Датчик давления частотный

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления газообразных сред, в частности, в системах воздушных сигналов летательных аппаратов или системах измерения давления повышенной точности.
Известны частотные датчики давления с чувствительным элементом в виде вибрирующего цилиндра (см. Горенштейн И.А. «Гидростатические частотные датчики первичной информации», Вульвет Дж. «Датчики в цифровых системах», Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.Н. «Датчики контроля и регулирования»), принцип функционирования которых заключается в создании обратной связи и поддержании колебаний чувствительного элемента на определенной гармонике собственных колебаний. При этом частота собственных колебаний чувствительного элемента зависит от измеряемого давления.
Указанные датчики давления имеют дополнительную погрешность измерения, обусловленную влиянием температуры на чувствительный элемент и влиянием плотности измеряемой среды (например, воздух, азот и т.д.) на процесс колебания чувствительного элемента. Одним из способов уменьшения обозначенной дополнительной погрешности измерения является использование в частотном датчике давления дополнительного элемента, чувствительного к температуре или к плотности измеряемой среды, с последующей компенсацией выходного сигнала по информации с дополнительного элемента, например, полезная модель №123 143 «Частотный датчик давления» и полезная модель №159 820 «Частотный датчик давления».
За прототип выбрана полезная модель №159820 «Частотный датчик давления», включающий предварительный преобразователь, вибрирующий чувствительный элемент (вибрирующий цилиндр), схему возбуждения и поддержания колебаний, схему обработки и выдачи сигнала, постоянное запоминающее устройство, (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов, термочувствительный элемент, схему компенсации температурной погрешности и схему компенсации изменения плотности среды.
Недостатком является то, что не решен вопрос влияния температуры на погрешность измерения плотности среды, что не позволяет в полной мере компенсировать влияние плотности среды на измерение давления.
Предварительные результаты показали, что вклад температурной погрешности в сигнал компенсации может достигать 50%, в первую очередь, за счет неоднозначной зависимости выходного сигнала от плотности от температуры.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение погрешности измерения давления сред с различной плотностью.
Технический результат заключается в компенсации влияния плотности измеряемой среды на колебания чувствительного элемента датчика давления частотного.
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкцию датчика давления частотного вводится схема компенсации изменения плотности, по своей конструкции аналогичная модулю давления, что позволяет по отдельности выполнять температурную компенсацию для измерения давления и измерения плотности.
Датчик давления частотный содержит модуль давления и схему компенсации изменения плотности. Модуль давления включает в себя вибрирующий чувствительный элемент, схему обработки и выдачи сигнала, постоянное запоминающее устройство, схему возбуждения и регистрации колебаний, термочувствительный элемент и схему компенсации температурной погрешности. Схема возбуждения и регистрации колебаний в свою очередь состоит из приемника сигналов резонансного контура, усилителя, обратного преобразователя.
В состав схемы компенсации изменения плотности среды введены вибрирующий чувствительный элемент, схема возбуждения и регистрации колебаний, схема обработки и выдачи сигнала, термочувствительный элемент и схема компенсации температурной погрешности.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого датчика давления частотного, где:
1 - вибрирующий чувствительный элемент (вибрирующий цилиндр);
2 - приемник сигналов резонансного контура;
3 - усилитель;
4 - обратный преобразователь;
5 - схема обработки и выдачи сигнала;
6 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов;
7 - схема возбуждения и регистрации колебаний, включающая в себя (2), (3), (4);
8 - модуль давления, включающий в себя (1), (5), (6), (7);
9 - термочувствительный элемент;
10 - схема компенсации температурной погрешности;
11 - схема компенсации изменения плотности среды, включающая в себя:
1' - вибрирующий чувствительный элемент (вибрирующий цилиндр);
2' - приемник сигналов резонансного контура;
3' - усилитель;
4' - обратный преобразователь;
5' - схема обработки и выдачи сигнала;
7' - схема возбуждения и регистрации колебаний, включающая в себя (2'), (3'), (4');
9' - термочувствительный элемент;
10' - схема компенсации температурной погрешности;
11' - схема компенсации температурной погрешности.
Принцип работы предлагаемого датчика давления частотного заключается в следующем: схема возбуждения и регистрации колебаний 7, за счет создания положительной обратной связи поддерживает колебания вибрирующего цилиндра 1 в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего цилиндра зависит от измеряемого давления окружающей среды, которая подается во внутреннюю полость чувствительного элемента: увеличение измеряемого давления приводит к изменению геометрических размеров и жесткости чувствительного элемента, частота собственных колебаний также увеличивается, а за счет положительной обратной связи схемой возбуждения и регистрации колебаний 7 изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь 4 для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего цилиндра в соответствии с резонансной кривой.
Калибровочные коэффициенты, хранящиеся в ПЗУ 6, используются при формировании выходного сигнала частотного датчика давления для приведения в соответствие выходного сигнала измеряемому давлению с учетом нелинейности функции преобразования чувствительного элемента и зависимости измеряемого давления от температуры.
Схема компенсации температурной погрешности 10 преобразует выходной сигнал с термочувствительного элемента 9, в электрический сигнал с учетом нелинейности выходного сигнала термочувствительного элемента и нелинейности изменения частоты собственных колебаний чувствительного элемента от измеряемого давления и температуры. Место установки термочувствительного элемента определяется требованиями к динамическим характеристикам датчика давления, при размещении в непосредственной близости к чувствительному элементу можно добиться минимальной температурной динамической погрешности.
По своей сути элементы 1', 5', 7' (с входящими 2',3',4'), 9', 10' аналогичны элементам 1, 5, 7 (с входящими 2, 3, 4), 9, 10. Разница заключается в том, что окружающая среда, давление которой необходимо измерить, подается одновременно во внутреннюю и внешнюю полости чувствительного элемента. Таким образом, присоединенная масса оказывает влияние на колебания стенок чувствительного элемента, и частота колебаний стенок зависит от плотности измеряемой среды.
Принцип работы схемы 11 аналогичен приведенному ранее принципу работы модуля давления 8 датчика давления частотного. В схеме обработки и выдачи сигнала 6 происходит компенсация в выходном сигнале плотности измеряемой среды с учетом температурной погрешности в схеме компенсации изменения плотности.
Экспериментальные исследования датчика давления частотного показали, что погрешности измерения давления сред с различной плотностью уменьшились на величину, достигающую порядка 30-40%.
В целом, предлагаемое техническое решение позволяет добиться погрешности измерения давления порядка 0.01% при измерении газов различной плотности.