ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения воздушных давлений в системах воздушных сигналов летательных аппаратов.
Известны частотные датчики давления с вибрирующим цилиндром, принцип работы которых в режиме автоколебаний подробно описан в книгах Боднер В.А. «Приборы первичной информации: Учебник для авиационных вузов». - М.: Машиностроение, 1981 г., Клюев Г.И. и др. «Авиационные приборы и системы» УлГТУ, 2000 г., Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.Н. «Датчики контроля и регулирования». -М.: Машиностроение, 1965 г.
В данных частотных датчиках давления схема возбуждения и регистрации колебаний, за счет создания положительной обратной связи поддерживает колебания вибрирующего цилиндра в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего цилиндра зависит от измеряемого давления: 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 изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего цилиндра в соответствии с резонансной кривой.
В установившемся режиме частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента (вибрирующего цилиндра) изменяется от измеряемого давления по следующей зависимости:
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);
2
Р - измеряемое давление в кг/см.
Однако при изменении температуры от номинальной происходит изменение рабочей резонансной кривой и работа схемы возбуждения и регистрации колебаний происходит по измененной резонансной кривой. Это и вызывает появление температурной погрешности, которая достигает 30% от измеряемой величины для данного датчика, что является недопустимым при использовании в прецизионных измерителях давления. Внедрение в конструкцию преобразователя термочувствительного элемента с последующей компенсацией выходного сигнала по информации о температуре позволяет уменьшить температурную погрешность, что описано в патенте №123143 РФ МПК: G01L 11/00 «Частотный датчик давления» от 06.06.2012 г., взятом за прототип и содержащим модуль давления, состоящий из предварительного преобразователя, вибрирующего чувствительного элемента, схемы обработки и выдачи сигнала, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов, схемы возбуждения и регистрации колебаний, включающей в себя приемник сигналов резонансного контура, усилитель, обратный преобразователь, термочувствительный элемент, схему компенсации температурной погрешности.
3
3
Известно, что частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента также зависит от плотности среды, давление которой необходимо измерить. В известном частотном датчике погрешность измерения давления в зависимости от плотности среды изменяется в диапазоне от 1,225 кг/м до 0,195 кг/м, что соответствует изменению высоты полета от О км до 15 км (ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры»), что достигает 10% от измеряемой величины давления.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание частотного датчика давления с повышенной точностью измерения давления.
Технический результат заключается в повышении точности измерения давления.
Указанный технический результат достигается тем, что частотный датчик давления содержит модуль давления, включающий в себя предварительный преобразователь, вибрирующий чувствительный элемент (вибрирующий цилиндр), схему обработки и выдачи сигнала, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения калибровочных коэффициентов, схему возбуждения и регистрации колебаний, содержащую приемник сигналов резонансного контура, усилитель, обратный преобразователь, термочувствительный элемент, схему компенсации температурной погрешности, первичный преобразователь, схему компенсации изменения плотности среды.
Особенностью заявляемого технического решения является то, что в частотный датчик давления вводится схема компенсации изменения плотности среды, которая чувствительна к изменению плотности измеряемой среды.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого частотного датчика давления, где
1 - модуль давления, содержащий
2 - предварительный преобразователь,
3 - вибрирующий чувствительный элемент,
4 - схему обработки и выдачи сигнала,
5 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ),
6 - схему возбуждения и регистрации колебаний, содержащую
7 - приемник сигналов резонансного контура,
8 - усилитель,
9 - обратный преобразователь,
10 - термочувствительный элемент,
11 - схема компенсации температурной погрешности.
12 - первичный преобразователь,
13 - схема компенсации изменения плотности среды.
На фиг. 2 представлены графики изменения относительной погрешности, вызванной изменением плотности измеряемой среды прототипа и предлагаемого частотного датчика давления.
Предлагаемый частотный датчик давления содержит модуль давления 1 включающий в себя предварительный преобразователь 2, вибрирующий чувствительный элемент 3, схему обработки и выдачи сигнала 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, схему возбуждения и регистрации колебаний 6, состоящую из приемника сигналов резонансного контура 7, усилителя 8, обратного преобразователя 9, термочувствительный элемент 10, схему компенсации температурной погрешности 11, первичный преобразователь 12, схему компенсации изменения плотности среды 13.
Работа предлагаемого частотного датчика происходит следующим образом. Модуль давления 1, содержащий схему возбуждения и регистрации колебаний 6, за счет создания положительной обратной связи поддерживает колебания вибрирующего чувствительного элемента 3 в резонансе на определенной гармонике, причем частота собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 зависит от измеряемого давления: увеличение измеряемого давления приводит к изменению геометрических размеров и жесткости вибрирующего чувствительного элемента 3, частота собственных колебаний также увеличивается, а за счет положительной обратной связи схемой возбуждения и регистрации колебаний 6 изменяется частота возбуждения через обратный преобразователь 9 для получения максимальной амплитуды колебаний стенок вибрирующего чувствительного элемента 3 в соответствии с резонансной кривой.
Калибровочные коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве 5, используются при формировании выходного сигнала частотного датчика давления для приведения в соответствие выходного сигнала измеряемому давлению с учетом нелинейности функции преобразования чувствительного элемента.
Схема компенсации температурной погрешности 11 преобразует выходной сигнал с термочувствительного элемента 10, в электрический сигнал с учетом нелинейности выходного сигнала термочувствительного элемента 10 и нелинейности изменения частоты собственных колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 от измеряемого давления и температуры, используя калибровочные коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве 5.
В качестве первичного преобразователя 12 для схемы компенсации изменения плотности среды 13 предпочтительным является конденсатор, величина емкости которого определяется в соответствии с выражением (для плоского конденсатора), приведенным в книге Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. «Измерительная техника»: Учебное пособие для технических вузов.- М.: Высш. шк., 1991 г.:
где С - величина емкости, Ф;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость;
0
-12
ε - электрическая постоянная, равная 8.86·10 Ф/м;
2
S - площадь обкладок, м;
d - расстояние между обкладками, м.
Для воздуха диэлектрическая проницаемость ε при нормальных условиях равна 1,00058. При давлении 4 МПа проницаемость возрастает до величины 1,0218.
В соответствии с ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры» плотность воздуха меняется в соответствии со следующим выражением:
3
где ρ - плотность, кг/м;
P - давление, Па;
R - удельная газовая постоянная, равная 287,05287 Дж/(кг·К);
Т - температура, К.
Таким образом, изменение плотности воздуха приводит к изменению количества молекул, приходящихся на единицу объема, что в свою очередь ведет к изменению диэлектрической проницаемости в соответствии с известными зависимостями изменения диэлектрической проницаемости от числа молекул и дипольного момента.
3
Как видно из фиг. 2 при уменьшении плотности среды ρ, выраженной в кг/м в предлагаемом частотном датчике давления снижается его относительная погрешность, выраженная в %.
Введение в конструкцию датчика первичного преобразователя 12 и схемы компенсации изменения плотности среды 13, которая преобразует выходной сигнал с первичного преобразователя 12, расположенного в полости измерения давления, используя калибровочные коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве 5, позволит скомпенсировать изменение собственной частоты колебаний вибрирующего чувствительного элемента 3 путем изменения выходного сигнала самого датчика в соответствии с изменением плотности измеряемой среды.
Предварительные испытания предложенной схемы подтвердили эффективность разработанной схемы компенсации изменения плотности, удалось снизить величину погрешности приблизительно на 30%.