SU1624331A1 - Измерительный преобразователь давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности измерений путем контрол  чувствительности преобразовател  давлени  в процессе работы. Общий электрод и составной электрод в виде пар элементов расположены на внешней и внутренней поверхност х пьезоэлемента соответственно. Электроды каждой пары элементов составного электрода электрически св заны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку пол ризации област х пьезоэлемента . На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов. Дополнительные электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента. Электроды каждой пары электрически св заны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку пол ризации област х пьезоэлемента. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой дл  каждой пары. По изменению коэффициента передачи суд т об изменении чувствительности преобразовател . 4 ил Ё

Description

Изобретение относитс  к области контрольно-измерительной техники, в частности к приборам дл  измерени  продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости потока жидкости или газа, приборам дл  одновременного измерени  в одной точке потока двух или трех взаимно ортогональных компонент турбулентных пульсаций скорости.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений путем контрол  чувствительности преобразовател  в процессе работы.

На фиг 1 приведена конструкци  измерительного преобразовател  давлений; на фиг. 2 - выполнение электродов в измерителе скоростного напора потока; на фиг. 3 - то же, в измерителе мгновенного значени  вектора турбулентных пульсаций скорости потока; на фиг 4 - то же, в измерителе поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости потока.

Измерительный преобразователь давлени  содержит корпус 1, пьезоэлемент 2, общий электрод 3 и составной электрод в виде пар элементов 4, 5. Общий и составной электроды расположены на внешней и в нутренней поверхност х пьезоэлемента 2. Внешн   поверхность пьезоэлемента защищена термозащитным покрытием 6. Электроды каждой пары 4,5 составного электрода электрически св заны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку пол ризации област х пьезоэлемента 2. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов 7. Дополнительные электроды 7 расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента 2. Электроды каждой пары электрически св заны с парафазными выходами генератора 8 опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку пол ризации област х пьезоэлемента 2. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой дл  каждой пары. В корпусе 1 расположены встречный усилитель 9 и блок управлени  уровнем выходного сигнала генератора 10.

Преобразователь может выполн тьс  различных типов.

Измеритель пульсаций скоростного напора потока содержит одну пару 4 элементов составного электрода и две пары дополнительных электродов 7.

Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, элементы составного электрода расположены коаксиально и имеют вид сферического по са и сферического сегмента соответственно.

При контроле чувствительности пьезо- преобразовател  с обоих парафазных выходов генератора 8 на дополнительные электроды 7 подаетс  электрический сигнал равных уровней EKI и Ек2 и взаимно противоположной пол рности. В силу обратного пьезоэффекта в области пьезоэлемента под дополнительными электродами возбуждаютс  механические колебани  разных знаков , которые в силу упругости пьезоматериала передаютс  в области пьезоэлемента под элементами составного электрода 4, где в силу пр мого пьезоэффекта вновь преобразуютс  в электрический сигнал ЕС одного знака. При таком двойном преобразовании и при неизмен емой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразовани  Кп зависит от квадрата пьезомодул  материала dz.

Равенство площадей дополнительных электродов и их симметричное размещение

относительно сечени  пьезоэлемента, проход щего по лини м к нулевой пол ризации , располагающимс  между област ми пьезоэлемента под составным электродом,

обеспечивает равенство механической энергии возбуждени  в област х под дополнительными электродами.

Дл  компенсации емкостной св зи между дополнительными электродами и состав0 ным электродом пол ризаци  областей под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы с генератора 8 на каждый дополнительный электрод пары - взаимно противоположного знака, что при

5 равенстве электрических емкостей между дополнительными электродами и элементами составного электрода позвол ет полностью скомпенсировать электрическую составл ющую в передаче энергии между

0 ними. Коэффициент передачи Кп будет определ тьс  только значением квадрата пьезомодул  d2, который характеризует чувствительность пьезопреобразовател .

Таким образом, по изменению коэффи5 циента передачи Кп в цепи контрол  можно судить об изменении чувствительности пьезопреобразовател  непосредственно в процессе проведени  измерений.

Изготовленный пьезопреобразователь

0 помещают в поток с известным значением пульсаций скоростного напора пото.ка /oUU , где: р- плотность среды, U - средн   скорость потока, U - продольна  компонента пульсаций скорости потока, и измер ют

5 уровень выходного электрического сигнала с пьезопреобразовател  Ес.

Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора 8 с уровнем Е«, при котором уровень выходного сигнала с

0 пьезопреобразовател  оп ть будет равен Ее. Наход т коэффициент электромеханического эквивалента А по формуле

л Р U U t .

CK

5 В дальнейшем при градуировке пьезопреобразовател  уровни задаваемых пульсаций скоростного напора можно заменить уровн ми задаваемых Ек, при этом шкала сопоставл емых величин - линейна ,

0Измеритель мгновенного значени  вектора турбулентных пульсаций содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода, рабочий электрод 10 и одну пару дополнительных электродов 7.

5 Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, рабочий электрод и составной электрод расположены аксиально. Рабочий электрод 10 выполнен в виде сферического сегмента с углом раскрыва QI. Элементы составного электрода имеют вид четырех равных частей сферического по са, ограниченного граничными углами раскрыва ft nft . Углы удовлетвор ют условию

О 01 92 42° ± 0,5° вз 50° ± 0,5° .

Дополнительные электроды имеют вид двух равных частей сферического по са с граничными углами раскрыва бе, и 6Ь и расположены аксиально составному электроду. Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над област ми пьезоэлемента с противоположной по знаку пол ризацией или област ми с одинаковым знаком пол ризации (в первом случае дополнительные электроды расположены над област ми пьезоэлемента с противоположными по знаку пол ризаци ми). Углы в/ и ft удовлетвор ют условию 01 ft ft ft .

Турбулентные пульсации скоростного напора потока воздействуют на пьезоэле- мент 2 и генерируют на нем электрические зар ды, причем разделение сигналов по компонентам турбулентных пульсаций скорости происходит на самом пьезоэлементе благодар  конструкции элементов составного электрода и рабочего электрода, их размещению, знакам пол ризации областей пьезоэлемента и электрическому соединению этих электродов. Электрические зар ды от продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости (канал 1) будут нескомпенсированы лишь на рабочем электроде 10 (фиг. 2), а на парах элементов составного электрода 4, 5 эти сигналы будут электрически скомпенсированы, благодар  противофазному соединению этих электродов . Величина электрического зар да Опрод. от воздействи  продольной компоненты описываетс  выражением

Опрод Ai р- U -U F(0i), где AT - коэффициент преобразовани , завис щий от пьезосвойств материала (пьезо- модул  d);

р- плотность среды;

U - средн   скорость потока;

U - продольна  компонента ТПС;

F($i) - коэффициент формы и размеров рабочего электрода.

Дл  поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости (каналы 2 и 3) электрические зар ды и Оз на соответствующих парах элементов составного электрода 4 и 5 будут нескомпенсированы, причем величина электрического зар да на них описываетс  выражением

% А0 р U V -Фф.бЬ). 6Ь А0 р -U W Ф($г ,6Ь).

0

5

0

5

0

где V , W - взаимно ортогональные поперечные компоненты ТПС.

При изотропной турбулентности - Vw72 среднеквадратические значени  величины зар да по канапам 2 и 3 будут равны. Нормировка измерительных каналов 1-3 определ етс  равенством частотной характеристики каналов и подбором коэффициента усилени  канала измерени  продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости (канал 1)с использованием соотношени  AI F() АО Ф(0г.6Ь).

При выбранных размерах элементов составного электрода по условию равенства частотных характеристик каналов F($i ) const, Ф(& . Оз) const. Таким образом , величина электрического зар да на электродах пьезоэлемента, а следовательно , чувствительность Si пьезопреоб- разовател  определ ютс  свойствами пьезоматериала (его пьезомодулем d) и дл  каждого канала измерений могут быть определены при помещении пьезопреобразова- тел  в поток с известными значени ми компонент турбулентных пульсаций скорости AJU , pUV, /oUW ) путем измерени  уровней выходных сигналов по каждому измерительному каналу ECI, Ес2. Есз и сопоставлени  его с уровнем заданных ТПС по компонентам 1-3.

Расчет проводитс  по формулам

5

0

5

0

5

s, A

Ь|Ее,

(1 1,2,3).

При контроле чувствительности пьезоп- реобразовател  по каналу продольной компоненты (канал 1) выходы генератора подключают к разным дополнительным электродам и устанавливают уровень сигнала генератора Ек, при котором уровень выходного сигнала канала 1 установитс  равным ECI, что эквивалентно воздействию на пьезоэлемент пульсаций скоростного напора потока /oUU известного уровн .

Дл  контрол  чувствительности пьезоп- реобразовател  по каналам измерени  поперечных компонент (каналы 2 и 3) оба дополнительных электрода соедин ют с одним выходом генератора и провод т аналогичные операции.

Проверка разбаланса по электрическим емкост м между дополнительными электродами и элементами составного электрода проводитс  соединением выводов обеих пар элементов составного электрода и измерением уровн  сигнала разбаланса при установленном уровне сигнала генератора, каждый дополнительный электрод подключают к соответствующему выходу генератора .

Полученные соотношени  между уровнем сигнала генератора Ек и уровн ми выходного сигнала каналов EGL определ ющие величину турбулентных пульсаций скорости по компонентам при известных значени х плотности потокар и его средней скорости U, используют в дальнейшем дл  контрол  чувствительности пьезоп- реобразовател  по всем каналам измерений.

Коэффициент преобразовани  по цепи контрол  зависит от квадрата пьезомодул  d2 материала, так как при этом используют- с  и пр мой и обратный пьезоэффекты, то расчет относительного изменени  чувствительности пьезопреобразовател /Si по каналам непосредственно в процессе измерений производитс  по формуле

ASi -/ДКГ (,2,3), где Д Ki - относительное изменение коэффициента преобразовани  по цепи контрол .

Измеритель поперечных компонент пульсаций скорости потока содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода 4, 5, одну пару дополнительных электродов 7.

Пьезоэлемент в нем имеет вид части сферы, составной электрод выполнен в виде сферического сегмента с граничными угла- ми раскрыва в и ft, удовлетвор ющими условию

cos2 + cos2 ft + cos #1 cos ft ,

где 0 0i Oi 63°.

Элементы составного электрода имеют вид четырех равных частей сферического по са.

Дополнительные электроды 7 имеют вид двух равных частей сферического сег- мента с углом раскрыва ft. удовлетвор ющим условию 0 Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над област ми пьезоэлемента с одинаковой по знаку пол ризацией. Дополнительные и составной электроды расположены коаксиально.

При контроле чувствительности пьезо- преобразовател  с обоих парафазных выхо- дов генератора на дополнительные электроды 7 подаютс  электрические сигналы равных уровней EKI и Ек2, но противоположных по фазе. В силу обратного пьезоэффек- та в области пьезоэлемента под КЗ возбуждаютс  механические колебани  разных знаков, которые в силу упругости пьезоматериала передаютс  в области пьезоэлемента под элементами составного

электрода 4 и 5, в силу пр мого пьезоэффек- та вновь преобразуютс  в электрические сигналы ECI и Ес2, снимаемые с каждой пары рабочих электродов.

При таком двойном преобразовании и при неизмен емой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразовани  Кп уровн  электрического сигнала на них Ек и уровни электрического сигнала на каждой паре элементов составного электрода ECI и Ес2 завис т лишь от квадрата пьезомодулв материала d и могут быть вычислены пд формуле

Km

ECI

, Кл2

ЕС2

Јк X|li Ек

Дл  компенсации емкостной св зи между дополнительными электродами и составным электродом пол ризаци  областей пьезоэлемента под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы на эти электроды подаютс  в противофазе, что позвол ет скомпенсировать передачу энергии между электродами за счет емкостей св зи и при этом коэффициент Кп будет определ тьс  только значением квадрата пьезомодул  d материала, который характеризует чувствительность пьезопреобра- зовател .

По изменению Кп можно судить об изменении пьезомодул  d материала и, следовательно , об изменении чувствительности пьезопреобразовател .

Начальное значение чувствительности пьезопреобразовател  получают при его первичной градуировке. Изготовленный пьезопреобразователь помещают в поток с известным значением произведени  средней скорости потока U на величину поперечных компонент ТПС V , W при известной плотности потока р и измер ют уровень выходного сигнала с каждой пары элементов составного электрода ECI, Ес2.

Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора уровнем Ек. при котором уровень выходного сигнала с пьезопреобразовател  вновь будет равен Ест и Ес2.

Наход т коэффициенты электромеханического эквивалента AI и А2 дл  обоих измерительных каналов по формулам

А1 - ..А,- .

ЕкEk

В дальнейшем при градуировке измерительных каналов пьезопреобразовател  уровни задаваемых поперечных компонент пульсаций скорости потока можно заменить уровн ми задаваемых Ек, шкала сопоставл емых величин линейна по отношению к

проведению средней скорости потока на любую из поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Измерительный преобразователь давлени , содержащий корпус, пьезоэлемент, общий электрод, составной электрод в виде пар элементов, причем общий и составной электроды расположены на внешней и внутренней поверхност х пьезоэлемента, а эле- .менты каждой пары составного электрода электрически св заны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку пол ризации област х пьезоэлемента, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  точности измерений путем контрол  чувствительности в процессе работы, на внутреннюю по0

   5

   0

   верхность пьезоэлемента нанесены пары дополнительных электродов, а внутри корпуса размещен генератор опорного синусоидального сигнала, причем дополнительные электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента, дополнительные электроды каждой пары электрически св заны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку пол ризации област х пьезоэлемента, а суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой дл  каждой пары.

   ЕМ

   ЕС2

   0Есэ

   #Еу

   Ю

   Фиг. 1

   .7

   11

   5

   Ј-О ОбЩ .1

   / /Ј

   в,

   Фиг. 5

   «vi

   т

   ч-

   «VI