ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к технике измерения, в частности к измерению силы от давления газообразных веществ с помощью пьезоэлектрических устройств, чувствительных к механическому давлению.

Известно устройство измерительного преобразователя на основе пьезоэлектрического эффекта, при котором изменение измеряемого параметра превращается в изменение электрического напряжения природного кристалла при его механическом напряжении под действием сил сжатия, которые являются измеряемой величиной и воздействуют на чувствительный элемент с помощью механической связи. В качестве пьезоэлектрического материала, применяемого в конструкции преобразователя, используются кристаллы кварца для стабилизации частоты (К. Бриндли. Измерительные преобразователи. Справочное пособие. М. Энергоиздат, 1991).

Известно аналогичное устройство (а.с. СССР N 1642285, кл. G 01 L 9/08, опубл. 15.04.91, БИ N 14, 1991) в виде пьезорезонансного датчика давления, содержащего вакуумированный корпус с основанием, первую мембрану, жесткий центр которого связан с одним концом коромысла, снабженного упругой опорой, связанной с корпусом, вторую мембрану с жестким центром, закрытую крышкой со штуцером, и два пьезоэлемента, причем корпус и упругая опора выполнены за одно целое.

Известно также устройство (а.с. СССР N 1672246, кл. G 01 L 9/08, опубл. 23.06.91, БИ N 31, 1991), наиболее схожее с заявляемым решением. Пьезоэлектрический датчик импульсных давлений содержит упругий элемент в виде стержня, снабженного винтом с гайкой и эластичной прокладкой на первом конце и имеющего паз вдоль оси на втором конце, в котором закреплен с помощью вязкоупругого компаунда пьезоэлемент, причем эластичная прокладка расположена на упорном фланце, выполненном в стержне. В известном устройстве пьезоэлемент имеет напряженное состояние от действия на него средств механической связи для возникновения в кристалле электрического напряжения. Такое напряжение от действия элементов механической связи на пьезоэлемент не обеспечивает высокую чувствительность измерительного преобразователя вследствие гистерезиса величин электрического тока при изменении силы от давления измеряемого потока газа. Гистерезис обусловлен изменением характеристик средств механических связей, в частности упругодеформируемого элемента, из-за деформационного старения упомянутого элемента.

Изыскание средств повышения надежного и устойчивого сохранения точностных характеристик измерительных систем в преобразователях путем моделирования процесса старения изменения характеристики элементов механической связи в процессе эксплуатации еще является актуальной проблемой.

Разработано устройство для измерения силы от давления газового потока, содержащее пьезоэлектрический датчик давления, упорный жесткий стержневой элемент и упругий элемент, в котором закреплен пьезоэлемент, и имеющее следующие конструктивно-функциональные особенности,
устройство снабжено подпружиненной траверсой, взаимодействующей с подвижной опорой через пружину сжатия с одной стороны, а с другой стороны с газовым потоком, кроме того, траверса взаимодействует с упомянутым упругим элементом, выполненным в виде разомкнутого кольца, посредством упомянутого стержневого элемента, опирающегося на кольцо через винт;
в устройстве траверса имеет перпендикулярное расположение к направлению измеряемого усилия от давления газового потока.

Дополнительной особенностью разработанной конструкции устройства является то, что траверса снабжена подвижным подпружиненным кольцевым диском с возможностью перемещения от действия долевой части газового потока, при этом пружина этого элемента выполнена в виде упругого в осевом направлении деформируемого трубчатого элемента с продольными прорезями в средней части трубки, кроме того, трубчатый элемент установлен соосно цилиндрической пружине траверсы с возможностью контакта с витками цилиндрической пружины своей внешней боковой поверхностью с возникновением трения скольжения при эксплуатации.

Существенность технического решения состоит в том, что обеспечено условие для измерения усилия от давления газового потока в широком диапазоне изменения усилия, создаваемого газовым потоком, посредством пьезокварцевого преобразователя с оптимальным его нагрузочным состоянием. Такая оптимальность нагрузки на пьезоэлемент достигнута за счет своеобразной пружинной системы, которая снабжена средствами уменьшения интервала деформации пружины траверсы при действии широкого диапазона усилий на нее, а следовательно, и снижения нагрузки в заданном интервале на пьезоэлемент. Это уменьшение нагрузки обеспечено наличием винтовой пары для перемещения подпружиненной траверсы по направляющим скалкам. Такое перемещение траверсы (при настройке) уменьшает напряженное состояние пьезоэлемента от действия силы тяжести пружинной системы. Наряду с этой существенностью конструкция имеет и то нетрадиционное, что обеспечивает условие для поддержания в нешироком диапазоне перемещений (осадки) пружины траверсы при широком диапазоне усилий от давления газового потока. Такие ограниченные перемещения траверсы осуществлены за счет действия сил трения при осевой деформации пружины траверсы и ее контакта с боковой стенкой трубчатого элемента упругодеформируемой трубки.

Величина упомянутой силы трения изменяется в зависимости от изменения величины усилий от давления газового потока, воздействующего на кольцевой диск, размещенный на траверсе и опирающийся на упомянутую упругодеформируемую трубку. Эта трубка, имеющая продольные прорези, изменяет свою диаметральность от перемещения кольцевого диска относительно траверсы. Таким образом происходит сочетание сил упругости при деформации пружины траверсы с силой трения этой пружины, возникающей при скольжении по боковой поверхности трубки при эксплуатации. Это сочетание упомянутых сил (трения и упругости) обеспечивает сохранение в небольшом диапазоне осевого перемещения пружины траверсы, хотя и воздействует на поверхность траверсы разной величины усилия от давления газового потока.

На фиг. 1 представлена схема конструкции устройства для измерения сил от давления газового потока, на фиг. 2 конструкция трубчатого упругодеформируемого в осевом направлении элемента с продольными прорезями, причем конструкция изображена в состоянии заданной деформации, на фиг. 3 - расчетная схема при взаимодействии трубчатого элемента с витками пружины траверсы при деформированном состоянии пружинной системы разработанного устройства.

Конструкция устройства для измерения усилия от давления газового потока содержит траверсу 1 с дисковым кольцевым элементом 2 в ее кольцевой выточке, выполненной соосно стержневому элементу 3, передающему на кольцевой элемент 4 с пьезоэлементом 5 силу давления газового потока, воздействующего на винт 6, установленный в кольцевом элементе 4. Траверса имеет вертикальное перемещение по направляющим 7 и 8 от действия винтовой пары с гайками 9 и 10 для снятия действия силы тяжести пружинной системы на пьезоэлемент при передаче силы давления газового потока на траверсу. В свою очередь, траверса опирается на пружину 11, расположенную между траверсой и подвижной опорной плитой 12 и дисковым кольцевым элементом 2, установлена упругодеформируемая в осевом направлении трубка 13, взаимодействующая с витками пружины 11 (фиг. 1). Конструкция упругодеформируемой трубки имеет продольные прорези (фиг. 2). Контакт боковой изогнутой при деформации стенки трубчатого элемента с витками пружины 11 обусловлен углом наклона β стенки трубки при ее осевой деформации при действии силы давления части газового потока на дисковый кольцевой элемент 2 (фиг. 3). Величина угла наклона боковой стенки трубки обусловлена исключением самоторможения, т.е. превышает величину угла трения v, при котором происходит самозаклинивание сопряженных поверхностей трения. Общеизвестно, что tgΦ = f, т.е. угол трения, равен коэффициенту трения сопрягаемых поверхностей в механизмах. Величину коэффициента трения в таких конструкциях принимают в пределах f 0,10-0,16 для сопряжения металлических элементов с их перемещением относительно друг друга. Для такого интервала величины коэффициента трения угол наклона изогнутой боковой стенки трубки принимают в интервале β = 14-17^°.
Для установления долевой части газового потока, действующего на кольцевой дисковый элемент для образования достаточной нагрузки при изгибе боковых стенок трубки, воспользуемся следующими исходными данными.

Известна зависимость для определения величины осадки пружины от ее характеристик, т.е.

где λ осадка или сжатие пружины;
P_сж действующая сила сжатия пружины;
R радиус пружины;
n количество витков пружины;
G модуль упругости материала пружины;
d диаметр сечения витка пружины (Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1968).

Известна также зависимость для определения величины критической нагрузки для сжатия стержня по его характеристики, т.е.

где Р_кр величина критической нагрузки на втулку;
E модуль упругости материала трубки;
I_min наименьший момент инерции сечения трубки;
l общая длина трубки.

Для возникновения осадки пружины на заданную величину необходимо произвести затрату энергии на преодоление сил упругости самой пружины и преодолении критической нагрузки, действующей на деформацию трубчатого элемента, т.е.

где λ_сист заданная величина осадки пружинной системы;
ξ величина долевой части газового потока, действующего на поверхность кольцевого диска для деформации трубчатого элемента;
Q нагрузка на траверсу при действии газового потока.

По заданной величине осадки пружины траверсы можно исчислить величину долевой части (силовой нагрузки) газового потока, действующего на кольцевой диск, установленный в кольцевой выточке траверсы, по следующей зависимости:

Достоинство разработанной конструкции для измерения силы от давления газового потока состоит в том, что обеспечено уменьшение изменения характеристик пружинной системы за счет их оптимизации при эксплуатации. Эта оптимизация обеспечена уменьшением факта "старения" сплава (элемента) упомянутой системы. Это уменьшение достигнуто созданием условий для сочетания сил трения и сил упругости в процессе эксплуатации пружины траверсы. Эта пружина обеспечивает возможность перемещения траверсы силой от давления газового потока. Насколько длительно сохраняется первоначальная характеристика (деформационная) пружины, настолько обеспечивается надежность устройства для измерения силы от давления газового потока, т.е. достаточная чувствительность этой пружины обеспечивает и точность измерения изменяемой величины. Фактор старения материала пружины влияет самопроизвольно на ее характеристику из-за изменения строения и свойств материала, что отрицательно влияет на сплав (например деформационное старение). Для уменьшения этого фактора и предусмотрена своеобразная конструкция пружинной системы. Для обеспечения точности измерения силы от давления газового потока предусмотрено также в конструкции устройства условие для уменьшения влияния силы тяжести пружинной системы на пьезокварцевый преобразователь. Таким образом, достигнута оптимизация измерения силы от давления газового потока при широком диапазоне изменения величины его условий от давления потока. ЫЫЫ3

Использование: в технике измерения силы от давления газообразных веществ с помощью пьезоэлектрических устройств, чувствительных к механическому давлению. Сущность изобретения: устройство содержит пьезоэлемент и пружинную систему для передачи механического давления на пьезоэлемент. Пружинная система выполнена в виде сочлененных цилиндрической пружины и трубчатого упругодеформируемого в осевом направлении элемента. Трубчатый элемент находится в контакте с витками пружины. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, закрепленный в упругом элементе, и упорный элемент, отличающийся тем, что он снабжен подпружиненной траверсой, а упорный элемент выполнен в виде подвижной опоры, установленной с возможностью взаимодействия с траверсой через ее пружину, при этом упругий элемент выполнен в виде разомкнутого кольца с размещенным в нем винтовым элементом, на котором установлен стержневой элемент, пропущенный через подвижную опору и пружину траверсы. 2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что через траверсу пропущен подпружиненный кольцевой диск, установленный в ней с возможностью перемещения от воздействия давления, при этом пружина диска выполнена в виде упругого трубчатого элемента с продольными прорезями в средней его части и установлена соосно пружине траверсы с возможностью деформации вдоль продольной оси и контакта боковой поверхности пружины диска с витками пружины траверсы.