RU2017100C1 - Pressure transducer - Google Patents
Pressure transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2017100C1 RU2017100C1 SU4914487A RU2017100C1 RU 2017100 C1 RU2017100 C1 RU 2017100C1 SU 4914487 A SU4914487 A SU 4914487A RU 2017100 C1 RU2017100 C1 RU 2017100C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- pressure
- bellows
- center
- rod
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерения давления и, в частности, гидростатического давления, величина которого определяет значение уровня жидкости. The invention relates to the field of measuring pressure and, in particular, hydrostatic pressure, the value of which determines the value of the liquid level.
Известны датчики давления, действие которых основано на измерении деформации упругого элемента, воспринимающего измеряемое давление. Упругие элементы, обычно используемые в датчиках давления, - мембраны, сильфоны, манометрические трубчатые пружины и т.п. В этих датчиках деформация упругого элемента с помощью преобразователя трансформируется в сигнал в форме, удобной для дальнейшего преобразования, обработки и хранения. Known pressure sensors, the action of which is based on measuring the deformation of an elastic element that perceives the measured pressure. The elastic elements commonly used in pressure sensors are membranes, bellows, gauge tubular springs, etc. In these sensors, the deformation of the elastic element by means of a converter is transformed into a signal in a form convenient for further transformation, processing and storage.
Например, в измерителе давления - манометре [1] чувствительным элементом давления является мембрана, защемленная по краям. Преобразователем деформации мембраны (перемещения центра мембраны) является ленточная пружина, к центральной части которой прикреплена стрелка с ползунком потенциометра. При воздействии давления на мембрану центр ее перемещается, ленточная пружина раскручивается и ползунок стрелки движется по потенциометру. Величина изменения сопротивления потенциометра является мерой измеряемого давления. For example, in a pressure gauge - manometer [1], the pressure sensitive element is a membrane clamped at the edges. The transformer of membrane deformation (displacement of the center of the membrane) is a tape spring, to the central part of which is attached an arrow with a slider of the potentiometer. When pressure is applied to the membrane, its center moves, the tape spring unwinds and the arrow slider moves along the potentiometer. The magnitude of the change in potentiometer resistance is a measure of the measured pressure.
К основным недостаткам этих датчиков давления относится значительный гистерезис выходного сигнала датчика за счет трения в кинематической схеме преобразователя перемещений центра мембраны. The main disadvantages of these pressure sensors are the significant hysteresis of the sensor output due to friction in the kinematic diagram of the displacement transducer of the center of the membrane.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь давления измерительный вибростержневой частотный типа ПДВ [2] (в дальнейшем преобразователь). Closest to the technical nature of the present invention is a pressure transducer measuring vibro-rod frequency type PDV [2] (hereinafter the transducer).
В этом устройстве в качестве чувствительного элемента используется мембрана, которая воспринимает измеряемое давление. На мембране размещен преобразователь деформаций мембраны в электрический сигнал, содержащий плоскую перемычку, натянутую между двумя кронштейнами, возбудитель, электромагнитный адаптер и усилитель. Кронштейны установлены на мембране по ее диаметру на равном расстоянии от центра. Для исключения люфтов в соединениях и уменьшения гистерезиса перемычка и кронштейны выполнены за одно целое с мембраной. Все узлы (кроме мембраны) заключены в герметичный корпус. In this device, a membrane that senses the measured pressure is used as a sensing element. A transformer of membrane deformations into an electrical signal is placed on the membrane, containing a flat jumper stretched between the two brackets, an exciter, an electromagnetic adapter, and an amplifier. The brackets are mounted on the membrane along its diameter at an equal distance from the center. To eliminate backlash in the joints and reduce hysteresis, the jumper and brackets are made in one piece with the membrane. All nodes (except the membrane) are enclosed in a sealed enclosure.
Возбуждение и поддержание колебаний перемычки, выполняющей функцию резонатора, обеспечивается возбудителем и электромагнитным адаптером, установленным по обе стороны плоской перемычки. Усилитель поддерживает колебания перемычки в режиме автоколебаний. При изменении давления мембрана прогибается (деформируется), кронштейны несколько расходятся и натяжение перемычки увеличивается, тем самым увеличивается частота механических колебаний перемычки и, соответственно, увеличивается выходная частота преобразователя. Таким образом, значение частоты следования электpических импульсов устройства является мерой величины давления. The excitation and maintenance of oscillations of the jumper, performing the function of the resonator, is provided by the pathogen and an electromagnetic adapter mounted on both sides of the flat jumper. The amplifier supports jumper vibrations in self-oscillation mode. When the pressure changes, the membrane bends (deforms), the brackets diverge slightly and the jumper tension increases, thereby increasing the frequency of mechanical vibrations of the jumper and, accordingly, the output frequency of the converter. Thus, the value of the pulse repetition rate of the electrical pulses of the device is a measure of the magnitude of the pressure.
Основным недостатком преобразователя, описанного выше, является его низкая чувствительность по давлению (далее чувствительность). Для повышения чувствительности необходимо уменьшить жесткость мембраны, а это приводит к потере жесткости системы, состоящей из чувствительного элемента - мембраны и вибрационной системы - кронштейнов и перемычки. По этой причине преобразователи давления типа ПДВ [2] имеют минимальное значение верхнего предела измерения, равное 1 МПа (или примерно 100 м вод.ст.). При рабочем диапазоне измерения частоты колебаний перемычки порядка 1000 Гц для всех диапазонов измерения давления максимальное значение чувствительности датчика по давлению составляет 10 Гц/м вод.ст. При увеличении значения верхнего предела измерения давления чувствительность преобразователя соответственно снижается. The main disadvantage of the converter described above is its low sensitivity to pressure (hereinafter sensitivity). To increase the sensitivity, it is necessary to reduce the rigidity of the membrane, and this leads to a loss of rigidity of the system, consisting of a sensitive element - the membrane and the vibration system - brackets and jumpers. For this reason, PDV type pressure transmitters [2] have a minimum value of the upper limit of measurement equal to 1 MPa (or approximately 100 m water column). With a working range of measuring the frequency of oscillations of the jumper of the order of 1000 Hz for all ranges of pressure measurement, the maximum value of the pressure sensitivity of the sensor is 10 Hz / m water As the value of the upper limit of the pressure measurement increases, the sensitivity of the converter decreases accordingly.
Поскольку колебания уровня воды в естественных водоемах (реки, озера, моря) обычно не превышает 10 м, выпускаемые промышленностью преобразователи давления типа ПДВ не обеспечивают в ряде случаев необходимой чувствительности по давлению. Since fluctuations in the water level in natural reservoirs (rivers, lakes, seas) usually do not exceed 10 m, PDV-type pressure transmitters produced by industry do not in some cases provide the necessary pressure sensitivity.
Целью изобретения является повышение чувствительности по давлению путем увеличения деформации мембраны от измеряемого давления за счет концентрации воздействующего на мембрану усилия, При этом жесткость мембраны не уменьшается и обеспечивается измерение давления практически в любых малых диапазонах давления. The aim of the invention is to increase the sensitivity to pressure by increasing the deformation of the membrane from the measured pressure due to the concentration of the force acting on the membrane, while the rigidity of the membrane does not decrease and pressure measurement is provided in almost any small pressure range.
Цель достигается тем, что в предлагаемом датчике давления, содержащем установленные в герметичном корпусе с дном чувствительный элемент в виде мембраны и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, дополнительно введены шток и сильфон, через который дно герметично соединено с корпусом, при этом мембрана и сильфон установлены коаксиально, шток жестко закреплен на центрах дна и мембраны, а эффективная площадь сильфона Sсф и площадь мембраны Sм связаны между собой соотношением:
Sсф> Sм (1)
Таким образом, предлагается воздействие на мембрану давления заменить на воздействие усилия, приложенного к центру мембраны.The goal is achieved by the fact that in the proposed pressure sensor containing a sensing element in the form of a membrane installed in a sealed housing with a bottom and a transformer of membrane deformations into an output signal, a rod and a bellows are introduced through which the bottom is hermetically connected to the body, while the membrane and the bellows are installed coaxially, the rod is rigidly fixed to the bottom center and the membrane, and the effective area of the bellows S sp and the area S m membranes are related by:
S sf > S m (1)
Thus, it is proposed that the pressure on the membrane be replaced by the force applied to the center of the membrane.
В этом случае, изменяя эффективную площадь сильфона, воспринимающего измеряемое давление, можно изменить чувствительность датчика по давлению. In this case, changing the effective area of the bellows receiving the measured pressure, you can change the sensitivity of the sensor by pressure.
Действительно, прогиб центра плоской круглой мембраны, характеризующий деформацию мембраны, от воздействующего на мембрану давления Р определяется выражением
ωo= , (2) где ωo - прогиб центра мембраны;
μ - коэффициент Пуассона;
R - радиус мембраны;
E - модуль упругости материала мембраны;
h - толщина мембраны.Indeed, the deflection of the center of a flat round membrane characterizing the deformation of the membrane from the pressure P acting on the membrane is determined by the expression
ω o = , (2) where ω o is the deflection of the center of the membrane;
μ is the Poisson's ratio;
R is the radius of the membrane;
E is the elastic modulus of the membrane material;
h is the thickness of the membrane.
Учитывая, что для металла коэффициент Пуассона μ = 0,3, получаем следующее расчетное выражение для прогиба центра мембраны от давления:
ωo= 0,17 (2I)
С другой стороны, прогиб центра плоской круглой мембраны от усилия F, приложенного в центре мембраны перпендикулярно к ее плоскости, определяется выражением
ωo= 0,68 (3)
Таким образом, если давление Р, воздействующее на круглую мембрану радиуса R, сконцентрировать и приложить к центру мембраны, то возникает усилие, равное
F=Pπ R2, (4) которое вызовет перемещение центра мембраны на величину
= 0,68 = 0,68 (5) (что получается после подстановки выражения (4) в формулу (3)).Given that for a metal the Poisson's ratio μ = 0.3, we obtain the following calculated expression for the deflection of the center of the membrane from pressure:
ω o = 0.17 (2 I )
On the other hand, the deflection of the center of a flat round membrane from the force F applied in the center of the membrane perpendicular to its plane is determined by the expression
ω o = 0.68 (3)
Thus, if the pressure P acting on a round membrane of radius R is concentrated and applied to the center of the membrane, then a force equal to
F = Pπ R 2 , (4) which will cause the displacement of the center of the membrane by
= 0.68 = 0.68 (5) (what happens after substituting expression (4) into formula (3)).
Сопоставляя выражения (2I) и (5), видим, что прогиб от давления Р, воздействующего на круглую плоскую мембрану, в 4 раза меньше, чем прогиб той же мембраны от усилия, возникающего при воздействии давления Р и приложенного к центру мембраны.Comparing expressions (2 I ) and (5), we see that the deflection from the pressure P acting on a round flat membrane is 4 times less than the deflection of the same membrane from the force arising from the pressure P applied to the center of the membrane.
Поэтому, если коаксиально с мембраной установить сильфон, воспринимающий измеряемое давление, через который дно герметично соединено с корпусом, а центр мембраны и центр дна жестко соединить штоком, то при равенстве площади измерительной мембраны Sм = π R2 и эффективной площади сильфона Sсф (Sм = Sсф) прогиб центра мембраны будет в 4 раза больше, чем при восприятии измеряемого давления непосредственно мембpаной. В этом случае для получения того же значения выходного сигнала от преобразователя деформаций мембраны, который возникает у прототипа от давления Р, достаточно приложить в предлагаемом устройстве давление в 4 раза меньшее, что соответствует увеличению чувствительности датчика также в 4 раза.Therefore, if a bellow is installed coaxially with the membrane, it accepts the measured pressure, through which the bottom is hermetically connected to the body, and the center of the membrane and the center of the bottom are rigidly connected with the rod, then if the area of the measuring membrane is S m = π R 2 and the effective area of the bellows is S sf ( S m = S sf ) the deflection of the center of the membrane will be 4 times greater than with the perception of the measured pressure directly by the membrane. In this case, to obtain the same value of the output signal from the transformer of membrane deformations, which occurs in the prototype from pressure P, it is enough to apply a
Изменяя величину эффективной площади сильфона Sсф (по отношению к площади мембраны Sм) можно увеличить чувствительность датчика на необходимую величину. Так, при Sсф = 2Sм (или при среднем радиусе сильфона Rсф = 1,4 Rм) чувствительность предлагаемого датчика будет в 8 раз выше, чем у прототипа.By varying the effective area of the bellows S sph (relative to the diaphragm area S m) can increase the sensitivity of the sensor at the desired value. So, with S sf = 2S m (or with an average bellows radius R sf = 1.4 R m ), the sensitivity of the proposed sensor will be 8 times higher than that of the prototype.
На чертеже показана схема предлагаемого датчика давления. The drawing shows a diagram of the proposed pressure sensor.
Датчик давления содержит чувствительный элемент в виде мембраны 1 и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, который выполнен в виде двух кронштейнов 2 и 3, установленных по диаметру вибрационной перемычки 4, натянутой между кронштейнами 2 и 3, возбудителя 5, электромагнитного адаптера 6 и усилителя 7. Мембрана и все элементы преобразователя деформаций мембраны размещены в герметичном корпусе 8 с крышкой 9 и дном 10. Для обеспечения стабильности работы датчика и уменьшения гистерезиса его показаний мембрана 1, кронштейны 2 и 3, перемычка 4 и корпус 8 выполнены за одно целое. The pressure sensor contains a sensing element in the form of a
В герметичном корпусе 8 с дном 10 коаксиально с мембраной 1 установлены сильфон 11, через который дно герметично соединено с корпусом, и шток 12, жестко закрепленный на центрах дна и мембраны, при этом эффективная площадь сильфона Sсф и площадь мембраны Sм связаны между собой соотношением Sсф> Sм.In the sealed
Преобразователь деформаций мембраны электрически соединен с измерительной системой, обеспечивающей вторичное преобразование выходного сигнала преобразователя, индикацию и регистрацию показаний датчика. Измерительная система на схеме не показана. The membrane deformation transducer is electrically connected to a measuring system that provides secondary conversion of the transducer output signal, indication and recording of sensor readings. The measuring system is not shown in the diagram.
Датчик давления работает следующим образом. The pressure sensor operates as follows.
При воздействии измеряемого давления Р на сильфон 11 на центр мембраны 1 с помощью штока 12 подается усилие F, равное величине PSсф, где Sсф - эффективная площадь сильфона 11. Усилие F деформирует мембрану 1, при этом кронштейны 2 и 3 расходятся друг от друга, натягивая вибрационную перемычку 4.When exposed to the measured pressure P on the
Возбудитель 5 колебаний, электромагнитный адаптер 6 и усилитель 7 поддерживают вибрационную перемычку 4 в режиме автоколебаний, при этом частота колебаний f перемычки связана с величиной измеряемого давления Р выражением
f = A, (6) где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров датчика.The
f = A , (6) where A and B are constant coefficients depending on the design parameters of the sensor.
При равенстве эффективной площади сильфона 11 Sсф и площади мембраны 1 Sм, согласно формулам (21) и (5) перемещение центра мембраны от давления будет в 4 раза больше, чем для случая, когда давление Р воспринимается непосредственно мембраной 1. Это позволяет в 4 раза уменьшить эффективную площадь сильфона 11, но при этом получить такое же перемещение центра мембраны 1, какое имеется у прототипа. В свою очередь, это означает, что при условии равенства Sсф = Sмчувствительность датчика по давлению увеличивается в 4 раза по сравнению с чувствительностью прототипа.In case of equal effective area of the
Следовательно, при условии Sсф> Sм чувствительность датчика по давлению будет выше чувствительности прототипа и можно уменьшить, соответственно, величину верхнего предела диапазона измерения давления. Таким образом, с помощью предлагаемого датчика возможно измерение с высокой точностью колебаний уровня воды с диапазоном 10 м вод.ст. и менее. Существующие преобразователи давления типа ПДВ такой возможности обеспечить не могут.Therefore, under the condition S sp> S m the pressure sensitivity of the sensor will be higher than the sensitivity of the prototype and you can reduce, respectively, the value of the upper limit of the range of pressure measurement. Thus, using the proposed sensor, it is possible to measure with high accuracy the fluctuations of the water level with a range of 10 m water column. and less. Existing PDV pressure transmitters cannot provide such an opportunity.
Claims (1)
Sсф > 1/4 Sм.PRESSURE SENSOR containing a sensing element installed in a sealed housing with a bottom in the form of a membrane and a transformer for deforming the membrane into an output signal, characterized in that, in order to increase sensitivity to pressure changes, a rod and a bellows are introduced into it, through which the bottom is hermetically connected to the housing , the membrane and the bellows coaxially mounted, the rod is rigidly fixed at the centers and the bottom membrane, and the effective area of the bellows S sp and the area S m membranes are related by
S sf > 1/4 S m .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4914487 RU2017100C1 (en) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | Pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4914487 RU2017100C1 (en) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | Pressure transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017100C1 true RU2017100C1 (en) | 1994-07-30 |
Family
ID=21562331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4914487 RU2017100C1 (en) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | Pressure transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2017100C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2287790C1 (en) * | 2005-04-11 | 2006-11-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" | Excess pressure registrar |
| RU2382341C2 (en) * | 2007-10-24 | 2010-02-20 | ФГУП "Уральский электромеханический завод" | Method of making resonators for frequency acceleration transducers from elinvar alloys |
| RU2457451C2 (en) * | 2010-04-13 | 2012-07-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации имени Маршала Советского Союза А.М.Василевского" Министерства обороны Российской Федерации | Pressure sensor |
| RU2464467C1 (en) * | 2008-07-16 | 2012-10-20 | Эндресс + Хаузер Гмбх + Ко.Кг | Pressure transmitter and manometer |
| CN108291846A (en) * | 2015-12-07 | 2018-07-17 | 尼尔斯·奥格·尤尔·艾勒森 | Manometer |
| CN110579306A (en) * | 2019-09-17 | 2019-12-17 | 长江水利委员会长江科学院 | A vibrating wire pressure sensor |
-
1991
- 1991-02-25 RU SU4914487 patent/RU2017100C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Приборостроение и средства автоматики. Справочник. М.: Машиностроение, 1964, т.2, кн.11, с.247. * |
| 2. Преобразователи давления измерительные вибростержневые частотные типа ПДВ. Техническое описание ЧТ2. 326.034 ТО. * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2287790C1 (en) * | 2005-04-11 | 2006-11-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" | Excess pressure registrar |
| RU2382341C2 (en) * | 2007-10-24 | 2010-02-20 | ФГУП "Уральский электромеханический завод" | Method of making resonators for frequency acceleration transducers from elinvar alloys |
| RU2464467C1 (en) * | 2008-07-16 | 2012-10-20 | Эндресс + Хаузер Гмбх + Ко.Кг | Pressure transmitter and manometer |
| RU2457451C2 (en) * | 2010-04-13 | 2012-07-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации имени Маршала Советского Союза А.М.Василевского" Министерства обороны Российской Федерации | Pressure sensor |
| CN108291846A (en) * | 2015-12-07 | 2018-07-17 | 尼尔斯·奥格·尤尔·艾勒森 | Manometer |
| CN108291846B (en) * | 2015-12-07 | 2020-08-04 | 尼尔斯·奥格·尤尔·艾勒森 | pressure gauge |
| CN110579306A (en) * | 2019-09-17 | 2019-12-17 | 长江水利委员会长江科学院 | A vibrating wire pressure sensor |
| CN110579306B (en) * | 2019-09-17 | 2024-10-15 | 长江水利委员会长江科学院 | Vibrating wire type pressure sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4455874A (en) | Digital pressure transducer | |
| RU2511629C2 (en) | Method and device for pressure measurement with use of filling pipe | |
| US5457999A (en) | Method and apparatus for measurement of forces and pressures using tensioned bellows | |
| US3140612A (en) | Ultrasonic sensor device | |
| US3456508A (en) | Vibrating diaphragm pressure sensor apparatus | |
| US4549436A (en) | Surface-acoustic-wave, digitized angular accelerometer | |
| EP0327524A2 (en) | Differential pressure sensing apparatus | |
| RU2017100C1 (en) | Pressure transducer | |
| SU576069A3 (en) | Device for measuring density of polluted liquid | |
| US6079266A (en) | Fluid-level measurement by dynamic excitation of a pressure- and fluid-load-sensitive diaphragm | |
| CA1040883A (en) | Open-loop differential-pressure transmitter | |
| JPS5858603B2 (en) | displacement transducer | |
| US3242738A (en) | Pressure-responsive instruments | |
| US4198867A (en) | Temperature compensating means for pressure measuring apparatus | |
| US3538772A (en) | Monitoring apparatus | |
| JPS58156826A (en) | Pressure frequency converter | |
| US4255973A (en) | Digital pressure transducer for use at high temperatures | |
| US3977242A (en) | Force measuring resonator | |
| US5460053A (en) | Electronic method for mass flow measurement | |
| SU746291A1 (en) | Apparatus for measuring mechanical vibration parameters | |
| SU1134891A1 (en) | Frequency-type pressure pickup | |
| SU667838A1 (en) | Pressure pickup | |
| SU1601533A1 (en) | Strain-resistor transducer of pressure differential | |
| US2878352A (en) | Electrical motion sensing means | |
| SU605117A1 (en) | Device for measuring acoustic pressure in liquid |