Пьезоэлектрический датчик давления Советский патент 1983 года по МПК G01L9/08 G01L23/10 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления и его первой производнрй, т.е. скоростиизменения давления () при испытании поршневых машин,например двигателей внутреннего сгорания. Известны пьезоэлектрические датчи ки давления для регистрации быстроменяющихся давлений в цилиндрах порш невых машин l . Для измерения скорости измерения давления между датчиком давления и выходным узлом измерительного устройства включают активные дифференциаторыс Наиболее близким к предлаг аемому по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектр ческий дат;чик для измерения пульси-, рующих давлений, содержащий разделительную мембрану, пьезоэлемент, токосъемники и корпус, имещий внутреннюю полость 2 . Однако известный датчик не обеспе чивает одновременно с измерением дав 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 источником компенсирующего давления, и размещенные в корпусе разделительную мембрану, установленную между дв мя полусферическими решетками, чувст вительный пьезоэлемент и токосъемники, 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 установлен ных пьезопластин, поджатых к дну сил фона, образующих два автономных пьез электрический преобразователя, подключенных к соответствующим токосъемникам, причем центральный общий электрод преобразователей соединен с корпусом, а между корпусом и одним из токосъемников включен резистор. На чертеже представлен пьезоэлект рический датчик давления, общий вид Датчик содержит корпус 1, внутри которого размещена разделительная мембрана 2, зажатая между решетками 3 и 4, сильфон 5 соединенный с верхней решеткой k и опорой 6, зажимное кольцо 7 и чувствительный элемент, состоящий из корпуса 8, центрирующей гильзу 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 9с пьезопластинами 10 через проставку 13 прижимается к верхней решетке 4 и растягивает сильфон 5 до упора в решетку t. Этим обеспечивается предварительный натяг пьезокварцевых пластин. Компенсирующее давление воздуха от внешнего источника подводится через серьГУ 1, 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 ре;иетку Л. Последня 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 V среза), образуется электрический заряд, пропорциональный при-, ложенной силе или подводимому давле.нию. Кварцевые пластины вложены в изолирующую 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 котьрому может быть подключен измерительный усилитель (не показан). Этим обеспечивается возможность измерения и регистрации мгновенных значений давления, быстроменяющегося во времени, т.е. QH f(p) p(t). Положительный заряд Ц по другому токосъемнику подается к выходу датчика, к которому может быть подключей такой же измерительный усилитель, причем между этим токосъемником и корпусом датчика включен резистор утечки (не показан), осуществляющий совместно с емкостью пьезопластин дифференцирование по времени заряда , Этим обеспечивается возможность измерения и регистрации мгновенных значений скорости из(Менения быстроменяющегося давления,т. Q (jf(dP/dt). Таким: образом, пьезоэлектрический датчик давления обеспечивает возможность одновременного измерения быстроменяющегося давления и скорости его нарастания. Если на пути заряда QW дифференцирующий резистор не установлен (таковым может быть внешний регулятор в цепи нагрузки многофункционального датчика), то Q f(P), т.е. в этом случае дат чик превращается в преобразователь давления с двуполяриым выходным сигналом. Такой преобразователь по двух мостовой схеме может быть подключен к дифференциальному измерительному усилителю, выходной сигнал которого пропорционален разности входных сигналов; При этом вдвое повышается чувствительность, резко снижается , влияние .аддитивных помех, т.е. повышается точность измерения давления Компенсирующая полость, образован ная -пространством между разделительной мембраной и сильфоном, обеспечивает возможность проведения калибровки (градуировки) датчика по давлению непосредственно на объекте установки датчика и, что существенно, в процессе выполнения измерений, т.е., осу ществлять процедуры измерения и гра дуировки при одном и том же тепловом и м ханическом состоянии объекта (например поршневой машины) .Это также способствует повышению точности измерений. Компенсирующее давление воздуха от внешнего источника через серьгу k и отверстия в кольце 7 и в опоре 6, воздействуя на сильфон 5, сжимает его, вызывая появление на боковых гранях пьезопластин заряда пропорционального компенсирующему давлению. Одновременно компенсирующее давление через верхнюю решетку Н отжимает резделительную мембрану 2, разгружая ее от действия измеряемого давления на величину, равную компенсирующему 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 РК РП - РК , где Р. - величина компенсирующего давления; йР - величина потери давления, определяемая жесткостью разделительной мембраны 2. Используя мембрану, выполненную из материала с модулем упругости,, близким к нулю, можно создать условия, пом,которых , так как разделительная мембрана,зажатая между решетками 3 и ,прогиба практически не . Для устранения фазовой погрешности между сигналами давления и сигналом скорости изменения давления (т.е. между Q и Q ) возможно осуществление одновременной калибровки датчика в динамическом.режиме и по давлению, и по скорости нарастания давления. С этой целью датчик подвергается действию переменного давления, изменяющегося по синусоидальному закону, а выходы и через соответствующие усилители подсоединяются к двухлучевому осциллографу. Калибровка в этом случае сводится к установке таких значений коэффициентов усиления усилителей и резистора утечки (или эквивалентного ему внешнего регу 1ятора), при которых сигналы, пропорциональные Q и . во всем диапазоне частот переменных давлений равны по-амплитуде и сдвинуты 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.

//

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 авто- номных 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