Вибрационно-частотный датчик давления

Вибрационно-частотный датчик давления находит широкое применение наряду с прочими датчиками для измерения статического Р_ст, полного Р_п, и динамического давлений в составе СВС. Его особенность начинается с оригинальности вторичного преобразователя давления непосредственно в частоту. Принцип работы воздушного преобразователя основан на функциональной зависимости частоты резонансных колебаний упругого чувствительного элемента от величины измеряемого давления

. (4.19)

В качестве упругого чувствительного элемента могут быть струна, мембрана, тонкостенный цилиндр и пьезоэлементы.

Рис. 4.21. Принципиальная схема частотного струнного датчика давления: 1 – сильфон; 2 – балка с опорой; 3 – си­ла натяжения струны; 4 – струна; 5 – усилитель; 6 – емкость; 7 – катушка возбуждения колебаний струны

Вторичный преобразователь во всех трех случаях представляет колебательную систему, содержащую инерционный элемент в виде массы, способной накапливать кинетическую энергию, и элемент, способный накапливать потенциальную энергию, в качестве которого выступает упругий элемент.

На рис. 4.21 представлен датчик избыточного давления с вибрирующей струной. Струна имеет первоначальное натяжение F_о при отсутствии избыточного давления Р. При этом струна будет иметь начальную собственную частоту f_о. При увеличении давления Р жесткость струны увеличивается, частота растет в соответствии с зависимостью [37]

, (4.20)

где l – длина струны в м; F – сила натяжения струны в Ньютонах; ρ – объемная плотность материала струны в кг/м³; n – номер гармоники колебаний (n =1); S – сечение струны в м².

В вибрационно-частотных датчиках давления используется система самовозбуждения непрерывной генерации частот. Для этого используется индуктивный и емкостной преобразователи перемещения в электрический сигнал.

Рис. 4.22. Индуктивный преобразователь	Рис. 4.23. Емкостной преобразователь

Преобразователь для самовозбуждения 7 подключается к выходу усилителя. В момент подключения усилителя к питанию на струну поступает импульс в виде притяжения (отталкивания). Начинаются колебания струны на собственной частоте. Если бы не последовали следующие импульсы, то колебания затухли бы. Но вслед за первым импульсом колебания струны улавливаются преобразователем съема сигнала 6, усиливаются, нормируются, выдаются на выход датчика и одновременно на преобразователь возбуждения колебаний 7. Наступают непрерывные колебания струны, собственная частота которых примерно пропорциональна измеряемому давлению.

На рис. 4.24 представлена принципиальная схема частотного мембранного датчика абсолютного давления (Р_ст). Особенностью этого датчика является то, что вторичным преобразователем являются два пьезоэлемента – элемент возбуждения 1 и элемент восприятия сигналов 2.

Рис. 4.24. Принципиальная схема частотного мембранного датчика давления

В основе работы таких элементов лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения в механическое напряжение в теле мембраны (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах 2, возникающих в результате деформаций вибратора-мембраны под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) [38]. Мембрана и корпус изготовлены из одного материала – кварца. Элемент 1 получает импульсы от усилителя и раскачивает мембрану 1. Элемент 2 воспринимает эти колебания, вырабатывает сигнал, пропорциональный собственной частоте мембраны:

, (4.21)

где a – радиус мембраны; f – частота в Гц; h – толщина мембраны; Р – давление в мбарах. Как и в струнном датчике устанавливаются непрерывные колебания, так как с выхода усилителя постоянно поступают сигналы на вход возбуждающего элемента 1.

Американская фирма Бендикс (Bendix Corp.) выпускает мембранный вибрационно-частотный датчик по схеме рис. 4.24 со следующими характеристиками: погрешность – не более 0,01 % от давления; гистерезис 0,1 мм рт. ст.; диапазон абсолютного давления от 0 до 750 мм рт. ст.; частота выходного сигнала от 2,5 до 5, кГц.

На рис. 4.25 представлена принципиальная схема вибрационно-частотного датчика давления с цилиндрическим резонатором.

Рис. 4.25. Принципиальная схема частотного датчика давления с цилиндрическим резонатором: 1 – опорный вакуум; 2 – цилиндр; 3 – катушка возбуждения; 4 – элементы системы самовозбуждения; 5 – катушка съема сигнала; 6 – давление; 7 – корпус; 8 – усилитель; 9 – выход; 10 – основание

Принцип действия датчика основан на зависимости собственной частоты упругого элемента от величины его внутреннего механического напряжения, вызванного действием измеряемого давления. Резонатор 2 расположен внутри герметичного цилиндрического корпуса 7, которые вместе закреплены на общем основании 10. Такой датчик обеспечивает измерение статического или полного давления. Измеряемое давление Р_ст подается во внутреннюю полость резонатора. Резонансные колебания стенки резонатора возбуждаются при помощи индуктивного преобразователя (рис. 4.22). В таком же преобразователе съема наводится небольшая электродвижущая сила, этот сигнал поступает на усилитель и по каналу обратной связи подается на катушку возбуждения. Устанавливаются незатухающие колебания стенок цилиндрического резонатора на собственной частоте, величина которой зависит от измеряемого давления [37]

, (4.22)

где Е – модуль упругости материала цилиндра; m – приведенная масса в кг; δ – толщина стенки в см (0,01 – 0,03 см); l – длина цилиндра в см (3 – 5 см); b – диаметр цилиндра в см (1,5 – 2 см); Р – давление в кг/см².

Резонатор изготавливается по специальной технологии из высококачественных сталей. Приведенные здесь формулы весьма ориентировочные. Сверхточные датчики давления изготавливаются по специальным технологиям, которыми обладают немногие фирмы в мире. Датчиками давления по схеме рис. 4.25 с шестидесятых годов занимается английская фирма Солатрон (Solatron). В настоящее время она выпускает серию таких датчиков для СВС гражданских и военных самолетов. Базовый датчик этой фирмы типа NT 3082 (самолет Торнадо) имеет следующие характеристики: погрешность – ± 0,01 % от давления, диапазон давлений (Р_п) – от 0 до 2600 мм рт. ст., гистерезис – 0,001 – 0,005 % от диапазона, выходной сигнал – цифровой код, напряжение питания – ± 28 В, потребляемая мощность – 1 Вт, масса – 0,24 кг, габаритные размеры – 62,8 (длина), 24,5 (диаметр).

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). При этом знак заряда меняется при замене сжатия натяжением. Если электрическое поле меняет знак, то и деформация меняет знак. Такими свойствами обладают материалы кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль.

При воздействии электрического поля по поверхности пьезоматериала распространяются волны Рэллея со скоростью v на глубине материала по направлению Y величиной, равной длине волны λ (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Волны Рэллея в пьезокристалле

При постоянном воздействии электрического поля на хорошо отполированной поверхности пьезоматериала образуются поверхностные акустические волны (ПАВ). Для возбуждения ПАВ на поверхность материала наносят встречно включенный преобразователь (ВШП), в качестве приемного элемента наносится такой же ВШП на некотором расстоянии l от первого (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Принципиальная схема возбуждения и съема ПАВ: 1 – элемент возбуждения; 2 – элемент съема сигналов; lо – шаг ВШП; l – расстояние между центрами ВШП

Два ВШП образуют два электрода. При шаге l_o = λ в первом ВШП возбуждаются незатухающие колебания по схеме самовозбуждения, а второй ВШП воспринимает эти колебания.

На выходе второго ВШП образуется напряжение электрического сигнала с частотой

, (4.23)

где v – скорость распространения волны Рэллея, для кварца v = 3159 м/с, величина волны λ = l_o (условие возбуждения). При l_o = 10 мкм (что достижимо)

Гц ≈ 300 МГц.

Так как под действием давления мембрана деформируется, то λ = l_o = f (P). Таким образом, выходной сигнал с элемента 2 есть функция измеряемого давления

. (4.24)