Дифузійний датчик тиску

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, наприклад, до датчиків тиску інфранизькочастотного діапазону і може бути використаний в вимірювальних пристроях для перетворення та вимірювання тиску газів і рідин. Відомі датчики аналогічного призначення, які являють собою герметично закритий мембранами корпус з розташованою усереднені їх оборотною окислювально-відновною системою, у яких діючий на мембрану вхідний сигнал викликає біг електроліту відносно катода окислювально-відновної системи. При цьому стр ум катода буде пропорційним швидкості бігу електроліту (Фиш М.Л., Лаптев Ю.В. Диффузионные преобразователи неэлектрических величин. - Киев: Техніка, 1979, с.17 (рис.3), с.44 (рис.16)). Основний недолік таких датчиків полягає у тому, що вони реагують тільки на змінні сигнали і їх коефіцієнт передачі залежить від часу роботи, що не дозволяє якісно вимірювати та аналізувати інформацію, яка міститься в гармонійних складових нульових та близьких до них частот. Найбільш близьким до запропонованого винаходу по технічному рішенню є датчик, який містить в собі герметично закритий чутливим елементом корпус та оборотну окислювально-відновну систему, анод та вимірювальний катод якої розміщені один напроти другого і утворюють капіляр, в якому один кінець закритий, а другий відкритий для електроліту, що знаходиться у вн утрішній порожнині корпуса (Семенов В.И. Об одном способе построения преобразователя линейных перемещений. - Приборостроение. Республиканский межведомственный научно-технический сборник. Киев: Техника, 1973, вип.14, с.21). Основні суттєві його недоліки є мала верхня гранична частота, а також низька стабільність коефіцієнта передачі. Верхня гранична частота смуги пропускання обмежується десятими частками герца, що обумовлено значним часом установлення стаціонарного розподілу концентрації реагенту у міжелектродному просторі при міжелектродних відстанях, які можуть бути те хнологічно реалізовані на цей час. В електроліті, який заповнює внутрішній об'єм корпуса і знаходиться поза капіляром з різних причин (градієнти температури, щільності) збуджуються конвективні потоки. Вони збурюють дифузійні шари, які ростуть від електродів капіляра углиб електроліту, який знаходиться у корпусі. Тому в елементарних об'ємах електроліту, який поступає в капіляр під дією зовнішнього сигналу, кількість реагенту та його розподіл по об'єму мають ймовірний характер, що і обумовлює нестабільність коефіцієнта передачі. Крім того, температурна нестабільність коефіцієнта дифузії реагенту складає (2,3...2,5)%/°С, що визначає основну складову температурної нестабільності коефіцієнта передачі. Наведені причини мають об'єктивний характер і визначають основні недоліки прототипу. В основу винаходу поставлено задачу збільшення верхньої граничної частоти датчика та підвищення стабільності коефіцієнта передачі і, як наслідок, розширення області практичного використання для вимірювання і перетворення тиску рідин і газів в інфранизькочастотному діапазоні дифузійного датчику тиску, який містить в собі герметично закритий чутливим елементом корпус і оборотну окислювально-відновну систему, анод і вимірювальний катод якої розміщені один напроти другого і утворюють капіляр, в якому один кінець закритий, а другий відкритий для електроліту, що знаходиться у вн утрішній порожнині корпусу шля хом доповнення капіляра допоміжним катодом, який розташований зі сторони входу електроліту у капіляр, покритий в вихідному положенні електролітом та ізольований від вимірювального катода, а порожнина капіляра яка не містить електроліту, заповнена інертним газом, що дозволяє забезпечити підвищення вірогідності вимірювань датчика при коливанні робочих температур. На фіг.1 зображено загальний вигляд дифузійного датчика тиску в розрізі та схема його вмикання. На фіг.2 - той же датчик при появі зовнішнього тиску величиною АР . Датчик містить чутливий елемент 1, який герметично закриває корпус 2. Капіляр створюється анодом 3, який виконаний у вигляді стержня круглого перерізу, допоміжним катодом 4 та вимірювальним катодом 5, виконаними у вигляді циліндричних поверхонь, які ізольовані поміж собою за допомогою кільця 6. Внутрішній об'єм корпусу заповнений електролітом 7, котрий у ви хідному положенні входить в капіляр на довжину допоміжного катоду 4. Решта порожнини капіляра заповнена інертним газом 8. Міліамперметр 9 служить для вимірювання струму Івих. Датчик зображений на фіг.2 працює таким чином. При дії тиску DP чутливий елемент 1 прогинається в середину корпуса 2, і електроліт 6 витискується у капіляр на довжину, яка визначається тиском DP. Так як струм Івих вимірювального катода 5, який є вихідним сигналом датчика, прямо пропорційно залежить від площі поверхні катода, яка покрита електролітом, то він однозначно визначає величину тиску DP. Допоміжний катод 4 забезпечує розширення частотного діапазону за рахунок формування в його зоні розподілу концентрації реагенту, близького до стаціонарного. В вихідному стані датчика при DP = 0 після вмикання джерела живлення завершаються перехідні процеси установлення струму в ланцюзі допоміжного катоду та формується стаціонарний розподіл концентрації реагенту в просторі між допоміжним катодом і протилежною частиною анода. При виникненні DP > 0 електроліт з зони допоміжного катода витискується в зону вимірювального катода та зробить при цьому практично поршневе переміщення, при якому електроліт не перемішується, так як біг електроліту у капілярі є ламінарним. Тому розподіл концентрації реагенту між анодом і вимірювальним катодом буде близьким до стаціонарного. Час перехідних процесів буде зменшено, а верхня гранична частота зросте. При зменшенні DР електроліт за рахунок тиску газу робитиме ламінарне переміщення із зони вимірювального катода в зону допоміжного катода, що також не призведе до перемішування електроліту і стаціонарний розподіл концентрації реагенту практично збережеться. Допоміжний катод 4 нейтралізує також дію паразитних потоків на вихідний сигнал, так як дифузійний шар електроліту росте у глибину тепер від нього і на струм у вимірювальному катоді безпосередньо не впливає. У прототипі у буферному об'ємі електроліту при поворотах чи нахилах датчика виникають конвективні потоки, які збурюють дифузійні шари електроліту у тій частині капіляру, де електроди дотикаються до буферного об'єму електроліту. У запропонованому датчику вимірювальний катод 5 відокремлений від буферного об'єму електроліту 7 і дотикаються тільки до електроліту, який покриває допоміжний катод 4. Таким чином зміни катодного току, які викликані названими вище причинами, будуть тільки в ланцюзі допоміжного катоду 4 і на струм Івих не впливають. Зміна, наприклад, підвищення температури викликає збільшення коефіцієнта дифузії реагенту. При цьому одночасно росте тиск газу у капілярі, що викликає витиснення частини електроліту з капіляра і зменшення довжини стовпчика електроліту, який в ньому знаходиться. Таким чином, частково компенсується збільшення вихідного сигналу датчика, яке було зумовлене збільшенням температури. Працездатність запропонованого дифузійного датчика тиску, а також збільшення верхньої граничної частоти датчика та підвищення стабільності коефіцієнта передачі підтверджується результатами експериментальних досліджень виготовленого датчика й комп'ютерного моделювання, що показало можливість збільшити верхню граничну частоту від 1Гц до 9,5Гц і підвищити стабільність коефіцієнта передачі на 45% при відхиленні температури на 15°С відносно номінальної 20°С. Із вище наведеного бачимо, що запропонований датчик в значній мірі звільнений від недоліків, які присутні у прототипі. Техніко-економічна ефективність від запропонованого винаходу обумовлюється тим, що його те хнічна сутність забезпечує створення дифузійного датчика тиску, що має збільшену верхню граничну частоту та підвищену стабільність коефіцієнта передачі, що позволяє розширити область його практичного використання для вимірювання і перетворення тиску рідин і газів в інфранизькочастотному діапазоні.