Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительл ной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения, это достигается введением селективной обратной связи в автогенератор 13 при помощи цепи обратной акустической связи, включающей пьезопреобразователи 7 и 8, жидкость 5, уголковый отражатель 6, размещенный на упругом чувствительном элементе 4. Отражающие , плоскости отражателя расположены под прямым углом друг к другу и обращены к пьезопреобразователю, установленному на корпусе. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (м)5 G 01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

11 (21) 4712570/ 1 О (22) 03.07,89 (46) 23.12.91. Бюл. йг 47 (72) А.Д.Поваренко и А.И.Токарев (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 297855, кл. G 01 L9/08, 1978, (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Ы 1700402 A l

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения, это достигается введением селективной обратной связи в автогенератор 1 при помощи цепи обратной акустической связи, включающей пьезопреобразователи 7 и 8, жидкость 5, уголковый отражатель 6, размещенный на упругом чувствительном элементе 4, Отражающие, плоскости отражателя расположены под прямым углом друг к другу и обращены к пьезопреобразователю, установленному на корпусе. 2 ил.

; 4

О

С)

Ф

1700402

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления, и может быть использовано в контрольно-измерительных устройствах, Цель изобретения — повышение чувствительности и уменьшение порога чувствител ь ности.

На фиг.1 представлена конструктивная схема датчика давления; на фиг,2 — принципиальная схема автогенератора.

Датчик давления состоит из корпуса 1 с входным 2 и дополнительным 3 штуцерами,, упругого элемента 4, например сильфона, размещенного внутри корпуса 1 и разделя-! ющего его объем на две части, внутренний

, объем сильфона соединен через входной

,штуцер 2 с объемом объекта, где измеряется давление, Жидкость 5 заполняет объем кор, пуса между дном и упругим элементом 4. Уголковая отражательная прямоугольная призма 6 расположена на плоской поверхности упругого элемента 4, на дне сильфона со стороны пьезоэлектрических преобразо вателей 7 и 8, при этом двугранный угол . уголкового отражателя 6 равен 90О. Пьезоэ лектрические преобразователи 7 и 8 с пьезопластинами 9 и 10 и согласующими слоями 11 и 12 толщиной п А/2, где 1— длина акустической волны слоя, п:= 1, 2„„ расположены внутри корпуса 1 напротив отражателя 6 таким образом, что пьезопластины 9 и 10 находятся напротив соответствующих наклонных граней отражателя 6, а рабочие поверхности пьезопластины и согласующих слоев составляют угол 45О к отражающим поверхностям отражателя. B цепи отрицательной обратной связи автогенератора 13 в качестве частотно-задающего элемента включена акустическая цепь, состоящая из пьезоэлектрических пластин 9 и

10 с согласующими слоями 11 и 12 пьезопреобразователей 7 и 8, жидкости 5 и упруго.го элемента 4 с отражателем 6.

Пьезоэлектрические преобразователи 7 и 8 могут располагаться как внутри объема корпуса 1,так и на поверхности корпуса, В случае расположения пьезоэлементов 9 и 10 преобразователи 7 и 8 непосредственно на внешней поверхности корпуса 1, корпус 1 в области расположения преобразователей должен иметь толщину, равную п .1/2. В этом случае он выступает в роли акустического согласующего слоя, а согласующие элементы (слои) 11 и 12 не нужны. Согласующие слои 11 и 12 выполняют роль акустического фильтра, улучшающего селективность датчика и, соответственно, снижающего порог чувствител ьности.

20 ственно включены пьезоэлементы 9 и 10

5

В качестве автогенератора 13 может быть использован любой усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.

Автогенератор 13 состоит из включенных каскадно резонансного усилителя, реализованного на транзисторе T l u повторителя, реализованного на транзисторе Т2, В качестве нагрузки транзистора Т1 использован резонансный контур, состоящий из трансформатора Тр и конденсатора СЗ, настроенный на резонансную частоту пьезопластины 9 преобразователя 11. Резисторы R1 — R6 предназначены для работы транзисторов Т1, Т2 в режимах постоянного тока, С1, С4, С5 — разделительные конденсаторы, На входе резонансного усилителя и на выходе эмиттерного повторителя непосредпьезоэлектрических преобразователей 7 и 8 частотно-зависимой цепи акустической обратной связи, образующей цепь обратной связи автогенератора 13.

Дополнительный штуцер 3 размещен в корпусе 1 таким образом, что обеспечивает сообщение с жидкостью, заключенной в обьеме корпуса между упругим элементом 4 и пьезоэлектрическими преобразователями

7 и 8.

Штуцер 3 необходим для возможности измерения разности давления.

Датчик давления работает следующим образом.

После подачи постоянного напряжения от источника питания на автогенератор 13 он возбуждается за счет образованной частотно-зависимой запаздывающей акустической обратной связи, которая включает в себя пьезоэлектрические преобразователи

7 и 8 с пьезопластинами 9 и 10 и согласующими слоями 11 и 12, нагруженными с одной стороны жидкостью 5, и отражатель 6, расположенный на упругом элементе (сильфон.е) 4, При этом частотно-зависимая акустическая цепь представляет собой акустическую линию задержки, в которой одним из преобразователей возбуждаются акустические колебания в жидкости 5, которые распространяются к отражателю 6. После последовательного отражения акустической волны соответственно от отражающих плоскостей отражателя 6 за счет выбора угла между отражающими плоскостями равным 90, она приходит на приемный преобразователь и таким образом замыкает цепь обратной связи автогенератора 13. Время прохождения акустической волны в этом случае составит величину, равную

1700402

Т = 2l/v, где v — скорость акустической волны в жидкости;

l — расстояние между ребром отражателя и плоскостью, в которой расположены рабочие поверхности преобразователей, м, при этом амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя, охваченного цепью акустической обратной связи имеет периодическую структуру с периодом повторения максимумов по частоте

Л fnosт = V!2l и определяет ее полосу пропускания по нулям частотного отклика, В реальной акустической цепи обратной связи полоса пропускания определяется полосой пропускания пьеэопреобразователей, которая в первом приближении равна

Лt.„= f/2г, л 1 — К

r e г= — С -У и К2

К вЂ” коэффициент электромеханической связи пьезопластины, f резонансная частота пьезопластины, Для работоспособности датчика давления необходимо возбуждать автогенератор только на одной частоте, только в этом случае создается однозначная зависимость между входным сигналом (давлением) и выходным параметром (частотой), В данном датчике давления за счет введения дополнительного пьезоэлектрического преобразователя и отражателя, расположенных на расстоянии l друг от друга, образована акустическая цепь обратной связи, которая обеспечивает одночастотный режим работы автогенератора 13, вследствие того, что исключено прямое попадание электрического сигнала с одной пьезопластины на другую, минуя акустическую цепь, а выбор расстояния между плоскостью, в которой расположены рабочие поверхности преобразователей, и ребром отражателя удовлетворяет соотношению:

Л Ч 1 — К2

8 где ч — скорость вол н ы в жидкости.

К вЂ” коэффициент электромеханической связи пьезопластины;

f — резонансная частота пьезопластины.

Это соотношение означает, что полоса пропускания должна быть меньше или в крайнем случае равна частоте повторения, ибо только при этом условии будет обеспечено подавление в АЧХ всех максимумов, кроме одного. Выбор угла между отражающими плоскостями отражателя 6, равным 90, и ориентация отражающих плоскостей под углом 45 к рабочим поверхностям преобразователей обеспечивает работу автогене5 ратора 13 в максимуме основного лепестка диаграммы направленности или основного максимума АЧХ, а также обеспеч вает подавление ложных сигналов за счет рассеяния акустических волн с направлением

10 падения на отражающие плоскости, отличным от 45 .

Частота возбуждения автогенератора

13 соответствует частоте максимального значения АЧХ цепи обратной связи и опре15 деляется антирезонансной частотой пьезоэлементов.

Изменение давления в одном из штуцеров, соединенным с объемом, где измеряется давление, приведет к смещению упругого

20 элемента (сильфона), вследствие чего изменится время задержки Т прохождения акустической волны в цепи обратной связи автогенератора 13, При этом частота выходного сигнала ав25 тогенератора 13, т.е, датчика давления, изменится обратно пропорционально изменению времени задержки, т.е. фазы, а значит и давлению:

A дам = A(1/T)

30 Так как

Т = (2а - с)/v, где а — расстояние между ребром отражателя и плоскостью, на которой расположены рабочие поверхности преобразователей;

35 с — расстояние между центрами преобразователей, то относительное изменение частоты выходного сигнала будет равно

Л1дат/1дат = Ьа/а, где Ла — смещение сильфона при воздейст40 вии на него давления Л р;

f — резонансная частота колебания автогенератора 13.

Учитывая, что в линейном приближении для сильфона h,а - y Лр, где y — коэффи45 циент пропорциональности, равный чувствительности упругого элемента, то изменение частоты будет пропорционально изменению давления:

Лр

50 4 1дат/тдат = g

Отсюда чувствительность датчика давления равна: дат = дат

55 р а за счет уменьшения расстояния а может быть увеличена, исходя только из ограничения, обеспечивающего свободное смещение отражателя 6 по отношению к

1700402 к ч

8 f 2 где ч - скорость звука в жидкости;

f — частота автогенератора;

К вЂ” коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрического преобразователя с жидкостью. иуеточееиап цепь

Составитель А.Зосимов

Редактор Н.Химчук Техред М,Моргентал Корректор Э,Лончакова

Заказ 4460 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 согласующему слою пьезоэлементов преобразователей.

Наряду с повышением чувствительности обеспечивается понижение порога чувствительности, который будет оп ределяться неравномерностью структуры АЧХ цепи акустической обратной связи автогенератора 13 в полосе пропускания, причем неравномерность АЧХ обусловлена наличием разных типов ложных сигналов.

Уменьшение уровня ложных сигналов и, следовательно, порога чувствительности достигается за счет образования электрически развязанно1 акустической цепи обратной связи автогенератора 13 путем введения дополнительного преобразователя 7 и отражателя 6, расположенного на упругом элементе 4, Степень снижения порога чувствительности зависит от выбора расстояния I при выполнении условия одночастотности возбуждения автогенератора

13 (а < v/2 Afpp), Кроме того, снижение порога чувствительности обеспечивается выбором толщины согласующих слоев 9 и 10, преобразователей 7 и 8 равной п А/2.

В результате согласующие слои выполняют роль селективного акустического фильтра.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий чувствительный элемент и первый пьезоэлектрический преобразователь, причем внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью, о т л ич а ю шийся тем;что, с целью повышения чувствительности, в него дополнительно

5 введены второй пьезоэлектрический преобразователь, уголковый отражатель, выполненный в виде вогнутой прямоугольной призмы, угол между отражающими поверхностями которой равен 90 и автогенератор, 10 при этом уголковый отражатель установлен на упругом чувствительном элементе, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи установлены в корпусе в одной плоскости симметрично относительно

15 плоскости, проходящей через ребро отражателя перпендикулярно плоскости расположения преобразователей, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи подключены соответственно к входу и к

20 выходу цепи обратной связи автогенератора, при этом расстояние L от ребра отражателя до плоскости, в которой расположены пьезоэлектрические преобразователи выбрано в соответствии с

25 условием