ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в системах измерения давления повышенной точности.
Известен виброчастотный датчик давления (патент РФ №1729199), содержащий цилиндрический резонатор с тонкостенным рабочим участком, фланцем и дном, который заключен в цилиндрический корпус, герметично соединенный с фланцем резонатора. Электромагнитные катушки возбуждения и измерительные катушки закреплены в корпусе с зазором относительно резонатора. На цилиндрической поверхности корпуса в его средней части по периметру выполнена впадина прямоугольного сечения, которая образует в сторону резонатора углубление с тонкостенным дном. Электромагнитные катушки возбуждения и измерительные катушки расположены на дне углубления и заключены во введенный в датчик сепаратор, который расположен снаружи корпуса и снабжен стопорным устройством. Корпус выполнен из немагнитного материала.
Недостатком данного датчика является технологическая сложность изготовления и наличие относительно большого зазора между резонатором и электромагнитными катушками, что влечет за собой появление больших полей рассеяния и, как следствие, низкую помехоустойчивость, особенно при повышенных температурах, когда из-за низкой точки Кюри материала, из которого изготавливается резонатор, резко уменьшается величина полезного сигнала.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение температурного диапазона работы датчика и повышение помехоустойчивости.
Достигается это за счет того, что в датчике первое кольцо закреплено на внутренней поверхности корпуса через введенную первую кольцевую прокладку, выполненную из немагнитного материала, при этом внутренний диаметр кольца находится в пределах от 1,05 до 1,11 диаметра резонатора. Также датчик снабжен вторым кольцом, идентичным по конструкции первому кольцу, расположенным напротив полюсов электромагнита системы возбуждения в одной с ними плоскости снаружи резонатора и закрепленным на внутренней поверхности корпуса через введенную вторую кольцевую прокладку, идентичную первой прокладке.
На фиг.1 приведена конструкция датчика.
На фиг.2 изображена зависимость амплитуды выходного сигнала от соотношения диаметров колец и резонатора.
Виброчастотный датчик давления содержит тонкостенный цилиндрический резонатор 1 и расположенный внутри него стержень 2 с электромагнитными катушками 3 и 4 системы возбуждения и регистрации колебаний соответственно. Резонатор 1 заключен в цилиндрический корпус 5 из магнитомягкого материала, между ними образована герметичная полость 6 опорного давления (вакуума). Напротив полюсов электромагнита 4 системы регистрации колебаний в одной с ними плоскости расположено кольцо 7 из магнитного материала с высокой точкой Кюри, которое закреплено на корпусе 5 с помощью прокладки 8 из немагнитного материала. Такое же кольцо 7 может быть расположено в плоскости полюсов электромагнита 3 системы возбуждения колебаний, также закрепленное на корпусе через соответствующую немагнитную прокладку 8.
Рабочая полость 9 у датчика между резонатором 1 и стержнем 2 сообщается с входным штуцером 10.
Датчик работает следующим образом. С помощью электромагнитных катушек 3 и 4 системы возбуждения и регистрации колебаний возбуждаются и поддерживаются колебания стенок резонатора 1 на частоте его собственного резонанса. Измеряемое давление через штуцер 10 поступает в измерительную полость 9 и, воздействуя на резонатор 1, меняет его резонансную частоту, величина которой и является выходным параметром датчика.
Замыкание магнитного поля катушек 3 и 4 осуществляется частично через стенки резонатора 1 частично через кольца 7, большую долю составляют также поля рассеяния, что объясняется тем, что из-за малой толщины стенок (40-70 мкм) резонатор обладает достаточно большим сопротивлением магнитному потоку, существующему между полюсами каждой электромагнитной катушки.
Экспериментальные исследования показали, что эффективность работы электромагнитных катушек в сильной степени зависит от соотношения диаметров резонатора и колец, как это показано на фиг.2.
1
Существует оптимальная величина отношения диаметра кольца D к диаметру резонатора D, при которой достигается максимальная эффективность работы катушек, выражающаяся в увеличении полезного выходного сигнала U на катушке регистрации колебаний. При уменьшении или увеличении этой величины эффективность работы катушек ухудшается. Объяснить это можно следующим образом. При увеличении зазора между резонатором и кольцами происходит увеличение суммарного сопротивления для магнитного потока между полюсами катушек, увеличивается доля полей рассеяния, поэтому уменьшается и величина этого потока, следовательно, и его полезная доля, замыкающаяся через стенки резонатора. При приближении колец, т.е. при уменьшении зазора между ними и резонатором, уменьшается сопротивление магнитному потоку, увеличивается его величина, следовательно, и полезная составляющая, замыкающаяся через резонатор. Однако, начиная с определенной величины зазора, процесс роста полезного сигнала прекращается и дальнейшее сокращение зазора ведет уже к его уменьшению из-за того, что все большая доля магнитного потока замыкается через кольца, имеющие благодаря своей большой толщине меньшее магнитное сопротивление, чем резонатор. Доля магнитного потока, замыкающаяся через резонатор, уменьшается.
1
Приняв за критерий оптимальной величины эффективности работы катушек уровень 0,7 от максимально возможного, по аналогии полосе пропускания электрических или электромеханических фильтров, у которых эта величина составляет , экспериментально было определено, что оптимальное отношение внутреннего диаметра колец D к диаметру резонатора D должно находиться в пределах от 1,05 до 1,11.
В описываемом датчике корпус выполняет роль экрана, а кольца, отделенные от него прокладками из немагнитного материала, служат только для повышения эффективности работы электромагнитных катушек. Благодаря этому удается в несколько раз улучшить соотношение сигнал-помеха, что особенно важно при малой величине полезного сигнала, имеющей место при повышенной рабочей температуре, когда начинает размагничиваться материал, из которого сделан резонатор. Для уменьшения зависимости полезного сигнала от температуры, материал, из которого изготавливаются кольца, должен иметь точку Кюри значительно выше, чем у материала резонатора.
Имеется и еще одно важное преимущество. Магнитные поля каждой электромагнитной катушки замыкаются через разные кольца и поэтому уменьшается их влияние друг на друга, что дополнительно улучшает соотношение сигнал-помеха и позволяет сблизить их геометрически и расположить в центральной части резонатора, там, где амплитуда колебаний его стенок выше. За счет этого их эффективность еще более улучшается.
К тому же система возбуждения и регистрации колебаний будет в лучшей степени настроена на возбуждение низшей (рабочей) формы колебаний резонатора, когда вдоль его образующей имеет место одна полуволна, и в меньшей степени на возбуждение более высоких форм колебаний, имеющих 2, 3 и более полуволн.
Заявляемый датчик давления позволяет: повысить величину полезного сигнала, в несколько раз улучшить соотношение сигнал-помеха (в том числе и при повышенной температуре), повысить избирательность системы возбуждения и регистрации колебаний на возбуждение низшей (рабочей) формы колебаний резонатора. Итогом является увеличение температурного диапазона работы датчика и повышение помехоустойчивости.