Датчик давления ударной волны Советский патент 1983 года по МПК G01L23/10 

Изобретение относится к технике измерений параметров уцарных ёопн в жидкостяхипи гпзах и прецназначено преимушественно цпя испопь,зоваш1я в сио темах с пьезоэпектрическими преобраэоватепями. Известны пьезоэпектрические цатчики, содержащие укрепленный в корпусе пьезоэпемент с токовывоаами. Воспринимающей поверхностью датчика давления является поверхность его конструкции которая предназначена дпя восприятия усипия в процессе нагру жения элемента ударной вопной и передачи этого усипия в лоспедуютцие измерительные преобраэоватегш. Как правило, элементом,образующим воспринимающую поверхность датчика, является мембрана или непосредственно пьезоэлемент (2). Диапазон изменения измеряемых давпений очень велик. Например, в вакуутч - ной технике приходится измерять давления цо I.SIO Па, а в технике высо ких давлений до 10 Па и вып:е, следовательно .диапазон давлений,охватывает 16 порядков. Лучшие датчики имеют диапазон измеряемых давлений около Ю . Поэтому для охвата всего диапазона давлений необходимо иметь нес- колько типоразмеров датчиков. из них может работать с удовлетворительной точностью в определенных границах давлений и частот воздействующих ударн Волн. Изменение чувствительности и диапазона воспринимаемых датчиком частот возможно за счет изменения таких конст руктивных элементов датчиков как мембрана, чувствительный элемент, в качестве которого выступает пьезоэлектрический кристалл, т. е. требуется переработка всей конструкции датчика с целью лолу-. чения необходимых для практики техничес ких характеристик, что является существенным недостатком известных конструкций. Цель изобретения - расщирение полосы рабочих частот и диапазона измерени о-кааанная цель достигается тем, что датчик давления, содержащий укрепленны в корпусе чувствительный элемент в ви де пье;зоэпектрического преобразователя с токовыводами, снабжен закрепленным н корпусе со стороны чувствительного элемента жестким контейнером с торцовой стенкой параллельной чувствительному элементу, при этом внутренняя полость контейнера заполнена веществом с акустическим сопротивлением неравным 1акустическому сопротивлению контролируемой среды. На фиг. 1 изображена конструкция датчика; на фиг. 2 - характеристические кривые ударной волны в контролируемой среце и в среде, заполняющей контейнер. Датчик давления содержит корпус 1 с мембраной, 2, чувствительным элемент в вице пьезоэлектрического прео&- . разователя 3, укрепленного в корпусе прижимной шайбой 4. На корпусе имеются съемное днище 5 и электрический разъем 6, Сигнал с верхней грани подводится к электрическому разъему через мембрану 2, корпус 1 и днище 5, а с ниж:ней грани - через токовывод 7 на центральный кситакт 8 разъема, изолированного шайбой 9. На корпусе 1 со стороны чувствительного элемента 3 укреплен жесткий контейнер 10, торцовая стенка 11 которого образует мембрану, параллельную чувствительному элементу. Внутренняя полость контейнера заполняется промежуточной средой 12, в качестве которой может быть использована, например, вода при измерениях в газообразных едах или возцух при измерениях в жидких средах. Для заполнения контейнера промежуточной средой имеется щтуцер с клапаном 13, который позволяет регулировать давление в контейнере itro для получения требуемого акустического сопротивления заполняющей его среды. Датчик давления работает следующим образом. Ударная волна, давление,за фронтом которой подлежит измерению; подходит из контролируемой среды к мембране И и при переходе через мембрану 11 в промежуточную среду 12 - к воспринимающей поверхности пьезопреобразователя 3 и изменяет свои параметры в зависимости от соотнощения акустическкк С9противлений контролируемой среды и промежуточной среды 12, а также толщины и материала мембраны 11 т. е. между давлениями измеряемой унарной волны и ударной волны, распространяющейся в промежуточной среде, существует определенная зависимость, позволяющая установить соответствие этих давлений в любой момент времени, при этом оптимальное согласование ожидаемых величин параметров ударной волны с рабочии характеристиками датчика обеспечивается подбором акустического сопротивлени

промежуточной среш и массы момбраны J. 1.

На фиг. 2 и 3 показаны характеристики ударной вопны в коорцинатах цавпеггиеапитепьность попожитепьной фазы, отн&сенная к показателю ее затухания.

Для сгтучая перехоца уцарной вошш из воды в возцух на фиг. 2 показана кривая 14, показывающая характер ударной вопны в контроггаруемой среде, т. е. в воце, а на фиг. 3 кривая 15, показывающая характер ударной вопны в промежуточной среде, залопняюшей контейнер, т. е. в воздухе. Из сопоставпеНИЯ этих кривых видно, что при выбранных условиях максимальное цавпение за мембраной 11 для перехода ударной вопны из воды в воздух падает почти в 3000 раз.

Частотные характеристики ударных

волн оцениваются по постоянной времени затухания в экспоненциальных зависимостей подающей и прошедшей ударных волн, взятых как время уменьшения давления на ниспацающей ветви вривой в 6 раз, и зависят от толищны мембраны. .Так, при толщине стальной мембраны 11 в 1 мм коэффициент затухания прошедшей вопнь по сравнению с коэф затухания падающей волны увеличивается в 1,3 раза, а при толщине мембраны в 3 мм - в 2 раза (кри|Вая 16 на фиг. 3).

Известно также, что длительность положительной фазы ударной волны приблизительно равна 3 9j т. е. цля падающей .уцарной вОлны положительная фаза составит 5,5 10 G, а дляпрошедшей 1,1 Ji

iO(.. По и:шестн1э м номограммам можно опрецепить частотные циапазоны изме ритег1ьш 1к приборов по цпитепьности положитепьной фазы уцарной волны. Для рассмотренного случая при толщине мембраны 3 мм требуемая полоса частот приборов CNtecTHTCH в сторону уменьшения с 2 . 10 - 2ОО до 10 - 1ОО Гч.Таким образом, положительный эффект заключается в снижешта максимальных необходимых, частот регистрирующей аппаратуры.

В другом случае при переходе ударной вопны из воздуха в вопу, максимальное давпение в более плотной среде не превышает двойного максимального давления в среце измерет Я. На фиг. 2 показана , кривая 17, построенная для случая перехоца ударной волны из воздуха в воду. Из графика видно, что максимальное значение .давления ударной волны в воде возросло по сравнению с воздухом (кривая 14, фш. 2) примерно в 1,2 раза. При этом коэффициент затуханияувеличился примерно в 1,3 раза.

Таким образом, заполняя контейнер средами с различными акустическими сопротивлениями, неравными акустичеокому сопротивлению контролируемой срецы, можно преобразовать параметры уцарной волны к виду, удобному цля измерения определенным датчиком давления Изменение акустического сопротивления промежуточной среды, а так.же материала и толщины мембраны позвопяет уменьшить давление ударной волны до 1ООО раз и уменьшить частоту воздействия в несколько раз.

.....

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ УДАР-; НОЙ волны, соцержаший укрепленный в корпусе чувствительный элемент в вице пьезоэлектрического преобразоватепя и токовывоцы, отличающий- с я тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот и диапазона измерьния,,он снабжен закрепленным на корпусе со стороны чувствительного элемента жестким контейнером с тqpaoвoй стен- кой, параллельной чувствительному эл&- менту при этом внутренняя полость контейнера заполнена веществом с акустическим сопротивлением, неравным акустическому сопротивлению контролируемой среды.

Л

(.2 /,4 t,f f,ff S,B 2,t tt 2,6 2.9 10

6 S.t O.if f,S 0,9 фаг 2