Преобразователь постоянных и медленно изменяющихся напряжений Советский патент 1983 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения и преобразования постоянных и медленноизменяющихся напряжений давлений и может быть использовано в системах автоматического управления и регулирования и т.д.

Известно устройство, содержащее источник питания, колебательный контур, генератор и усилитель. В таком устройстве используется возбуждение управляемого пьезоэлемента в режиме автоколебаний или вынужденных колебаний 1 .

Недостатком устройства является низкая точность из-за временной и температурной нестабильности элементов, а также невысокое значение выходной мощности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений, содержащий столбик пьезопластин с прокладками и электродами между ними, электрически соединенных параллельно и подключенных к измерительному прибору 12.

Недостатком устройства является низкая точность за счет невысокой выходной мощности.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет повышения уровня выходного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительными столбиками пьезопластнн, крышка ми, опорными пластинами с ячейками, механическим . модулятором и вентилями, с помощью которых столбики пьезопластин электрически соединены с измерительным прибором, при этом пьезопластины расположены в ячейках опорных пластин и закрыты через проклгщки крышками, связанными через подшипники качения с механическим модулятором.

Механический модулятор выполнен в виде ползуна с направляющими выступами, расположенными в пазах опорных пластин, и двусторонними продольными пазами, в которых размещены подшипники качения, при этом ползун свя-. зан с механическим приводом, а ячейки в опорных пластинах расположены на линиях, параллельных продольным пазам ползуна. Механический модулятор может быт выполнен в виде диска с .пазами, жес ко соединенного с валом двигателя и расположенного между опорными пластинами, при этом в пазах диска закреплены подшипники качения, а ячей ки в опорных пластинах расположены на окружностях с радиусом, равным радиусу расположения подшипников ка чения на диске. На фиг. 1 изображен преобразова:тель с механическим модулятором в в де ползуна, поперечное сечение; на фиг. 2 - то же,продольное сечение; , на фиг. 3 - преобразователь с механическим модулятором в виде диска. Преобразователь с механическим модулятором в виде ползуна содержит пьезоэлектрические элементы 1, крыш ки 2 и 2, прокладки 3, электроды 4 от с;редних прокладок (на фиг, 2 поклзг1ны только для крайних слева про кладок) , электрические вентили 5 и измерительный прибор и эквивалент внешней нагрузки 7, опорные пластины (верхняя 8, нижняя 9) с ячейками 10 и продольными направляющими паза ми 11 и 12, двигатель 13-, подшипники качения 14, плоский механизм с вращательными и поступательными парами с одной степенью свободы, выполне.нный, например в виде кривошипно-шатунного механизма, и состоящего из кривошипа 15, шатуна 16 и пол зуна 17. Ползун представляет собой подвижную пластину с двусторонними пазами 18 и 19 и направляющими выступами 20 и 21, расположенными в направляющих пазах 11 и 12 опорных пластин 8 и 9, . . В пазах 18 и 19 подвижной пласти ны на осях 22 закреплены подшипники качения 14 на глубине меньшей их радиуса. В ячейках 10 опорных пластин размещены пьезоэлектрические элементы с прокладками 3 так, что сред™ ние прокладки, связанные с электро дами 4, находятся под потенциалом зарядов одного знака (например, отрицательных, а положительные заряды отводятся на корпус преобразователя) . Пьезопластины 1 закрепляются в ячейках крышками так, что внутренние поверхности крышек опираются на прокладки, а внешние поверхности строго на одном уровне в каждой плас тине через одну крышку соприкасаются с наружными кольцами подшипников 14,С по мощью крышек 2 и 2крепежных элементов 23 пьезопластинам обеспечивается пред варительное начальное сжатие. Вал двигателя соединен с кривошипом, а торцовые поверхности выступов 20 и 21 соприкасаются со стенками пазов 11 и 12 опорных пластин. Электроды 4 подсоединены к .прибору и нагрузке 7 через электрические вентили 5.и 6. Длина хода ползуна выбирается равной расстоянию между центрами двух соседних крышек. Опорные пластины 8 и 9 закреплены между собой с помощью крепежнь1Х элементов 24, обеспечивающих начальное сжатие пьезоэлектрических элементов. Пьезопреобразователь с механическим модулятором в виде диска содержит пьезоэлектрические элементы 25, крышки 26, прокладки 27, электроды 28 (на фиг. 3 показана схематично электрическая связь) от средних прокладок, измерительный прибор и эквивалент нагрузки 29, опорные пластины; верхнюю 30, нижнюю 31, расположенную между ними подвижную пластину 32, которые насажены на вал 33 двигателя 34. Подвижная пластина с валом связана жестко, например с помощью шпоночного соединения (не показано). В опорных пластинах и с обеих сторон в подвижной пластине в виде концентрических окружностей выполнены соответственно пазы 35 и 36. В пазах 36 подвижной пластины 31 по радиальным направлениям на осях 37 закреплены подшипники качения 38 на глубине меньшей их радиуса. В пазах 35 опорных пластин закреплены пьезоэлектрические элементы 25 так, что их внутренние поверхности опираются на прокладки, а внешние на одном уровне в каждой пластине через одну крышку соприкасаются с наружными кольцами подшипников 38. Электроды 28 к нагрузке 29 подсоединены через электрические вентили 39. Опорные пластины закреплены между собой с. помощью крепежных элементов 40. Крышки крепятся крепежными элементами 41. Преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений с механическим модулятором в виде ползуна работает следующим образом. Прилагаемое внешнее воздействие через дно пластины 8 и 9, прокладки 10, группу крышек 2 непосрэдственно соприкасающихся в данный момент с подшипниками 14, создает механическое напряжение и сжатие группы пьезоэлектрических элементов, находящихся под этими крышками. Благодаря этому на данных пьезоэлектрических элементах формируется заряд Q, через нагрузку проходит импульс тока Эц, пропорциональный приложенному внешнему воздействию. Другая группа пьезоэлектрических элементов, соседних с первыми и находящихся в ячейках с крышками 2, в данный момент не испытывает внешнего воздействия и электрических заряддов не формирует. В следующий момент плоский механизм, совершая преббраэование равномерного вращательного движения вала двигателя в прямолинейное возвратнопоступательное движение ползуна, сме щает подвижную пластину на длину хода. Напряжение и сжатие пьезоэлектри ческих элементов в ячейках с крьашками 2 снимается и соответственно нагружаются соседние с ними элементы в ячейках с крышками 2 . Благодаря этому на данных элементах формируется заряд Q и через нагрузку проходит импульс тока Э, пропорциональный приложенному внешнему воздействию. Затем в каждый последующий момент, определяемый временем прямого Щ,ипк об ратного Тоф хода ползуна,происходит пе риодическое чередование нагрузки и раз грузки пьезоэлектрических элементов, Полный электрический ток, протекающий через нагрузку 7, пропорционален сумме зарядов, каждогб из элементов 1 умноженной на частоту f(l/2 . .для центрального и для смещенного механизма. Благодаря этому достигается многократное формирование зарядов Q и мощности на пьезоэлементах в течение всего цикла воздействия постоянного или медленноизменяющегося напряжения и уже при малых оборотах вала двигателя ( об/мин) ток и мощность на нагрузку повышаются более чем на порядок . В этом случае составляющая погр ешности от паразитных утечек и нестабильности накопленного заряда практически исключается, что позволя ет повысить точность измерения до 1% Предобразователь постоянных и мед :Ленноизменяющихся напряжений с механическим модулятором в виде диска ра .ботает следующим образом. Прилагаемое внешнее воздействие через дно пластин 30 и 31 (фиг, 3), прокладки 27, группу крышек 26, непосредственно соприкасающихся в данный момент с подшипниками 38, создает механическое напряжение и сжатие группы пьезоэлектрических элементов, находящихся под этими-крышками, Благодаря этому на данных пьезоэлементах формируется заряд Q и через нагрузку проходит импульс тока, пропор циональный приложенному воздействию. Другая группа пьезоэлементов, соседних с первыми, в данный момент внешнего воздействия не испытывает и заряд на них не генерируется. Через промежуток времени Тд подвижная пластина, совершакнцая с валом двигателя равномерное вращательное движение, разгружает нагруженные пье зоэлементы и через подшипники соответственно передает внешнее давление на соседние пьезоэлементы. На этих элементах формируется заряд Q и через нагрузку проходит 4 мпульс тока, пропорциональный приложенному внешнему воздействию. В каждый последующий промежуток времени TQ происходит периодическое чередование нагрузки и разгрузки пьезоэлементов. Полный электрический ток и мощность, вьаделяемая на нагрузке 29, пропорциональны. сумме зарядов каждого элемента 25., умноженной на частоту , Преобразователь по второму варианту из-за более высокой линейности выходного напряжения обеспечивает более высокую чувствительность и точность при измерении и преобразовании малых уровней давлений и напряжений, В этом случае его использование более предпочтительнее, чем преобразователя по первому варианту, использование которого предпочтительней в условиях измерения и преобразования больших уровней давления и напряжений. Точность измерения и преобразования при использовании 9 пьеэоэлементов по первому варианту 0,8-1%, по второму - 0,4-0,6%, Как показывают .результаты испытаний опытных образцов, применение предлагаемого устройства в сравнении с базовым позволяет повысить точность измерения,КПД а также и выходную мощность более чем на порядок, при том же числе используемых пьезоэлектрических элементов в диапазоне постоянных и медленноизменяющихся напряжений. Формула изобретения 1,Преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений, содержащий столбик пьезопластин с прокладками и электродами между ними, электрически со единенных параллельно и подключенных к измерительному прибору, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет повышения уровня выходного сигнала, он снабжен дополнительными столбиками пьезопластин, крышкаш, опорными пластинами с ячейками, механическим модулятором и вентилями, с помощью к.оторых столбики пьеяопластин электрически соединены с измерительным прибором, при этом пьезопластины расположены в ячейках опорных , пластин и закрыты через прокладки крышками, связанными через подшипники качения с механическим модулятором, 2,Преобразователь по п, 1, о тличающийся тем, что механический модулятор выполнен в виде ползуна с направляющими выступами, расположенными в пазах опорных пластин, и двусторонними продольными пазами,

в которых размещены подшипники качения, при этом ползун связан с механическим приводом, а ячейки в опорных пластинах расположены на линиях, параллельных продольным пазам ползуна.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что механический модулятор выполнен в виде диска с пазами, жестко соединенного с валом двигателя и расположенного между опорными пластинами, при этом в

пазах диска закреплены подшипники качения, а ячейки в опорных пластинах расположены на окружностях с радиусом, равным радиусу расположения подшипников качения на диске.

Источники информации, принятые во внимание, .при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР №779829, кл. G 01, L 9/OS, 1980.

2.Авторское свидетельство СССР 303539, кл. G 01 L 1/16, 17.01.69 (прототип).

а, -Н fff

. Л., А..О,, ...,..f/у

,е /5

U