Волноводный датчик импульсных давлений
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению импульсных и быстропеременных давлений, и может быть использовано для измерения импульсного давления гидродинамического возмущения большой мощности при применении разрядно-импульсной технологии. Устройство содержит два волновода различной длины, разделенные пьезоэлектрической таблеткой. Приемный волновод выполнен из металла в виде ступенчатого стержня. Другой волновод выполнен в виде цилиндра из металла с равномерно убывающей пористостью от торца, соприкасающегося с пьезоэлектрической таблеткой к свободному концу. Торцевая поверхность этого конца волновода имеет рельефный профиль в виде пирамид, а боковая поверхность имеет резьбовой либо пилообразный профиль. При этом диаметр цилиндра превышает диаметр пьезоэлектрической таблетки. Технический результат заключается в расширении диапазона измерения импульсного давления, уменьшении габаритных размеров, экранировании датчика от внешнего электромагнитного излучения. 2 ил.
Изобретение относится к технике измерения импульсных и быстропеременных давлений и, в первую очередь, предназначено для измерения импульсного давления гидродинамического возмущения большой мощности, воздействующего на обрабатываемый объект, и может быть использовано в области применения разрядно-импульсной технологии.
Известен датчик давления, состоящий из двух волноводов, между которыми в состоянии акустического контакта расположен пьезоэлектрический элемент (Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. Теоретические основы измерения импульсных давлений в жидких средах - Киев: Наукова думка, 1981, стр. 135). Представленный датчик имеет недостаточную точность измерений вследствие несогласованности акустических сред пьезокерамической таблетки и волноводов, а также значительные габаритные размеры, что влечет за собой, кроме неудобства в эксплуатации, ограниченность применения в решении конкретных задач измерения импульсного давления.
Попытка обеспечения акустического согласования материалов пьезокерамической таблетки и волновода предложено в датчике импульсных давлений (А.С. №1756784 А1 G 01 L 23/10, 9/08, SU, 1992 г.). Датчик импульсных давлений содержит чувствительный пьезоэлектрический элемент и волноводный акустический стержень, выполненный из металла с переменной пористостью, убывающий от торца с чувствительным элементом к свободному концу. Представленное решение позволяет согласовать акустические сопротивления пьезокерамической таблетки и волновода. Тем не менее, данный датчик не имеет возможности регистрировать мощные ударно-волновые воздействия вследствие ударного разрушения пьезокерамической таблетки и не в достаточной мере имеет уменьшенные габаритные размеры.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является датчик импульсных давлений (Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. Теоретические основы измерения, импульсных давлений в жидких средах. - Киев: Наукова думка, 1981, стр. 151). Датчик содержит три металлических волновода в виде стержней различной длины. Волноводы разного сечения находятся в состоянии акустического контакта. Между двумя волноводами равного сечения располагается пьезоэлектрическая таблетка, причем последний волновод имеет достаточно большую длину.
Представленный датчик способен регистрировать мощные ударно-акустические волны давления, но при этом имеет значительные габаритные размеры, тем самым характеризуется большими неудобствами его в эксплуатации, а в ряде случаев невозможностью его применения, недостаточной точностью измерений вследствие акустического рассогласования материалов пьезокерамической таблетки и волноводов. Кроме того, акустический контакт волновода со стенкой обрабатываемого объекта (Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. Теоретические основы измерения импульсных давлений в жидких средах. - Киев: Наукова думка, 1981, стр. 136), вызывает паразитное влияние сдвиговых волн, распространяющихся в стенке объекта, что существенным образом сказывается на точности измерений.
Задачей данного изобретения является разработка и создание волноводного датчика импульсных давлений, способного производить измерения с соответствующей точностью параметров мощных гидродинамических возмущений, воздействующих на обрабатываемый объект и имеющего приемлемые габаритные размеры.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров датчика, повышение точности измерений и расширение диапазона измеряемых амплитуд давлений.
Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемый волноводный датчик импульсных давлений представляет собой конструкцию, содержащую волноводы различной длины, разделенные пьезоэлектрической таблеткой, и волновод в виде стержня меньшего сечения, волноводы в виде стержней меньшего и большего сечения выполнены за одно целое и образуют приемный волновод, а другой выполнен в виде цилиндра из металла с равномерно убывающей пористостью от торца к свободному концу, торцевая поверхность которого имеет рельефный профиль в виде пирамид, а боковая поверхность имеет резьбовой либо пилообразный профиль, причем диаметр цилиндра превышает диаметр пьезоэлектрической таблетки.
Приемный волновод в виде стержней меньшего и большего сечения позволяет реализовать возможность регистрации мощных ударно-акустических волн произвольного профиля волнового фронта. Это достигается за счет уменьшения амплитуды колебательного смещения частиц волновода вследствие увеличения его поперечного сечения. Уменьшение амплитуды смещения будет тем больше, чем больше различие диаметров противоположных торцов волновода. Следовательно, это приводит к расширению диапазона измеряемых амплитуд давлений.
Введение в конструкцию акустического волновода из пористого металла позволяет произвести акустическое согласование материалов пьезокерамической таблетки и волновода, т.е. 
кcк
мcм, где к, ск и м, cм - плотность и скорость звука пьезокерамической таблетки и пористого металла, соответственно. Также выполнение приемного волновода в виде стержней меньшего и большего сечения как единое целое обеспечивает отсутствие границы раздела сред и, соответственно, акустического рассогласования на границе раздела, что повышает точность производимых измерений.
Выполнение второго волновода в виде цилиндра существенным образом уменьшает габаритные размеры датчика, а рельефность торцевой и боковой поверхности обеспечивают уменьшение паразитного влияния отраженной волны деформации, что обеспечивает прогнозируемую точность измерений. Это достигается тем, что плоская волна упругой деформации, прошедшая через пьезоэлектрическую таблетку, преобразуется в расходящуюся волну за счет разности площадей сечения пьезоэлектрической таблетки и волновода в виде цилиндра. Расходящаяся волна, распространяясь по волноводу в виде цилиндра, в первую очередь, претерпевает рассеяние за счет пористости волновода. Далее за счет рельефного профиля в виде пирамид торцевой поверхности волновода волна разбивается на части, при этом происходит ее наклонное падение на границе раздела и наклонное многократное отражение от торцевой и боковой поверхности волновода, что обеспечивает интенсивное рассеяние и затухание волны упругой деформации. Кроме того, отраженные волны имеют хаотичное распределение вектора импульса и широкий спектр значений фазы. Перечисленные выше факторы создают условия перераспределения и диссипации энергии волны упругой деформации, что приводит в конечном итоге к значительному ослаблению паразитного сигнала, который будет представлять собой акустический шум малой амплитуды, что повышает точность измерения.
Приведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.
На фиг.1 представлена схема волноводного датчика импульсных давлений, на фиг.2 - конструкция волноводного датчика импульсных давлений.
Датчик содержит пьезоэлектрическую таблетку 1 (фиг.1), приемный волновод 2, представляющий собой волноводы в виде стержней меньшего и большего сечения, выполненные за одно целое, и волновод 3 в виде цилиндра из металла с равномерно убывающей пористостью от торца, соприкасающегося с пьезоэлектрической таблеткой 1, к свободному концу. Свободная торцевая поверхность волновода 3 имеет рельефный профиль в виде пирамид, а боковая поверхность имеет резьбовой либо пилообразный профиль, причем диаметр цилиндра превышает диаметр пьезоэлектрической таблетки 1. Приемный волновод 2, цилиндрический волновод 3 и пьезоэлектрическая таблетка 1 склеены между собой эпоксидной смолой и размещены в полости составного корпуса (фиг.2), состоящего из винта 4 и пробки 5. Винт 4 выполнен со сквозным осевым отверстием, а пробка 5 выполнена с глухим осевым отверстием, на наружной боковой поверхности пробки 5 имеется резьба. На торцевой плоскости шляпки винта 4 располагается пакет пластин 6, изготовленных в виде шайб. Материал пакета пластин 6 подбирался из условия обеспечения достаточной прочности и создания жесткости конструкции, малым значением скорости звука и большим коэффициентом звукопоглощения. В нашем случае данный набор выглядит следующим образом, начиная с торцевой поверхности шляпки винта 4, соответственно: резина, полистирол, эбонит, сталь. Крепление пакета пластин 6 на торце шляпки винта 4 осуществляется посредством шпилек 7. Представленное крепление создает нагруженное состояние пакета пластин 6, что обеспечивает необходимую жесткость конструкции. В верхних пластинах пакета 6 посредством резьбового соединения фиксируется пробка 5. Пробка 5, пакет пластин 6 и винт 4 расположены соосно относительно друг друга. Торцевая плоскость глухого отверстия пробки 5 выполнена перпендикулярно оси конструкции. Торцевая поверхность с рельефным профилем цилиндрического волновода 3 опирается на дно глухого отверстия пробки 5. Полость глухого отверстия пробки 5 с цилиндрическим волноводом 3 залита клеящей звукопоглощающей смолой. Размеры конструкции волноводного датчика импульсных давлений выбраны таким образом, что торец резьбовой части винта 4 совпадает с плоскостью ступеньки приемного волновода 2. Датчик фиксируется посредством резьбового соединения винта 4 в профильном отверстии стенки обрабатываемого объекта 8. Конструкция волноводного датчика обеспечивает соосное расположение волноводов 2, 3 и пьезоэлектрической таблетки 1 относительно отверстия в стенке объекта 8, моделирование его жесткого крепления и предотвращение возникновения статического нагружения пьезоэлектрического таблетки 1. Длина элемента меньшего сечения приемного волновода 2 равна длине сквозного отверстия 9 объекта 8. Таким образом, свободная торцевая поверхность приемного волновода 2 и нагружаемая поверхность стенки объекта 8 находятся в единой плоскости, причем сквозное отверстие 9 и диаметр элемента меньшего сечения приемного волновода 2 выполнены с обязательным минимальным зазором. Равенство длин элемента меньшего сечения волновода 2 и сквозного отверстия 9 рассматриваемого объекта 8 обеспечивают минимизацию проявления дифракции падающей волны на торце приемного волновода 2. Обязательное наличие минимального зазора между внутренней поверхностью отверстия 9 в стенке объекта 8 и элементом приемного волновода 2 предотвращает влияния на истинный импульс сдвиговых волн, возбуждающихся в стенке объекта 8.
Датчик работает следующим образом: падающая ударно-акустическая волна в среде 10 воздействует на торец приемного волновода 2, вследствие чего в последнем возникает волна упругой деформации, распространяющаяся по приемному волноводу 2 и достигающая пьезоэлектрическую таблетку 1. Деформация пьезоэлектрической таблетки 1 преобразуется в электрический сигнал. Волна деформации, прошедшая через таблетку 1, поглощается и рассеивается волноводом в виде цилиндра из пористого металла 3 за счет наличия на свободной торцевой части рельефного профиля в виде пирамид, а на боковой поверхности - резьбового профиля. Составной пакет пластин 6, выполненных из различных звукопоглощающих материалов и скрепленных при помощи шпилек 7, является акустической развязкой и предназначен для предотвращения паразитного влияния с "тыльной" стороны на пьезоэлектрическую таблетку 1 механического возмущения, распространяющегося по телу объекта 8 и корпусу датчика, и далее по волноводу в виде цилиндра 3. Нагруженное состояние пакета пластин 6 обеспечивают жесткость конструкции всего датчика. Датчик представляется как генератор напряжения с емкостным, внутренним сопротивлением. Генерируемый пьезоэлектрической таблеткой электрический сигнал через соответствующую RC-цепочку регистрируется запоминающим осциллографом.
Таким образом, использование приемного волновода в виде стержней меньшего и большего сечения позволяет производить регистрацию мощных ударно-волновых воздействий, тем самым произведено расширение диапазона измеряемых амплитуд давлений. Акустическое согласование сред пьезокерамической таблетки и цилиндрического волновода, а также выполнение приемного волновода за одно целое обеспечивает повышенную точность измерения давления. Выполнение волновода в виде цилиндра уменьшает габаритные размеры датчика, а наличие рельефного профиля на торцевой и боковой поверхности обеспечивает прогнозируемую точность измерений.
Формула изобретения
Волноводный датчик импульсных давлений, содержащий волноводы различной длины, разделенные пьезоэлектрической таблеткой, и волновод в виде стержня меньшего сечения, отличающийся тем, что волноводы в виде стержней меньшего и большего сечений выполнены за одно целое и образуют приемный волновод, а другой выполнен в виде цилиндра из металла с равномерно убывающей пористостью от торца к свободному концу, торцевая поверхность которого имеет рельефный профиль в виде пирамид, а боковая поверхность имеет резьбовой либо пилообразный профиль, причем диаметр цилиндра превышает диаметр пьезоэлектрической таблетки.
РИСУНКИ
