SU1339420A1 - Пьезометрический датчик давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано дл  измерений импульсных давлекий большой длительности. Цель изобретени  - повьппение точности. Датчик состоит из пьезоэлемента 1 и волновода 2. В датчике отраженные от его границ упругие волны гас т друг друга с требуемой точностью. Уменьшаетс  составл юща  погрешности измерений , обусловленна  вли нием отраженных волн расширени  и волн искажени  на работу пьезоэлемента I. В результате увеличен верхний предел длительности измер емого импульсного давлени  без увеличени  длины волновода 2, т.к. на характер распространени  упругих волн в этом волноводе не вли ет длительность измер емого импульсного давлени . 2 ил. 2 сл Пврбый участок HMnifJitic даблени  Третий т Риг.1

Description

Изобретение относитс  к контроль- но-измерительной технике и может быть использовано дл  измерений импульсных давлений большой длительности , например, в электрогидравлической штамповке.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности за счет исключени  вли ни  упругой волны в волново-)- .де, отраженной от его другого конца.

На фиг,1 и 2 схематически изображен пьезометрический датчик давлени 

Датчик состоит из пьезоэлемента 1, установленного на одном конце от волновода 2, который акустически согласован с пьезоэлементом. Волновод 2 содержит 3 участка. Первый участок представл ет собой стержень перемен- площадь которого в мес- всех трех участков равного сечени ,

те соединени  на F . Второй в виде полого усеченного конуса и третий в виде цилиндра участки имеют равные акустические длины и представл ют собой волноводы посто нного поперечного сечени , нормального к направлению распространени  упругой волны вдоль каждого из них, с площад ми F, и F соответственно . Второй участок волновода ограничен отражающей поверхностью П1 обладающей свойством, свободной границы , а третий участок - отражающей поверхностью П2, обладающей свойством границы с жесткой св зью. При этом на обеих отражающих поверхност х выполн етс  условие нормального падени  распростран ющихс  во втором и третьем участках волновода упругих волн, образующихс  в результате разделени  фронта пр мой упругой волны, распростран ющейс  в первом участке волновода, в месте соединени  всех трех участков. Площади F , F и Fj удовлетвор ют услови м

F,

V J. -р . -рг /V тг /у

г, т .с , /г, V, / v

где Vj и V, - модули коэффициентов отражени  дл  поверхностей П1 и П2 соответственно

Датчик работает следующим образом. При воздействии импульса давлени  на пьезоэлемент 1 возникает пр ма  упруга  волна сжати  (расширени ) Pj , распростран юща с  вдоль первого участка волновода 2. Пройд  рассто ние 1, фронт упругой волны Р, претерпевает разделение на два фронта, образующие упругие волны расширени  Pj и PJ соответственно. При этом выполн етс  условие

A,dF 1 +1 A,dF,

где

I А,

- амплитуда упругой волны Р.

в месте разделени  ее фронта;

AJ - амплитуды упругих волн Р и Р, соответственно;

ci F - злемент площади поперечного сечени  участка волновода, нормального к направлению распространени  упругой волны .

Если А , А, А

3

то

переходит в соотношение.

это условие которое выполн етс  дл  площадей F , F и Fj . Волны расщирени  Р и Р, распростран ютс  вдоль второго и третьего участков волновода соответственно.

Дойд  до границы второго участка волновода, упруга  волна отражаетс  от поверхности П1. При этом образуетс  волна расширени  , . амплитуда которой равна , а фаза отличает0

0

Т

Таким образом, Р представл ет собой волну

5

с  от фазы 7 на

волна ч i

раст жени . Упруга  волна Fj , дойд  до границы третьего участка волновода , отражаетс  от поверхности П2. При зтом образуетс  волна сжати  Р, ,

амплитуда которой равна V, А j

5

Упру-

гих волн искажени  при отражении Р2 и РЗ не образуетс , так как происходит нормальное падение этих волн.

Пройд  второй и третий участки волновода, отраженные упругие волны расширени  Pj и Pj взаимодействуют между собой, в результате чего они гас т друг друга. Это следует из соотношени 

-jA,V,dF + JA,V,dF -ь

Fe. F -t- УЗ AjFj n.

Таким образом, на пьезоэлемент 1 не воздействуют упругие волны, отраженные от границ волновода 2.

На характер распространени  упругих волн в волноводе не вли ет длительность измер емого нмпульса давлени . Дл  предлагаемого датчика верхний предел длительности .измер емого импульсного давлени  определ етс  не длиной волновода, а значением

входного сопротивлени  измерительного устройства, подключенного к пьезо- элементу. Это св зано с тем, что указанное сопротивление определ ет посто нную времени измерительной це пи, состо щей из пьезоэлемента и измерительного устройства, котора  определ ет точность измерени  амплитуды импульса давлени  данной длительности . При практической реализации предлагаемого датчика, учитыва  не-, точности изготовлени  его волновода, которые могут привести к неполному гашению отраженных волн в месте разделени  фронта пр мой упругой волны, следует длину первого участка волновода между точками О и 0 выбирать большей, чем длина второго и третьего участков. В этом случае можно обеспечить с достаточно высокой точностью условие параллельности фронтов отраженных упругих волн, которое обеспечит их полное гашение на участке волновода между точками О и 0, На практике границу с жесткой св зью и свободную границу реализуют с некоторым приближением.

Пьезоэлемент 1 (фиг.2), выполненный из кварца, установлен на одном конце волновода 2. Другой конец волновода образован поверхност ми П1 и П2, на которых укреплены цинковые пластины 3 и 4 h 1 К пластине 3, укрепленной на поверхности П2, присоединена стальна  шпилька 5. При установке датчика шпильку 5 ввинчивают в массивное тело 6, изготовленное из стали. Этим обеспечиваетс  опирание тонкой пластины 3 на жесткую стенку. Пластина 4, установленна  на поверхности П1, второй своей стороной граничит с воздухом . Такое опирание пластины 4 реализует свободную границу. Волновод 2 выполнен из алюмини .

Использование волновода, в котором отраженные от его границ упругие волны гас т друг друга с -требуемой- точностью, отличает предлагаемый датчик от известного, так как уменьшаетс  составл юща  погрешности измере-

.

0

5

5

0

5

НИИ, обусловленна  вли нием отраженных как волн расширени , так и волн искажени  на работу пьезозлемента. В результате увеличиваетс  верхний предел длительности измер емого импульсного давлени  без увеличени  длины волновода, так как на характер распространени  упругих волн в этом волноводе не вли ет длительность измер емого импульсного давлени . Предлагаемый датчик прост по устройству и дешев по сравнению с известным, а также обладает меньшими габаритными размерами.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Пьезометрический датчик давлени , содержащий пьезоэлектрический элемент , соединенный с одним из концов акустического волновода, состо щего из сплошного стержн  и соединенного с ним тела вращени , о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью повьш1е- ни  точности, в нем тело вращени  выполнено в виде полого усеченного конуса и размещенного внутри него сплошного цилиндра, имеющих равные акустические длины, причем конус подсоединен к торцу стержн  малым основанием , а цилиндр - одним из торцов, стенки конуса выполнена с посто нным сечением, нормальным к образующей конуса , при этом в месте соединени 

   F(

   + F,, где F,, F

   7

   FJ - соот

   ветственно площади нормальных к образующим сечений стержн , малого основани  конуса и цилиндра, причем поверхности большего основани  конуса и второго торца цилиндра снабжены отражаюш 1ми пластинаг-ш, при этом отражающа  пластина цилиндра жестко закреплена на основании, а

   45

   II

   f.

   Xi у„

   где V

   г

   V3 7

   соответственно модули коэффициентов отражени  дл  отражающих пластин и контактирукшщх с ними поверхностей конуса и цилиндра.

   Редактор И. Шулла

   Составитель А„ Соколовский

   Техред В.КадарКорректор М, Пожо

   4212/32

   Тираж 776Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4