Пьезоэлектрический датчик давления

Пьезоэлектрический датчик давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с внутренней полостью, сообщенной каналом с источником компенсирующего давле- / ния, и размещённые в корпусе разделительную мембрану, установленную между двумя Полусферическими решетками. чувствительный пьезоэлемент и токо-съемники , отличающийся f тем, что, с целью расширения функцио-нальных возможностей путем одновре; , менного измерения скорости изменения давления, он снабжен сильфоном, кото/ рый установлен в полости корпуса, своим дном в сторону разделительной мембраны и контактирует с -решеткой, а чувствительный пьезоэле: мент установлен внутри сильфона и вы- . полнен в. виде набора вертикально ус -тановленных пьезопластин, поджатых к дну сильфона, образующих два автономных пьезоэлектрических преобразовао € теля, подключенных к соответствующим { токосъемникам, причем центральнь1Й об (Л ; щий электрод преобразователей соеди .нен с корпусом, а между корпусом и V- одним из токосъемников включен резистор . о4; О 00 СП СЛ

COOS СОВЕТСКИХ

4 %

РЕСПУБЛИН

Я0.. .:. - -::;- (19) л(59 6 Ol L 9/08; "-93-Ь-2=

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTWI

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

" =-- :== . чувствительный пьезоэлемент и токо"

-- съемники, отличающийся

-.:=-, тем, что, с целью расширения функцио:;... †.нальных возможностей путем одновре::= : менного измерения скорости изменения

:= -.::.--давления, он снабжен сильфоном, кото"

-::„; рый установлен в полости корпуса, об.вЂ.ращен своим дном в сторону раздели- -; .тельной мембраны и контактирует с

::. .- решеткой, а чувствительный пьезоэлеI

::-;:-, ::,мент установлен внутри сильфона и вы -:.- :: полнен в,виде набора вертикально ус,..-:--тановленных пьезопластин, поджатых

::" к дну сильфона, образующих два авто-- номных пьезоэлектрических преобразова" теля, подключенных к соответствующим ., токосъемникам, причем центральный об. .:: ." ::щий электрод преобразователей соеди-,; нен с корпусом, а между корпусом и . .= одним из токосъемников -включен резис-- тор. (21 ) 3437050/18-10 (22) 14.05.82 (46) 07.09.83. Ьюл. If 33 (72) О.М. Коробов и В.А. Соломоник (71) Центральный научно-исследовательский дизельный институт (53) 531.787(088.8) .(56) 1. Карпов P.Ã. Электроника в испытании тепловых двигателей. М.;

1963, с. 36-41 54-56.

2. Авторское свидетельство СССР

If 779834, кл. G 01 L 9/08, 1978 (прототип), (54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК .

ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с внут" ренней полостью, сообщенной каналом с источником компенсирующего давле- ния, и размещенные в корпусе раздели тельную мембрану, установленную между двумя полусферическими решетками, 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 1040

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления и его первой производной, т.е. скорости изменения давления (дР/д2) при испытании поршневых машин, например двигателей внутреннего сгорания.

Известны пьезоэлектрические датчики давления для регистрации быстроменяющихся давлений в цилиндрах nope- tO невых машин (1) . Для измерения сасорости измерения давления между датчиком давления и выходным узлом измерительного устройства включают активные дифференциаторы. f5

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрИческий датчик для измерения пульси-, рующих давлений, содержащий разде- . э0 лительную мембрану, пьезоэлемент, токосъемники и корпус, имеющий внутреннюю полость (23 .

Однако известный датчик не обеспе" чивает одновременно с измерением дав-25 ления возможности измерения скорости изменения давления, Цель изобретения - расширение функциональных возможностей датчика путем одновременного измерения скорости изменения давления.

Поставленная цель достигается тем, что пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус с внутренней полостью, сообщенной каналом с

35 источником компенсирующего давления, и размещенные в корпусе разделительную мембрану, установленную между двумя полусферическими решетками, чувствительный пьезоэлемент и токосъемни- 40 ки, снабжен сильфоном, который установлен в полости корпуса, обращен своим дном в сторону разделительной мембраны и контактирует с решеткой, а чувствительный пьезоэлемент установлен внутри сильфона и выполнен в виде набора вертикально установленных пьезопластин, поджатых к дну сильфона, образующих два автономных пьезоэлектрических преобразователя, подключенных к соответствующим токо50 съемникам, причем центральный общий электрод преобразователей соединен с корпусом, а между корпусом и одним из токосъемников включен резистор, На чертеже представлен пьезозлект-55 рический датчик давления, общий вид, Датчик содержит корпус 1, внутри которого размещена разделительная

355 2 мембрана 2, зажатая между решетками

3 и 4, сильфон 5, соединенный с верхней решеткой 4 и опорой 6, зажимное кольцо 7 и чувствительный элемент, состоящий из корпуса 8, центрирующей гильзы 9, четырех пьезокварцевых пластин 10 и медных прокладок 11 с припаянными к ним токосъемниками 12, причем средняя прокладка, расположенная между второй и третьей пьезокварцевыми пластинами, соединена с корпусом датчика. Корпус 8 чувствительного элемента ввернут в опору 6 так, что изолирующая гильза 9 с пьезопластинами 10 через проставку 13 прижимается к верхней решетке 4 и растягивает сильфон 5 до упора в решетку 4, Этим обеспечивается предварительный натяг пьезокварцевых пластин, Компенсирующее давление воздуха от внешнего источника подводится через серьгу 14, прижатую гайкой 15 к опоре 6, имеющей каналы для подачи воздуха в компенсирующую полость между мембраной 2 и сильфоном 5.

Датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое быстроменяющееся давление через нижнюю решетку 3 воздействует на разделительную мембрану 2, которая передает приложенную к ней силу на верхнюю решетку 4. Последняя через проставку 13 и,изолирующую гильзу 9 передает усилие пьезокварцевым пластинкам 10. При этом происходит их сжатие, в результате чего на боковых гранях пьезокварцевых пластин, обладающих поперечным пьезоэффектом (т.е. поляризованных в направлении среза), образуется электрический заряд, пропорциональный приложенной силе или подводимому давлению. Кварцевые пластины вложены в изолйрующую гильзу 9 так, что на токосъемниках 12 относительно корпуса датчика образуются заряды противоположной полярности.

Отрицательный заряд Q по соответствующему токосъемнику подается к выходу датчика, к которому может быть подключен измерительный усилитель (не показан). Этим обеспечивается возможность измерения и регистрации мгновенных значений давления, быстроменяющегося во времени, т.е.

Q(= f(P) = F(t).

Положительный заряд Q + по другому токосъемнику подается к выходу датчика, к которому может быть под3 104035 ключен такой же измерительный усили-, тель, причем между этим токосъемником и корпусом датчика включен ре" зистор утечки (не показан), осуществляющий совместно с емкостью пьезопластин дифференцирование по времени заряда Q + . Этим обеспечи-,вается возможность измерения и регистрации мгновенных значений скорости из менения быстроменяющегося давления, т.е.10

< = (q(dP/d i,)

Таким; образом, пьезоэлектрический:-. датчик давления обеспечивает возмож- ность одновременного измерения быстроменяющегося давления и скорости : 15 его нарастания. Если на пути заряда

С +1 дифференцирующий резистор не установлен (таковым может быть внеш" ний регулятор в цепи нагрузки много- : функционального датчика), то (< 1 — — т(Р), т.е. в этом случае датчик превращается в преобразователь давления с двуполярным выходным сиг- .: налом. Такой преобразователь по двух-, мостовой схеме может быть подключен. 25 к дифференциальному измерительному усилителю, выходной сигнал которого пропорционален разности входных сиг-::налов, При этом вдвое повышается чувствительность, резко снижается, влияние аддитивных помех, т,е. повышается точность измерения давления, Компенсирующая полость, образован-;, ная пространством между разделитель- ной мембраной и сильфоном обеспечиУ 35 вает воэможност ь проведения калибров-. ки (градуировки) датчика по давлению . непосредственно на объекте установки . датчика и, что существенно, в процес=се выполнения измерений, т.е. осу- . ществлять процедуры измерения и гра". дуировки при одном и том же тепловом и механическом состоянии объекта (например,. поршневой машины) .Это также способст-- вует повышению точности измерений.

Компенсирующее давление воздуха от внешнего источника через серьгу

14 и отверстия в кольце 7 и в опоре

6, воздействуя на сильфон 5, сжимает его, вызывая .появление на боко-: ", вых гранях пьезопластин заряда Q 1 (-1 . 50 пропорционального компенсирующему давлению, Одновременно компенсирующее давление через верхнюю решетку

;отжимает резделительную мембрану 2,; разгружая ее от действия измеряемого: 5 давления на величину, равную компен5 4 сирующему давлению. Таким образом, чувствительный элемент датчика в этом случае воспринимает не полное измеряемое давление Р, подводимое к нижней решетке 3, а только его часть, а именно

К К где Р„- величина компенсирующего давления; Р - величина потери давления, определяемая жесткостью разделительной мембраны 2, Используя мембрану, выполненную из материала с модулем упругости,, близким к нулю, можно создать условия, при,которых Ь Р - О, так как разделительная мембрана, зажатая между решетками 3 и 4, прогиба практически не имеет.

Для устранения фазовой погрешности между сигналами давления и сигналом скорости изменения давления (т,е. между Q 1 и Q ) возможно осуществпение одновременной калибровки датчика в динамическом. режиме и по давлению, и по скорости нарастания давления. С этой целью датчик подвергается действию переменного давления, изменяющегося по синусоидапьному закону, а выходы Q и Q 1 через со" ответствующие усилители подсоединяются к двухлучевому осциллографу. Калибровка в этом случае сводится к установке таких значений коэффициентов усиления усилителей и резистора утечки (или эквивалентного ему внешнего регулятора), при которых сигналы, пропорциональные Q и Q,. во всем диапазоне частот переменных давлений равны по-амплитуде и сдви" нуты по фазе на угол 90

Технико-экономическая эффективность от использования пьезоэлектрического датчика давления выражается в том, что он обеспечивает возмож.ность одновременного измерения быстроменяющегося давления и скорости его изменения, что сокращает время проведения экспериментов при испытаниях поршневых машин и благодаря устранению необходимости применения методов дифференцирования снижает трудоемкость испытаний, Кроме того, такой датчик позволяет осуществлять градуировку и калибровку измеритель,ного тракта непосредственно на объекте в ходе проведения измерений, что повышает их точность и достоверность.

1040355

Составитель О. Палев

Редактор А. Orap Техред И.Костик

Корректор В. Бутяга

Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 6919/4б

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 г