Пьезоэлектрический манометр для статических измерений Российский патент 2023 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления жидкостей, газов и как датчик глубины.

Известен пьезоэлектрический датчик давления (Патент РФ № 2457452, Пьезоэлектрический датчик давления), содержащий корпус с внутренним отверстием и перекрывающей его мембраной, выполненной как единое целое с корпусом, установленную в отверстие корпуса цилиндрическую силопередающую втулку, пьезоэлементы, токосчетчик и прижимной элемент. Мембрана выполнена плосковогнутой. Цилиндрическая силопередающая втулка со стороны мембраны выполнена в виде усеченного конуса, а со стороны пьезоэлементов имеет цилиндрическое углубление с цилиндрическим выступом в центре углубления. Пьезоэлементы помещены в изолирующую цилиндрическую гильзу, которая размещена в углублении силопередающей втулки так, что один из пьезоэлементов контактирует с выступом в углублении втулки. Недостатками этого преобразователя являются не работоспособность в статическом диапазоне и низкая надежность из-за применения трущихся деталей.

Известен пьезоэлектрический датчик давления (Патент РФ № 2743633, Пьезоэлектрический датчик давления), содержащий корпус, стакан, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и токосъемника, стакан закрывает чувствительный элемент и поджимает его к основанию датчика с усилием, равным суммарному усилию от максимально возможного воздействия на чувствительный элемент статического и динамического давлений, причем, стакан выполнен из диэлектрика и закрывает боковую поверхность чувствительного элемента на скользящей посадке. В корпус введена крышка с множественной перфорацией, а в передний торец пьезоэлемента введен второй токосъемник, связанный с электрическим возбудителем обратного пьезоэффекта с малой амплитудой и частотой, близкой к частоте собственных колебаний пьезоэлемента. Возбуждение позволяет работать устройству в статическом режиме. Недостатком приведенного преобразователя является низкая надежность, обусловленная скользящей посадкой.

Наиболее близким является пьезоэлектрический манометр (SU Патент № 1006953, Пьезоэлектрический манометр), в корпусе которого установлены пьезоэлемент, мембрана, источник переменного напряжения и измерительный прибор, причем, пьезоэлемент выполнен в виде пластин, закрепленных в корпусе так, что часть пластин выступает за пределы корпуса, при этом часть пластины, расположенная в корпусе, поляризована по толщине и покрыта по основным плоскостям электродами, один из которых непосредственно, а другой через вход измерительного прибора подключены к источнику переменного напряжения, а часть пластины выступающая за пределы корпуса, поляризована вдоль и расположена с зазором относительно мембраны, которая охватывает с двух сторон и прикреплена к корпусу консольно. В данной схеме реализован параметрический метод, который заключается в том, что под действием давления меняется зазор между мембраной и пьезопластиной, в результате чего меняется импеданс преобразователя и величина тока. Недостатком приведенного устройства являются низкие точность и надежность.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности пьезоэлектрического манометра для статических измерений.

Поставленная задача решается за счет того, что пьезоэлектрический манометр для статических измерений, как и известный манометр содержит генератор переменного напряжения и, установленный в корпусе пьезокерамический элемент, к которому подведены гермовыводы для подачи и съема напряжения, но в отличии от известного в предлагаемом устройстве пьезоэлемент выполнен в форме полого цилиндра с радиальной поляризацией и металлизацией поверхностей, защищенного диэлектрическим акустически прозрачным покрытием и прикрепленного к выступам основания корпуса, имеющего отверстия для стыковки с магистралями или средой.

Достигаемым техническим результатом является повышение надежности манометра для статических измерений за счет исключения мембран и отсутствия подвижных элементов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого манометра для статических измерений, на фиг. 2 показан в разрезе пьезоэлемент в корпусе.

Пьезоэлектрический манометр (фиг. 1) содержит генератор 1, конденсатор 2, корпус 3, в котором установлен пьезокерамический чувствительный элемента 4, и фильтр нижних частот 5.

Корпус 3 должен иметь внутренний объем, превышающий объем чувствительного элемента 4, а также содержать отверстия для стыковки с магистралями или средой, и отверстия с герметизацией для ввода проводов.

Пьезокерамический чувствительный элемент 6 (фиг. 2) выполнен в форме цилиндра с радиальной поляризацией. На внешнюю и внутреннюю поверхности чувствительного элемента нанесена металлизация 7, а для защиты от коррозии и другого вредного воздействия среды нанесено акустически прозрачное покрытие, например, поливинилхлорид Пьезокерамический чувствительный элемент закреплен на выступах основания 8, например приклеен. Основание плотно соединено с крышкой 9 с нанесением герметизирующего слоя по всей площади контакта деталей. Основание 8 и крышка 9 образуют корпус 3 манометра. Расстояние между выступами основания 8 зависит от величин наружного и внутреннего радиусов чувствительного элемента. Крышка 9 имеет ввод для проводов 10 с герметизацией, а также отверстия 11 для стыковки с магистралями или средой.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 возбуждает знакопеременный сигнал, который проходит через конденсатор 2, необходимого для исключения шунтирования низкочастотной составляющей сигнала выходным импедансом генератора. Фильтр нижних частот 5, частота среза которого равна наибольшей частоте давления, служит для выделения полезного сигнала, содержащего информацию о действующем давлении.

Для обеспечения работоспособности чувствительного элемента в области инфранизких частот используется возбужденный режим работы пьезокерамики. Под действием напряжения возбуждения в элементе из-за наличия акустического и механического импедансов возникают механические знакопеременные радиально направленные напряжения, которые суммируются с механическим напряжением, вызванным воздействием давления. Суммарное напряжение на входе фильтра нижних частот можно представить в виде: $$U_{\sum }=U_A+U_B+U(P)$$, где $$U_A=A\cos ({\omega }_{0}t)$$ - напряжение знакопеременного сигнала возбуждения, $$U_B=B\cos ({\omega }_{0}t)$$ - напряжение, синфазное с напряжением возбуждения и амплитудой $$B$$ намного меньше амплитуды напряжения возбуждения $$A$$, $$U(P)$$ - напряжение смещения средней линии знакопеременного сигнала, вызванное давлением P.

Манометр работает в частотном диапазоне до 5кГц. Частота возбуждения должна быть меньше частоты резонанса и определяется отношением: $$f=\frac{c}{2\left(R_1-R_2\right)},$$ $$c$$ - скорость звука, $$R_1$$ - наружный радиус, $$R_2$$ - внутренний радиус цилиндра.

Напряжение $$U(P)$$ на выходе фильтра 5 должно лежат в нормированном диапазоне напряжений. В измерительной технике существует три нормированных диапазона напряжений: $$\pm \mathrm{1,}\pm \text{5}\text{, }\pm \text{10 В}$$, исходя из выбора диапазона напряжений подбирается коэффициент усиления $$K_{\text{у}}$$ фильтра 5.

Зависимость между давлением, воздействующим на прибор, и электрическим напряжением на его выходе определяется также как для гидрофона с пьезокерамическим чувствительным элементом. Согласно ГОСТ IEC-62127-1-2015 соотношение между давлением и напряжением на выходе датчика выражается через чувствительность на конце кабеля гидрофона под нагрузкой $$K_{\text{н}}$$ по формуле $$P=U_{\sum }/K_{\text{н}}$$, где $$K_{\text{н}}=\mathrm{0,56}$$ мкВ/Па для чувствительного элемента диаметром 1 мм. Рабочее давление должно лежать в диапазоне от 1/3 до 2/3 шкалы измерения манометра.

Исходя из вышеизложенного, при выборе диапазона напряжений на выходе манометра $$\pm \text{5 В}$$ для измерения давления от 0 до 10 атм (0,98 МПа) и от 0 до 100 атм (9,8 МПа) коэффициент усиления фильтра будет составлять $$K_{{\text{у}}_{\text{1}}}=9$$ и $$K_{{\text{у}}_2}=\mathrm{0,9}$$, соответственно.

Как видно из описания манометра, в его конструкции нет ни одной подвижной детали, за счет использования в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрика в форме полого цилиндра с металлизированной поверхностью и с радиальной поляризацией.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления жидкостей, газов и как датчик глубины. Пьезоэлектрический манометр для статических измерений содержит пьезокерамический чувствительный элемента, установленный в корпусе, генератор знакопеременного сигнала, конденсатор и фильтр нижних частот. Корпус, состоящий из основания и крышки, имеет внутренний объем, превышающий объем чувствительного элемента, отверстия для стыковки с магистралями или средой, и отверстия с герметизацией для ввода проводов. Пьезокерамический чувствительный элемент выполнен в форме цилиндра с радиальной поляризацией, на внешнюю и внутреннюю поверхности которого нанесена металлизация, покрыт диэлектрическим акустически прозрачным покрытием и прикреплен к выступам основания корпуса, которое плотно соприкасается с крышкой с нанесением герметизирующего слоя по всей площади контакта деталей. Выход генератора соединен через конденсатор с входом пьезокерамического чувствительного элемента. Выход фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом пьезоэлемента, является выходом манометра, причем частота среза фильтра равна наибольшей частоте давления. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение надежности манометра для статических измерений за счет исключения мембран и других подвижных элементов. 2 ил.

Пьезоэлектрический манометр для статических измерений, содержащий установленный в корпусе пьезокерамический чувствительный элемент, к которому подведены гермовыводы для подачи и съема напряжения, генератор знакопеременного сигнала, выход которого соединен через конденсатор с входом пьезоэлемента, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом пьезоэлемента, а выход является выходом манометра, отличающийся тем, что пьезокерамический элемент выполнен в виде полого цилиндра с радиальной поляризацией и металлизацией поверхностей, защищенного диэлектрическим акустически прозрачным покрытием и прикрепленного к выступам основания корпуса, имеющего отверстия для стыковки со средой.