SU1700400A1 - Датчик давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  давлени  жидкостей и газов. Цель - повышение чувствительности и точности , что достигаетс  введением селективной обратной св зи в автогенератор 12. Цепь акустической обратной св зи содержит пьезопреобразователи 6 и 7, жидкость 5, отражающий упругий элемент 4. Дно корпуса 1 выполнено в виде обратной пирамиды с плоскост ми, расположенными под одинаковыми углами к плоскости, перпендикул рной к отражающей поверхности упругого элемента. Пьезопреобразователи размещены на плоскост х дна корпуса. 2 ил.

Description

ФигЛ

Изобретение относитс  к приборостроению , а именно к датчикам давлени  и может быть использовано в контрольно-измерительных устройствах.

Цель изобретени  - повышение чувствительности .

На фиг.1 представлена конструктивна  схема датчика давлени ; на фиг.2 - принципиальна  схема автогенератора.

Датчик давлени  состоит из корпуса 1 с входным штуцером 2 и дополнительным штуцером 3, упругого элемента 4, например сильфона, размещенного внутри корпуса 1 и раздел ющего его объем на две части. Внутренний объем сильфона соединен через второй штуцер 2 с объемом объекта, где измер етс  давление. Жидкость 5 заполн ет объем корпуса между дном корпуса 1 и упругим элементом 4. Пьезоэлектрические преобразователи б и 7 содержат пьезопла- стины 8 и 9 и согласующие слои 10 и 11 толщиной

п -Я/2, где Я- длина акустической волны в слое;

п 1,2...,

и расположенных на соответствующих наклонных плоскост х дна корпуса 1, перпендикул рно к ним. При этом дно корпуса 1 выполнено в виде двух наклонных плоскостей , расположенных под одинаковыми углами а к плоскости, перпендикул рной отражающей поверхности упругого элемента 4 (дна сильфона), а пьезоэлектрические преобразователи расположены на поверхност х указанных плоскостей дна корпуса на одинаковых рассто ни х I.

В цепи положительной обратной св зи автогенератора 12 в качестве частотно-задающего элемента включена акустическа  цепь, состо ща  из пьезоэлектрических пластин 8 и 9 с согласующими сло ми 10 и 11 пьезоэлектрических преобразователей 6 и 7, жидкости 5 и упругого элемента 4,

Пьезоэлектрические преобразователи 6 и 7 могут располагатьс  как внутри объема корпуса 1, так и на поверхности корпуса. В случае расположени  преобразователей б и 7 непосредственно на внешней поверхности корпуса 1, последний в области расположени  преобразователей должен иметь толщину, кратную Я/2. В этом случае он выполн ет функцию акустического согласующего сло , а согласующие слои 10 и 11 отсутствуют.

Согласующие слои 10 и 11 играют роль акустического фильтра, улучающего селективность датчика и, соответственно, снижающего порог чувствительности.

В качестве автогенератора 12 может быть использован любой усилитель, охваченный положительной обратной св зью.

Автогенератор 12 состоит из включенных каскадно резонансного усилител , реализованного на транзисторе Т1, и эмиттерного повторител , реализованного

0 на транзисторе Т2. В качестве нагрузки транзистора Т1 использован резонансный контур, состо щий из трансформатора Тр и конденсатора СЗ, настроенный на резонансную частоту пьезопластины 9 преобразова5 тел  7. Резисторы R1-R6 предназначены дл  работы транзисторов Т1 и Т2 в режимах посто нного тока; С1, С4, С5 - разделительные конденсаторы. Конденсатор С2 образует цепь отрицательной обратной св зи по

0 переменному току транзистора Т1.

На входе резонансного усилител  и на выходе эмиттерного повторител  непосредственно включены пьезопластины 8 и 9 пье- зопреобразователей 7 и 6 частотно зависи5 мой акустической цепи, образующей цепь положительной обратной св зи автогенератора 12.

Дополнительный штуцер 3 размещен в корпусе 1 таким образом, что обеспечивает

0 сообщение с жидкостью 5, заключенной в объеме корпуса между упругим элементом 4 и пьезоэлектрическими преобразовател ми 7 и 6.

Штуцер 3 необходим дл  обеспечени 

5 возможности измерени  разности давлений .

Датчик давлени  работает следующим образом.

После подачи посто нного напр жени 

0 от источника питани  на автогенератор 12 он возбуждаетс  за счет усилени  напр жени  транзистором Т1 и частотно-зависимой запаздывающей акустической положительной обратной св зи, котора  включает в се5 б  пьезоэлектрические преобразователи 6 и 7 с пьезопластинами 8 и 9 и согласующими сло ми 10 и 11, нагруженными с одной стороны жидкостью 5, и упругий элемент 4 (сильфон).

0 При этом частотно-зависима  цепь обратной св зи представл ет собой акустическую линию задержки, в которой одним из преобразователей возбуждаютс  акустические колебани  в жидкости 5, которые рас-

5 простран ютс  к упругому элементу 4.

После падени  акустической волны на отражающую поверхность упругого элемента 4 под углом (90° - а) и последующего отражени  акустической волны от упругого элемента 4 под тем же углом, согласно закону Снеллйуса она попадает на другой пье- зопреобразователь и таим образом замыкает цепь акустической обратной св зи автогенератора 12, Это становитс  возможным за счет того, что, во-первых, дно корпуса 1 датчика давлени  выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под одинаковым углом а к плоскости, перпендику- л рной отражающей поверхности, во-вторых, каждый пьезоэлектрический преобразователь 6 и 7 расположен на соответствующей наклонной поверхности дна корпуса на одинаковом рассто нии I своих центров от линии пересечени  плоскостей и сим метрично относительно последней. При этом рассто ние I выбрано в соответствии с условием:

-, vd-K2)

8 f К 2 tg a

где v - скорость звука в жидкости, заключенной в объеме корпуса 1;

f- резонансна  частота пьезопластины преобразовател , Гц;

а-угол между наклонной плоскостью и плоскостью, перпендикул рной к отражающей поверхности упругого элемента. Это условие эквивалентно условию одноча- стотности возбуждени  автогенератора. Врем  прохождени  акустической волны от одного преобразовател  до другого равно „ 2ltga v

где - рассто ние между центром преобразовател  и линии пересечени  плоскостей.

А амплитудно частотна  характеристика (АЧХ) цепи обратной св зи имеет периодическую структуру с периодом повторени  максимумов по частоте

Af v/2ltgo:,

который определ ет ее полосу пропускани  по нул м частотного отклика.

В реальной акустической цепи обратной св зи полоса пропускани  определ етс  полосой пропускани  пьезопре- образователей, котора  & первом приближении равна :

Af-fr,r-f

1-Ю К2

где f- резонансна  частота пьезопластины, МГц;

К - коэффициент электромеханической св зи.

Дл  работоспособности датчика давлени  необходимо возбуждать автогенератор только на одной частоте, только в этом случае создаетс  однозначна  зависимость между входным сигналом (давлением) и выходным параметром (частотой).

В результате в данном датчике давлени  за счет введени  дополнительного пьезоэлектрического преобразовател  и расположени  преобразователей на на- клонных плоскост х дна корпуса 1 перпендикул рно этим плоскост м на рассто нии I от линии их пересчени , образована акустическа  цепь обратной св зи, котора  обеспечивает одночастотный режим работы

автогенератора за счет того, что, во-первых, исключено пр мое попадание электрического сигнала с одной пьезопластины на другую, мину  акустическую цепь, во-вторых , корпуса 1 выполнено в виде двух

плоскостей, расположенных под углом а к плоскости, перпендикул рной отражающей поверхности упругого элемента, и, в-третьих , выбор рассто ни  между центрами преобразователей с линией пересечени 

поверхностей дна корпуса осуществл етс  так, что полоса пропускани  меньше или равна частоте повторени  Л f, ибо только при этом условии обеспечиваетс  подавление в АЧХ всех максимумов, кроме одного.

Частота возбуждени  автогенератора 12 соответствует частоте максимального значени  АЧХ цепи обратной св зи и определ етс  антирезонансной частотой пье- зопреобразовател .

Изменение давлени  в одном из штуцеров , соединенном с объемом, где измер етс  давление, приведет к смещению упругого элемента (сильфона), вследствие чего изменитс  врем  задержки Т прохождени  акустической волны в цепи обратной св зи автогенератора 12,

При этом частота выходного сигнала автогенератора, т.е. датчика давлени  изменитс  обратно пропорционально изменению времени задержки, т.е. фазы, а значит и давлению:

Дтдат Д(ф.

Так как Т 2a/v 21 sin a/v, где -а - рассто ние между дном сильфона и преобразователем, а Itg a;

I - рассто ние между линией пересечени  плоскостей дна корпуса и дном сильфона , то относительное изменение частоты выходного сигнала равно

Да Д since,

где ДI-смещениесильфона при воздейст- вии на него давлени  Др;

тдат - резонансна  частота колебани  автогенератора 12.

Учитыва , что в линейном приближении дл  сильфона ДI у Д р, где у - коэффициент пропорциональности, равный чувствительности упругого элемента, изменение частоты будет пропорционально изменению давлени 

AW -у Ар W а

. Отсюда чувствительность датчика давлени  будет равна

S А Тдат у Тдат I

Ара

а за счет уменьшени  рассто ни  а может быть обеспечена большой, исход  только из ограничени , обеспечивающего свободное смещение дна сильфона 4 по отношению к согласующему слою пьезоэлементов преобразователей .

Нар ду с повышением чувствительности обеспечиваетс  понижение порога чувствительности , который будет определ тьс  неравномерностью структуры АЧХ цепи акустической обратной св зи автогенератора 12 в полосе пропускани , причем неравномерность АЧХ обусловлена наличием разных типов ложных сигналов.

Уменьшение уровн  ложных сигналов и, следовательно, порога чувствительности достигаетс  за счет образовани  электрической разв занной акустической цепи обратной св зи автогенератора 12 путем введени , дополнительного преобразовател  7. Степень снижени  порога чувствительности зависит от выбора рассто ни  между преобразовател ми и дном упругого элемента

0

5

0

(сильфоном) а I tg а при выполнении услови  одночастотности возбуждени  автогенератора 12.

Фор мула изобретени  Датчик давлени , содержащий корпус, в котором установлены упругий чувствительный элемент и первый пьезоэлектрический преобразователь, причем внутренн   полость корпуса заполнена жидкостью, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности, в него введены второй пьезоэлектрический преобразователь и автогенератор , а дно корпуса выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под одинаковыми угламиа к плоскости, перпендикул рной к поверхности упругого элемента , первый и второй пьезоэлектрические преобразователи размещены на плоскост м дна корпуса на одинаковых рассто ни х I от линии пересечени  плоскостей, которые выбраны в соответствии с условием

5

0

I

. п v -8Т

1-К2 1

К2 tg« где v - скорость звука в жидкости;

f - резонансна  частота колебаний пластины пьезопреобразовател ;

К - коэффициент электромеханической св зи пьезопреобразовател  с жидкостью, при этом первый пьезоэлектрический преобразователь подключен к входу, а второй - к выходу цепи обратной св зи автогенератора .

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Датчик давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий чувствительный элемент и первый пьезоэлектрический преобразователь, причем внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены второй пьезоэлектрический преобразователь и автогенератор, а,дно корпуса выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под одинаковыми углами а к плоскости, перпендикулярной к поверхности упругого элемента, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи размещены на плоскостям дна корпуса на одинаковых расстояниях I от линии пересечения плоскостей, которые выбраны в соответствии с условием . ,лу. 1-К² . 1 ~ 8 f _к 2 tg а' где v - скорость звука в жидкости;

   f - резонансная частота колебаний пластины пьезопреобразователя;

   К - коэффициент электромеханической связи пьезопреобразователя с жидкостью, при этом первый пьезоэлектрический преобразователь подключен к входу, а второй к выходу цепи обратной связи автогенератора.

   Составитель А.Зосимов Редактор Н.Химчук Техред М.Моргентал Корректор ЭЛончакова

   Заказ 4460 Тираж Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

   Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101