вибрационный чувствительный элемент плотности газа
Классы МПК: | G01N9/34 с помощью элементов, перемещающихся в потоке, например лопастей H04R17/10 резонансные преобразователи, предназначенные для получения максимального выходного сигнала на заранее определенной частоте |
Автор(ы): | Суханов В.И., Милашенко Ю.П., Белоглазов А.В. |
Патентообладатель(и): | Государственный Научный Центр РФ Государственный научно- исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-06-20 публикация патента:
20.03.1998 |
Чувствительный элемент плотномера представляет собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, включенный в цепь автогенератора. Расстояние g между ветвями камертона, ширина В и толщина Н ветвей камертона удовлетворяют требованиям 10 g < 2В < Н. При таком соотношении увеличивается чувствительность частоты резонансных колебаний камертона к плотности газа. Использование изобретения позволяет уменьшить погрешность измерения низких значений плотности газа или малых изменений плотности. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, отличающийся тем, что расстояние между ветвями камертона, ширина и толщина ветвей камертона удовлетворяют требованиям 10g < 2В < Н, где g - растояние между ветвями камертона, В - ширина ветвей камертона, Н - толщина ветвей камертона.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к преобразователям физических величин в электрический сигнал, основанным на пьезоэлектрическом эффекте. Известен вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой кварцевый пьезоэлектрический резонатор в виде камертона [5]. Такой чувствительный элемент, включенный в цепь обратной связи автогенератора, обеспечивает высокую стабильность частотного выходного сигнала генератора и при соотношении ширины ветвей камертона к их толщине в пределах от 0,1 до 0,75 может использовать для измерения плотности газа в пределах от 0 до 500 кг/м3. Недостатком элемента является низкая чувствительность частоты его резонансных колебаний к плотности газа, из-за чего погрешность измерений с помощью такого элемента резко возрастает при уменьшении плотности газа. Известен вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой камертонный кварцевый пьезоэлектрический резонатор, ветви которого содержат специальные отверстия в виде сквозной щели [3]. Резонатор с отверстиями в ветвях по сравнению с резонатором без отверстий при одинаковом соотношении между толщиной и широтой его ветвей обладает более высокой чувствительностью к плотности газа. Недостатком такого резонатора является сложность изготовления отверстий в ветвях резонатора. Практически такие отверстия могут быть изготовлены только методом химического травления кварца через защитную маску, однако возникающие при этом технологические трудности ограничивают толщину ветвей резонатора значением 0,25 мм, что в свою очередь ограничивает чувствительно частоты колебаний резонатора к плотности газа. Прототипом предлагаемого решения является чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой кварцевый пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, у которого расстояние между ветвями в три раза меньше толщины ветвей резонатора [4]. Недостатком такого чувствительного элемента является низкая чувствительность частоты его резонансных колебаний к плотности газа, из-за чего в качестве информативного параметра о плотности (давления) газа используется динамическое сопротивление резонатора [4]. В то же время в качестве информативного параметра желательно использовать частоту колебаний резонатора, поскольку этот параметр более удобен для дальнейшей обработки и, кроме того, в отличие от динамического сопротивления при определенной кристаллографической ориентации резонатора практически не зависит от температуры. Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения чувствительности частоты резонансных колебаний пьезоэлектрического резонатора в виде камертона к плотности газа, окружающего резонатор. Поставленная задача решается тем, что расстояние между ветвями камертона, ширина и толщина ветвей камертона удовлетворяют требованиям 10g < 2B < H, где g - расстояние между ветвями камертона, B - ширина ветвей камертона, H - толщина ветвей камертона. Использование предлагаемого изобретения позволяет уменьшить погрешность измерения низких значений плотности газа и малых изменений плотности газа. Сущность изобретения заключается в создании таких соотношений между толщиной и шириной ветвей, а также между толщиной ветвей и расстоянием между ветвями камертона, при которых достигается повышенная чувствительность частоты колебаний резонатора в виде камертона к плотности газа, окружающего резонатор. На фиг. 1 показана зависимость коэффициента A (характеризующего чувствительность камертона к плотности газа) от отношения толщины ветвей камертона к ширине ветвей и расстоянию между ветвями; на фиг. 2 - вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, где 1 - ветви камертона; 2 - ножка камертона, H - толщина ветвей; B - ширина ветвей; g - расстояние между ветвями; L - длина ветвей; на фиг. 3 - пример использования предлагаемого чувствительного элемента, где 1 - чувствительный элемент плотности газа; 2 - герметичная камера; 3 - проводники; 4 - автогенератор; 5 - частотомер. Принцип действия вибрационного чувствительного элемента плотности газа основан на зависимости частоты собственных колебаний твердого тела (вибратора) от плотности газа, в который тело погружено. Физическая модель, объясняющая такую зависимость, заключается в том, что вибратор вовлекает в колебания некоторую массу газа, которая увеличивает эффективную массу вибратора и тем самым изменяет частоту его собственных колебаний. Поскольку масса вовлеченного в колебания газа зависит от плотности, то и частота колебаний вибратора зависит от плотности газа. В рамках такой модели можно показать, что свободные гармонические колебания вибратора, погруженного в невязкую, несжимаемую среду, совершаются с собственной частотой.![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107278/2107278-2t.gif)
где
K - жесткость вибратора;
mв - масса вибратора;
mr=V
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/183.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
V - объем вовлеченного в колебания газа;
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107278/2107278-3t.gif)
где
fo=(2
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107001/960.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/183.gif)
A = V/mo - коэффициент, характеризующий чувствительность вибратора к плотности газа. Дифференцируя (2) по
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107278/2107278-4t.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/916.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/183.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/916.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/916.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/916.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
(здесь
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/961.gif)
![вибрационный чувствительный элемент плотности газа, патент № 2107278](/images/patents/364/2107010/183.gif)
Класс G01N9/34 с помощью элементов, перемещающихся в потоке, например лопастей
Класс H04R17/10 резонансные преобразователи, предназначенные для получения максимального выходного сигнала на заранее определенной частоте