RU1770792C - Датчик давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к приборостроению , в частности к ультразвуковым датчикам давлени  с частотным выходом, и может быть использовано дл  измерени  абсолютного и вакуумметрического давлени  жидкостей и газов, а также герметичности различных закрытых систем в автомобилестроении , авиационной и медицинской технике . Использование изобретени  увеличивает точность измер емого давлени , что обеспечивает точную количественАкустическа  Ц цель обратной сб зи ную оценку, например, степень натекани  (герметичности) различных закрытых систем . Это достигаетс  за счет улучшени  од- ночастотного режима работы автогенератора датчика давлени  путем уменьшени  уровн  ложных сигналов в акустической цепи обратной св зи и улучшени  селективности автогенератора в результате использовани  узкополосного фильтра в цепи автогенератора. Цепь акустической обратной св зи автогенератора образована п ьезоэле ктрическими п реобразовател   ми 7, 8 (пьезоп астинами), акустической призмой 5, жидкостью 6, мембраной 4. Пьезоэлектрические преобразователи 7, 8 размещены на наклонных гран х призмы 5, расположенных под углами а, /, д к ее основанию . Причем акустическа  призма 5 установлена на дне корпуса 1 напротив отражающей поверхности мембраны 4 таким образом, что ее основание расположено под углом а к отражающей поверхности мембраны 4, при этом углы а,/, 6 выбраны из определенных условий, приведенных в формуле изобретени . 3 ил. со С VI 3 vj О Ю X7 Л Ю Фиг.}

Description

Изобретение относитс  к приборостроению , в частности к ультразвуковым датчикам давлени  с частотным выходом, и может найти применение в различных контрольно- измерительных устройствах, например, дл  контрол  герметичности систем в автомобильной , авиационной технике.

Известный ультразвуковой датчик давлени , состо щий из корпуса, частично заполненного жидкостью, упругого элемента (силь фона), пьезоэлектрического преобразовател , размещенного на дне корпуса напротив сильфона и электрической измерительной схемы,  вл ющейс  устройством обработки информации. Работа устройства основана на эффекте зависимости амплитуды выходного эхо-сигнала отраженной ультразвуковой волны от дна сильфона, в зависимости от перемещени  упругого элемента (дна сильфона) при изменении давлени  внутри сильфона. Основным недостатком устройства  вл етс  низка  точность из-за использовани  амплитудного метода дл  оценки величины воздействующего на упругий элемент давлени , котора  составл ет пор дка нескольких процентов.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  датчик давлени  с частотным выходом, состо щий из корпуса, частично заполненного жидкостью, упругого элемента (мембраны ), расположенного в корпусе, напротив его дна, выполненного выпуклым в виде двух плоскостей, расположенных под некоторым углом к плоскости, перпендикул рной отражающей поверхности мембраны, двух пьезоэлектрических преобразователей , расположенных на соответствующих наклонных гран х, автогенератора, в цепи обратной св зи (ОС) которого включены преобразователи. Работа устройства основана на зависимости частоты выходного сигнала автогенератора от времени задержки прохождени  акустической волны от одного преобразовател  до другого в цепи ОС автогенератора, при смещении мембраны в результате воздействи  на него внешнего давлени . Датчик обладает чувствительностью к внешнему воздействующему давлению , однако близкое расположение пьезоэлементов друг к другу и большое различие между импедансами жидкости и пье- зопреобразователей приводит к большой величине ложных сигналов, которые нарушают одночастотный режим работы автогенератора и, следовательно, привод т к снижению точности определени  давлени . Даже прин тием специальных мер, а именно , загрублением поверхностей в области расположени  пьезоэлектрических преобразователей , не удаетс  полностью избавитьс  от ложных сигналов (максимальный уровень подавлени  составл ет 15-20 дБ), т.е. одновременно происходит уменьшение амплитуды основного сигнала.

Цель изобретени  - увеличение точности измерени  давлени .

Предлагаемый датчик давлени  схематично изображен на фиг, 1 и состоит из корпуса 1 со штуцерами 2 и 3, упругого элемента 4, например, мембраны, раздел ющей объем корпуса на две части, причем внутренний объем корпуса соединен через входной штуцер 2 с объемом объекта где измер етс  давление, акустической призмы

5, располагаемой на дне корпуса 1, жидкости 6, заполн ющей объем корпуса между упругим элементом 4 и акустической призмой 5, пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, выполненных в виде пьезопластин

с электродами, которые располагаютс  на соответствующих боковых наклонных гран х призмы 5, при этом основание наклонной акустической призмы 5 расположено под углом а к отражающей поверхности

упругого элемента 4, а наклонные грани призмы расположены под углами, выбранными из соотношени  (см. фиг 2)

30

a 1 (arcsin 1/K) - arcsin ( sin/3), д - arcsin К sin 2 а + arcsin (-г sin /),

гдеК упр/уж,

v - скорость продольной акустической волны в жидкости, м/с,

vnp - скорость продольной акустической

волны в призме, м/с.

автогенератора 9, в цепи акустической положительной обратной св зи которого в качестве частотно-зависимого элемента включена акустическа  цепь, состо ща  из

пьезоэлектрических пластин 7, 8 с металлическими электродами 10, 11, 12, 13, жидкости 6 и упругого элемента 4. Автогенератор 9 выбран по схеме резонансного усилител , охваченного цепью положительной обратной св зи, дл  сохранени  необходимой селективности датчика. Электрическа  схема автогенератора показана на фиг. 3. Автогенератор состоит из каскадно включенных резонансного усилител , выполненного на

транзисторе 71, с резонансным контуром в цепи коллектора Тр, С2, настроенным на резонансную частоту пьезопластин 7, 8, и эмиттерного повторител , выполненного на транзистореТ2. Элементы R1, R2, R3, R4, R5,

R6 предназначены дл  работы транзисторов И иТ2 в режиме посто нного тока, а С1, С4, С5 - разделительные конденсаторы, Конденсатор СЗ образует цепь отрицательной обратной св зи по переменному току у транзистора Т1 и определ ет коэффициент усилени  резонансного усилител . На входе резонансного усилител  и на выходе эмит- терного повторител  непосредственно подключены пьезоэлементы 7 и 8 частотно-зависимой регулируемой по вре- мени задержки цепи ОС, образующей цепь положительной ОС автогенератора 9. Датчик давлени  работает следующим образом . После подачи напр жени  питани  от внешнего источника напр жени  на автоге- нератор 9 он возбуждаетс  за счет выполнени  услови  самовозбуждени  и при наличии положительной обратной св зи (ОС). Цепь обратной св зи включает в себ  ультразвуковую линию задержки, выпол- ненную из пьезоэлектрических пластин 8, 7, с электродами 10, 11, 12, 13, акустической призмы 5, жидкости б и отражающего упругого элемента (мембраны) 4.

Акустическа  волна продольной пол - ризации, возбуждаема  пьезопластиной 7, распростран етс  по акустической призме 5 в сторону ее основани , где претерпевает преломление по закону Снеллиуса на угол у при переходе границы между твердой по- верхностью призмы 5 и жидкостью 6 и далее распростран етс  в жидкость 6 до отражающей поверхности мембраны 4, фиг. 2.

Так как акустический импеданс акустической призмы 5 выбран равным

2призмы Zppeo6p. Zx .

где Z0peo6p - акустический импеданс преобразовател ;

2Ж - акустический импеданс жидкости, то часть акустической энергии проходит через границу в жидкость.

Далее акустическа  волна, пройд  сквозь жидкость, полностью отражаетс  от плоской поверхности мембраны 4, т.к. Z мембраны , и снова попадает на основание акустической призмы 5 со стороны жидкости 6 и после преломлени  под углом д к основанию попадает на пьезопластину 8 и затем на вход уси- лител  автогенератора 9. Таким образом замыкаетс  цепь положительной обратной св зи автогенератора 9. При изменении давлени  в штуцера 2, соединенным с объемом , где измер етс  давление, происходит прогиб мембраны 4, а следовательно, измен етс  длина пути, пройденного акустической волной от одной пьезопластины до другой, и врем  задержки цепи ОС автогенератора 9. При этом частота выходного сигнала автогенератора 9. т.е. датчика давлени , будет измен тьс  обратно пропорционально изменению времени задержки Т, и пр мо пропорционально давлению

дат

Т

где п - коэффициент пропорциональности,

т И + 2 , з

VnpM3Mуж

И, 12, з - рассто ни , проходимые акустической волной соответственно в акустической призме и жидкости,

VnpnsM - скорость акустической волны в призме.

Дл  соблюдени  услови  одночастотно- сти работы автогенератора он выполнен по схеме резонансного усилител , охваченного цепью положительной ОС, что обеспечивает необходимый резонансный коэффициент усилени  усилител  и одновременно высокую добротность его колебательного контура и необходимую полосу пропускани .

Дл  уменьшени  изрезанное™ амплитудно-частотной характеристики цепи ОС автогенератора, вызванной наличием многократных переотражений акустической волны между мембраной 4 и основанием призмы 5, последн   рс змещенэ относительно отражающей поверхности мембраны 4, таким образом, что основание призмы 5 составл ет угол а с отражающей поверхностью мембраны 4.

В результате после второго отражени  ультразвуковой волны от мембраны она попадает на плоскость основани  акустической линзы под углом 4а +у , равным или большим критического угла преломлени  (согласно закону Снеллиуса) и, следовательно , не попадает на пьезопластину 8.

Угол а находитс  при условии, что волновой фронт прошедшей основной задержанной акустической волны, падающей на приемный преобразователь, должен быть параллелен наклонной поверхности призмы , где размещен этот пьезоэлектрический преобразователь, и определ етс  из соотношений

а 1 (arcsfn 1/К) - arcsin ( sin/), д arcsin. К sin (2 а + arcsin (тг sin/8).

При соблюдении полученных условий дл  углов отД/J устран етс  одна из основных причин мелкой структурной изрезанно- сти АЧХ цепи ОС, т.е. на выходе будут отсутствовать ложные сигналы.

Таким образом, дл  выходного сигнала автогенератора вида

(c05WT04-jSinwT0) +

N

SA;

t-H

(co5WTu, + J5ino3Ti+,)7

где То - врем  задержки основного сигнала, Т|+1 - врем  задержки ложных сигналов, 1 0, 1,2,...,

о)- кругова  частота: АО, AI-M - амплитуды основного и ложных сигналов, частота которого находитс  из выражени 

fa&co - KI Tf- о

где KI - коэффициент пропорциональности, абсолютна  и относительна  ошибки частоты , определ ющие точность фиксации давлени , будут равны соответственно

Af Ki

AT

Т2о

Af AT Aj

faoco To/U/ T0(p

где фаза результирующего выходного сигнала определ етс  выражением

Датчик давлени , содержащий заполненный жидкостью корпус с дном, установленный в корпусе упругий чувствительный элемент и два пьезоэлектрических преобразовател , включенные в цепь обратной св зи автогенератора, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  точности, в него введена акустическа  призма, установленна  в дне корпуса и обращенна  своим основанием к поверхности упругого элемента, контактирующей жидкостью, при этом основание призмы расположено под углом а к плоскости поверхности упругого элемента, а боковые грани призмы выполнены под углами / и б к основанию призмы и на них 35 установлены пьезоэлектрические преобразователи , причем величины углов а., fi и д выбраны из условий

40

11

«(arcsin 1/К)-arcsin(-|7 sin/),

arcsin K-sin 2« + arcsin(l-sin,

A0cosfoT0+2:A-1+,co5CoTj+,

1 0

Отсюда видно, что чем меньше амплитуда ложных сигналов AiAN относительноVnp-скорость продольной акустической

амплитуды основного сигнала А0, тем мень- волны в пРизме- м/с

ше вклад в ошибку будут вносить ложныецп v -скорость продольной акустической

PMruanlJ50 ВОЛНЫ В ЖИДКОСТИ, М/С.

сигналы.

Так как у нас полностью устран етс  прохождение ложных сигналов за счет введени  угла а, равного или большего критического угла, дл  падающих на призму со

стороны жидкости ложных сигналов, то погрешность , вносима  ложными сигналами в измерение давлени , практически полностью устран етс  и определ етс  в основном точностью определени  времени

задержки (ФАЗЫ) основного сигнала в цепи ОС.

В результате повышаетс  точность определени  давлени  датчиком. Кроме того, улучшаютс  услови  одночастотного режима работы автогенератора и, следовательно , стабильность его работы.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик давлени , содержащий заполненный жидкостью корпус с дном, установленный в корпусе упругий чувствительный элемент и два пьезоэлектрических преобразовател , включенные в цепь обратной св зи автогенератора, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  точности, в него введена акустическа  призма, установленна  в дне корпуса и обращенна  своим основанием к поверхности упругого элемента, контактирующей жидкостью, при этом основание призмы расположено под углом а к плоскости поверхности упругого элемента, а боковые грани призмы выполнены под углами / и б к основанию призмы и на них установлены пьезоэлектрические преобразователи , причем величины углов а., fi и д выбраны из условий

   Vnp-скорос

   ю

   3

   8

   п

   «U rl 5Й V 1Лп « ч

   Акустическа  цепь ОС

   Фиг. 2.

   Ј

   Т2

   /