RU2808718C1 - Пьезоэлектрический манометр для статических измерений - Google Patents
Пьезоэлектрический манометр для статических измерений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808718C1 RU2808718C1 RU2023119967A RU2023119967A RU2808718C1 RU 2808718 C1 RU2808718 C1 RU 2808718C1 RU 2023119967 A RU2023119967 A RU 2023119967A RU 2023119967 A RU2023119967 A RU 2023119967A RU 2808718 C1 RU2808718 C1 RU 2808718C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- pressure gauge
- housing
- piezoceramic
- piezoelectric
- Prior art date
Links
- 230000003068 static effect Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 3
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 claims 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления жидкостей, газов и как датчик глубины. Пьезоэлектрический манометр для статических измерений содержит пьезокерамический чувствительный элемента, установленный в корпусе, генератор знакопеременного сигнала, конденсатор и фильтр нижних частот. Корпус, состоящий из основания и крышки, имеет внутренний объем, превышающий объем чувствительного элемента, отверстия для стыковки с магистралями или средой, и отверстия с герметизацией для ввода проводов. Пьезокерамический чувствительный элемент выполнен в форме цилиндра с радиальной поляризацией, на внешнюю и внутреннюю поверхности которого нанесена металлизация, покрыт диэлектрическим акустически прозрачным покрытием и прикреплен к выступам основания корпуса, которое плотно соприкасается с крышкой с нанесением герметизирующего слоя по всей площади контакта деталей. Выход генератора соединен через конденсатор с входом пьезокерамического чувствительного элемента. Выход фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом пьезоэлемента, является выходом манометра, причем частота среза фильтра равна наибольшей частоте давления. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение надежности манометра для статических измерений за счет исключения мембран и других подвижных элементов. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления жидкостей, газов и как датчик глубины.
Известен пьезоэлектрический датчик давления (Патент РФ № 2457452, Пьезоэлектрический датчик давления), содержащий корпус с внутренним отверстием и перекрывающей его мембраной, выполненной как единое целое с корпусом, установленную в отверстие корпуса цилиндрическую силопередающую втулку, пьезоэлементы, токосчетчик и прижимной элемент. Мембрана выполнена плосковогнутой. Цилиндрическая силопередающая втулка со стороны мембраны выполнена в виде усеченного конуса, а со стороны пьезоэлементов имеет цилиндрическое углубление с цилиндрическим выступом в центре углубления. Пьезоэлементы помещены в изолирующую цилиндрическую гильзу, которая размещена в углублении силопередающей втулки так, что один из пьезоэлементов контактирует с выступом в углублении втулки. Недостатками этого преобразователя являются не работоспособность в статическом диапазоне и низкая надежность из-за применения трущихся деталей.
Известен пьезоэлектрический датчик давления (Патент РФ № 2743633, Пьезоэлектрический датчик давления), содержащий корпус, стакан, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и токосъемника, стакан закрывает чувствительный элемент и поджимает его к основанию датчика с усилием, равным суммарному усилию от максимально возможного воздействия на чувствительный элемент статического и динамического давлений, причем, стакан выполнен из диэлектрика и закрывает боковую поверхность чувствительного элемента на скользящей посадке. В корпус введена крышка с множественной перфорацией, а в передний торец пьезоэлемента введен второй токосъемник, связанный с электрическим возбудителем обратного пьезоэффекта с малой амплитудой и частотой, близкой к частоте собственных колебаний пьезоэлемента. Возбуждение позволяет работать устройству в статическом режиме. Недостатком приведенного преобразователя является низкая надежность, обусловленная скользящей посадкой.
Наиболее близким является пьезоэлектрический манометр (SU Патент № 1006953, Пьезоэлектрический манометр), в корпусе которого установлены пьезоэлемент, мембрана, источник переменного напряжения и измерительный прибор, причем, пьезоэлемент выполнен в виде пластин, закрепленных в корпусе так, что часть пластин выступает за пределы корпуса, при этом часть пластины, расположенная в корпусе, поляризована по толщине и покрыта по основным плоскостям электродами, один из которых непосредственно, а другой через вход измерительного прибора подключены к источнику переменного напряжения, а часть пластины выступающая за пределы корпуса, поляризована вдоль и расположена с зазором относительно мембраны, которая охватывает с двух сторон и прикреплена к корпусу консольно. В данной схеме реализован параметрический метод, который заключается в том, что под действием давления меняется зазор между мембраной и пьезопластиной, в результате чего меняется импеданс преобразователя и величина тока. Недостатком приведенного устройства являются низкие точность и надежность.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности пьезоэлектрического манометра для статических измерений.
Поставленная задача решается за счет того, что пьезоэлектрический манометр для статических измерений, как и известный манометр содержит генератор переменного напряжения и, установленный в корпусе пьезокерамический элемент, к которому подведены гермовыводы для подачи и съема напряжения, но в отличии от известного в предлагаемом устройстве пьезоэлемент выполнен в форме полого цилиндра с радиальной поляризацией и металлизацией поверхностей, защищенного диэлектрическим акустически прозрачным покрытием и прикрепленного к выступам основания корпуса, имеющего отверстия для стыковки с магистралями или средой.
Достигаемым техническим результатом является повышение надежности манометра для статических измерений за счет исключения мембран и отсутствия подвижных элементов.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого манометра для статических измерений, на фиг. 2 показан в разрезе пьезоэлемент в корпусе.
Пьезоэлектрический манометр (фиг. 1) содержит генератор 1, конденсатор 2, корпус 3, в котором установлен пьезокерамический чувствительный элемента 4, и фильтр нижних частот 5.
Корпус 3 должен иметь внутренний объем, превышающий объем чувствительного элемента 4, а также содержать отверстия для стыковки с магистралями или средой, и отверстия с герметизацией для ввода проводов.
Пьезокерамический чувствительный элемент 6 (фиг. 2) выполнен в форме цилиндра с радиальной поляризацией. На внешнюю и внутреннюю поверхности чувствительного элемента нанесена металлизация 7, а для защиты от коррозии и другого вредного воздействия среды нанесено акустически прозрачное покрытие, например, поливинилхлорид Пьезокерамический чувствительный элемент закреплен на выступах основания 8, например приклеен. Основание плотно соединено с крышкой 9 с нанесением герметизирующего слоя по всей площади контакта деталей. Основание 8 и крышка 9 образуют корпус 3 манометра. Расстояние между выступами основания 8 зависит от величин наружного и внутреннего радиусов чувствительного элемента. Крышка 9 имеет ввод для проводов 10 с герметизацией, а также отверстия 11 для стыковки с магистралями или средой.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 возбуждает знакопеременный сигнал, который проходит через конденсатор 2, необходимого для исключения шунтирования низкочастотной составляющей сигнала выходным импедансом генератора. Фильтр нижних частот 5, частота среза которого равна наибольшей частоте давления, служит для выделения полезного сигнала, содержащего информацию о действующем давлении.
Для обеспечения работоспособности чувствительного элемента в области инфранизких частот используется возбужденный режим работы пьезокерамики. Под действием напряжения возбуждения в элементе из-за наличия акустического и механического импедансов возникают механические знакопеременные радиально направленные напряжения, которые суммируются с механическим напряжением, вызванным воздействием давления. Суммарное напряжение на входе фильтра нижних частот можно представить в виде: , где - напряжение знакопеременного сигнала возбуждения, - напряжение, синфазное с напряжением возбуждения и амплитудой намного меньше амплитуды напряжения возбуждения , - напряжение смещения средней линии знакопеременного сигнала, вызванное давлением P.
Манометр работает в частотном диапазоне до 5кГц. Частота возбуждения должна быть меньше частоты резонанса и определяется отношением: - скорость звука, - наружный радиус, - внутренний радиус цилиндра.
Напряжение на выходе фильтра 5 должно лежат в нормированном диапазоне напряжений. В измерительной технике существует три нормированных диапазона напряжений: , исходя из выбора диапазона напряжений подбирается коэффициент усиления фильтра 5.
Зависимость между давлением, воздействующим на прибор, и электрическим напряжением на его выходе определяется также как для гидрофона с пьезокерамическим чувствительным элементом. Согласно ГОСТ IEC-62127-1-2015 соотношение между давлением и напряжением на выходе датчика выражается через чувствительность на конце кабеля гидрофона под нагрузкой по формуле , где мкВ/Па для чувствительного элемента диаметром 1 мм. Рабочее давление должно лежать в диапазоне от 1/3 до 2/3 шкалы измерения манометра.
Исходя из вышеизложенного, при выборе диапазона напряжений на выходе манометра для измерения давления от 0 до 10 атм (0,98 МПа) и от 0 до 100 атм (9,8 МПа) коэффициент усиления фильтра будет составлять и , соответственно.
Как видно из описания манометра, в его конструкции нет ни одной подвижной детали, за счет использования в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрика в форме полого цилиндра с металлизированной поверхностью и с радиальной поляризацией.
Claims (1)
- Пьезоэлектрический манометр для статических измерений, содержащий установленный в корпусе пьезокерамический чувствительный элемент, к которому подведены гермовыводы для подачи и съема напряжения, генератор знакопеременного сигнала, выход которого соединен через конденсатор с входом пьезоэлемента, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом пьезоэлемента, а выход является выходом манометра, отличающийся тем, что пьезокерамический элемент выполнен в виде полого цилиндра с радиальной поляризацией и металлизацией поверхностей, защищенного диэлектрическим акустически прозрачным покрытием и прикрепленного к выступам основания корпуса, имеющего отверстия для стыковки со средой.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2808718C1 true RU2808718C1 (ru) | 2023-12-01 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1006953A1 (ru) * | 1979-12-26 | 1983-03-23 | Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Пьезоэлектрический манометр |
US6176138B1 (en) * | 1998-07-15 | 2001-01-23 | Saba Instruments, Inc. | Electronic pressure sensor |
US8375793B2 (en) * | 2011-02-10 | 2013-02-19 | Dytran Instruments, Inc. | Accelerometer for high temperature applications |
RU202246U1 (ru) * | 2020-07-06 | 2021-02-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Пьезоэлектрический акселерометр |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1006953A1 (ru) * | 1979-12-26 | 1983-03-23 | Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Пьезоэлектрический манометр |
US6176138B1 (en) * | 1998-07-15 | 2001-01-23 | Saba Instruments, Inc. | Electronic pressure sensor |
US8375793B2 (en) * | 2011-02-10 | 2013-02-19 | Dytran Instruments, Inc. | Accelerometer for high temperature applications |
RU202246U1 (ru) * | 2020-07-06 | 2021-02-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Пьезоэлектрический акселерометр |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4546658A (en) | Piezoelectric force/pressure sensor | |
SU629496A1 (ru) | Акустический преобразователь ультразвука | |
RU2382441C2 (ru) | Электроакустический сенсор для сред с высоким давлением | |
Noble et al. | Novel, wide bandwidth, micromachined ultrasonic transducers | |
JPS62154900A (ja) | 超音波センサ | |
JPH0643044A (ja) | 複合した力、ひずみ及び音響の発生変換器 | |
CN116338536A (zh) | 磁场测量传感器、系统及方法 | |
EP1731229A1 (en) | Ultrasonic transducer drive method | |
RU2808718C1 (ru) | Пьезоэлектрический манометр для статических измерений | |
US4756192A (en) | Shock wave sensor | |
US6564649B1 (en) | Ultrasonic doppler flow-meter | |
EP0944817B1 (en) | Method and apparatus for electronic compensation of erroneous readings caused by resonance in a capacitive pressure transducer | |
US6584848B1 (en) | Non-destructive evaluation method employing dielectric electrostatic ultrasonic transducers | |
JP4214551B2 (ja) | 超音波音圧センサ | |
Kawamura et al. | Development of a high voltage sensor using a piezoelectric transducer and a strain gage | |
KR100924417B1 (ko) | 고압 환경용 전자 음향 센서 | |
JP3341091B2 (ja) | 超音波変位センサ | |
JP4591858B2 (ja) | 超音波液体流速センサ | |
SU1589197A1 (ru) | Устройство дл измерени акустического сопротивлени материалов | |
JP2001299708A (ja) | 超音波振動変位センサ | |
JP2003232823A (ja) | 電位測定素子 | |
SU1428952A1 (ru) | Преобразователь механических напр жений | |
SU930034A1 (ru) | Звуковой течеискатель | |
SU1663405A1 (ru) | Способ определени деформаций в изделии | |
SU905671A1 (ru) | Датчик давлени |