плоская мембрана крышки 2 воспринимает измеряемое давление и перемещает диск 11, элементы связи 6 и 7 служат для подвода и съема электромагнитной энергии. Корпус 1, днище 15, П-образный стержень 5 образуют второй (дополнительный) коаксиальный резонатор совместно с параллельными дисками 12, 13 и 14; элементы связи 8 и 9 служат для подвода и съема электромагнитной энергии в дополнительном резонаторе.
н1
н1
Под воздействием измеряемого давления Р плоская мембрана крышки 2 деформируется и диск 11 перемещается. Электрическая емкость С конденсатора первого резонатора изменяется; соответственно этому изменяется резонансная частота электромагнитных колебаний датчика. Подключение электрической емкости С эквивалентно удлинению разомкнутого на этом конце отрезка длинной линии на величину , равную (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С. 18-19)
8
0
p1
н1
где ƒ - частота, c - скорость света (3⋅10 м/с), W - волновое сопротивление длинной линии. Поэтому резонансная (собственная) частота ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, на одном конце которого подключена емкость С, равна
где  - длина отрезка длинной линии (длина стержня 4).
p1
н1
Резонансная частота ƒ первого коаксиального резонатора зависит величины электрической емкости С, которая, в свою очередь, зависит от геометрических параметров резонатора и величины зазора между дисками 10 и 11, который функционально связан с измеряемым давлением (RU 2457451 С2, 27.07.2012):
1
1
где D - диаметр каждого из дисков 10 и 11, Δ - зазор между дисками 10 и 11.
max
1
max
max
p2
При измеряемом давлении, равном P, являющимся предельным для первого резонатора, этот резонатор перестает работать, так как зазор Δ между дисками 10 и 11 становится разным нулю. При дальнейшем увеличении измеряемого давления Р, то есть при Р>P - превышении значения Р предельного значения P, стержень 4 начинает прогибать днище 3. Тогда диск 12, перемещаясь, уменьшает зазор между дисками 12 и 13, что приводит, к изменению электрической емкости конденсатора второго (дополнительного) резонатора. Следовательно, резонансная частота ƒ второго резонатора также будет изменяться.
н2
max
В данном устройстве стержень 5 второго резонатора выполнен П-образным и содержит подсоединенный к его второму торцу второй плоский диск 14, идентичный первому плоскому диску 13, подсоединенному к первому торцу стержня 5. Оба этих диска 13 и 14 установлены перпендикулярно продольной оси стержня 5, и каждый из них образует конденсатор - электрическую емкость С (будем считать эти электрические емкости одинаковыми, что непринципиально) с параллельным им диском 12, соединенным с днищем 3 - деформируемой крышкой второго резонатора при Р>P.
н2
p2
Эти электрические емкости С являются оконечными реактивными (емкостными) нагрузками второго коаксиального резонатора. С помощью элементов связи 8 и 9 второй коаксиальный резонатор соединен с электронным блоком, служащим для возбуждения электромагнитных колебаний в этом резонаторе и измерения его резонансной частоты ƒ. Элементы связи 8 и 9, как и элементы связи 6 и 7, могут быть, в частности, выполнены, как показано на чертеже, в виде петель связи (магнитных элементов связи). Во втором коаксиальном резонаторе с П-образным внутренним проводником (стержнем 5) на его концах с электрическими емкостями, образуемыми диском 12 и каждым из дисков 13 и 14, имеются максимумы значений напряженности электрического поля стоячей волны, в то время как в центральной области этого резонатора - там, где имеет место изгиб внутреннего проводника, - электрическое поле стоячей волны отсутствует, а магнитное поле имеет максимальное значение. Поэтому подсоединение металлического стержня 16 накоротко одним концом к стержню 5 в середине его длины (там, где электрическое поле стоячей волны отсутствует) и другим концом к днищу 15, что обеспечивает его жесткую конструкцию, не влияет практически на распределение электрического и магнитного полей стоячей волны во втором резонаторе.
max
2
н2
В зависимости от величины внешнего измеряемого давления Р, при Р>P изменяется величина прогиба деформируемой крышки второго резонатора - днищем 3. При этом изменяется зазор Δ - расстояние между диском 12 и каждым из дисков 13 и 14, и, как следствие, величины электрической емкости С - реактивной (емкостной) нагрузки на каждом торце второго коаксиального резонатора (отрезка коаксиальной длинной линии).
н2
н1
p1
Покажем, что при подключении к обоим торцам второго коаксиального резонатора нагрузочных сопротивлений в виде сосредоточенных электрических емкостей С, имеет место увеличение чувствительности к величине измеряемого зазора по сравнению с коаксиальным резонатором, имеющем нагрузочное сопротивление - электрическую емкость С лишь на одном торце. Последнее имеет место в случае первого коаксиального резонатора, рассмотренного выше, для которого справедливо соотношение (2) для его резонансной частоты ƒ.
н2
Подключение на каждом конце коаксиального резонатора (отрезка длинной линии) электрической емкости С эквивалентно удлинению каждого, разомкнутого на этом конце, отрезка длинной линии на величину , равную (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С. 18-19)
8
0
p2
н2
где ƒ - частота, с - скорость света (3⋅10 м/с), W - волновое сопротивление длинной линии. При этом эквивалентная длина отрезка коаксиальной длинной линии, разомкнутого, на обоих концах, есть , где  - длина самого отрезка коаксиальной длинной линии с П-образным внутренним проводником (длина П-образного стрежня 5). Поэтому резонансная (собственная) частота ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, на каждом из двух концов которого подключена емкость С, равна
н2
н20
н2
н20
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 (вторым коаксиальным резонатором) в устройстве-прототипе, где "рабочим" является только один торец соответствующего резонатора. В этом случае для коаксиального резонатора с подключенными к его концам емкостями С и С резонансная частота рассчитывается так:
2
где Δ - измеряемый зазор, которым является расстояние между диском 12 и каждым из дисков 13 и 14, соответствующее прогибу деформируемой крышки (мембраны) второго резонатора.
н2
p2
При наличии двух "рабочих" торцевых емкостей С на концах такого отрезка длинной линии значение резонансной частоты ƒ будет равным
При n=1 в формулах (5), (6) и (7) отрезок длинной линии является полуволновым, разомкнутым на обоих концах. 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 (6) и (7) можно получить формулы для расчета значений Sи S чувствительности устройств (датчиков давления) с одним или двумя "рабочими" концами отрезка длинной линии:
0
p20
0
p2
0
0
Сравнивая (8) и (9) с учетом того, что начальное значение резонансной частоты для обоих устройств (с одним и двумя "рабочими" концами отрезка длинной линии) при некотором номинальном значении Δ измеряемого параметра (зазора) одна и та же (ƒ(Δ)=ƒ(Δ)), получим: S=2S. Подобное соотношение имеет место в реальном диапазоне изменения зазора при деформации мембраны (деформируемой крышки второго резонатора днища 3) датчика давления. Следовательно, чувствительность предлагаемого устройства - датчика давления - 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. Деформируемые крышки (мембраны) могут быть изготовлены из различных металлов, например, элинвара (RU 2221228 С2, 10.01.2004). Величина прогиба мембраны выражается следующей формулой (US 3927369 А, 16.12.1975):
a
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.
В качестве материала для мембраны допустимо выбрать нержавеющую сталь. Толщина мембраны может составлять 0,1÷0,3 мм, а ее диаметр 10÷40 мм. Формула (10) выражает максимальную величину деформации в центре мембраны.
При использовании двух чувствительных элементов - оконечных электрических емкостей на обоих концах коаксиального резонатора с П-образным внутренним проводником - одному и тому же изменению давления соответствует вдвое большее изменение резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора, то есть имеет место повышение чувствительности данного устройства - датчика давления.
a
Кроме того, в этом устройстве с двумя торцевыми электрическими емкостями на концах коаксиального резонатора с П-образным внутренним проводником одно и то же давление Р может быть измерено при вдвое меньшей величине прогиба деформируемой крышки второго резонатора (мембраны), чем в случае устройства с одной такой электрической емкостью. Во-первых, это позволяет не предъявлять столь жестких требований к этим параметрам (размерам  и d, модулю упругости Е) мембраны; во-вторых, дает возможность расширить диапазон измерения давления, превышающего значения, предельные для деформируемой крышки первого резонатора, поскольку прогибы упругих стенок на ту же величину, что и ранее, теперь соответствуют более высоким значениям давления.
Таким образом, предлагаемое устройство - датчик давления - характеризуется повышение в два раза чувствительностью к измеряемому давлению, а также возможностью измерения больших, превышающих предельные для деформируемой крышки первого резонатора, значений внешнего давления при менее жестких требованиях к параметрам деформируемой крышки второго резонатора датчика, возможностью измерения существенно больших значений внешнего давления при тех же параметрах деформируемой крышки второго резонатора датчика.