Пьезометрический датчик давления Советский патент 1987 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к контроль- но-измерительной технике и может быть использовано для измерений импульсных давлений большой длительности, например, в электрогидравлической штамповке.

Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния упругой волны в волново-)- .де, отраженной от его другого конца.

На фиг,1 и 2 схематически изображен пьезометрический датчик давления

Датчик состоит из пьезоэлемента 1, установленного на одном конце от волновода 2, который акустически согласован с пьезоэлементом. Волновод 2 содержит 3 участка. Первый участок представляет собой стержень перемен- площадь которого в мес- всех трех участков равного сечения,

те соединения на F . Второй в виде полого усеченного конуса и третий в виде цилиндра участки имеют равные акустические длины и представляют собой волноводы постоянного поперечного сечения, нормального к направлению распространения упругой волны вдоль каждого из них, с площадями F, и F соответственно. Второй участок волновода ограничен отражающей поверхностью П1 обладающей свойством, свободной границы, а третий участок - отражающей поверхностью П2, обладающей свойством границы с жесткой связью. При этом на обеих отражающих поверхностях выполняется условие нормального падения распространяющихся во втором и третьем участках волновода упругих волн, образующихся в результате разделения фронта прямой упругой волны, распространяющейся в первом участке волновода, в месте соединения всех трех участков. Площади F , F и Fj удовлетворяют условиям

F,

V J. -р . -рг /V тг /у

г, т .с , /г, V, / v

где Vj и V, - модули коэффициентов отражения для поверхностей П1 и П2 соответственно

Датчик работает следующим образом. При воздействии импульса давления на пьезоэлемент 1 возникает прямая упругая волна сжатия (расширения) Pj , распространяющаяся вдоль первого участка волновода 2. Пройдя расстояние 1, фронт упругой волны Р, претерпевает разделение на два фронта, образующие упругие волны расширения Pj и PJ соответственно. При этом выполняется условие

A,dF 1 +1 A,dF,

где

I А,

- амплитуда упругой волны Р.

в месте разделения ее фронта;

AJ - амплитуды упругих волн Р и Р, соответственно;

ci F - злемент площади поперечного сечения участка волновода, нормального к направлению распространения упругой волны.

Если А , А, А

3

то

переходит в соотношение.

это условие которое выполняется для площадей F , F и Fj . Волны расщирения Р и Р, распространяются вдоль второго и третьего участков волновода соответственно.

Дойдя до границы второго участка волновода, упругая волна отражается от поверхности П1. При этом образуется волна расширения , . амплитуда которой равна , а фаза отличает0

0

Т

Таким образом, Р представляет собой волну

5

ся от фазы 7 на

волна ч i

растяжения. Упругая волна Fj , дойдя до границы третьего участка волновода, отражается от поверхности П2. При зтом образуется волна сжатия Р, ,

амплитуда которой равна V, А j

5

Упру-

гих волн искажения при отражении Р2 и РЗ не образуется, так как происходит нормальное падение этих волн.

Пройдя второй и третий участки волновода, отраженные упругие волны расширения Pj и Pj взаимодействуют между собой, в результате чего они гасят друг друга. Это следует из соотношения

-jA,V,dF + JA,V,dF -ь

Fe. F -t- УЗ AjFj n.

Таким образом, на пьезоэлемент 1 не воздействуют упругие волны, отраженные от границ волновода 2.

На характер распространения упругих волн в волноводе не влияет длительность измеряемого нмпульса давления. Для предлагаемого датчика верхний предел длительности .измеряемого импульсного давления определяется не длиной волновода, а значением

входного сопротивления измерительного устройства, подключенного к пьезо- элементу. Это связано с тем, что указанное сопротивление определяет постоянную времени измерительной це пи, состоящей из пьезоэлемента и измерительного устройства, которая определяет точность измерения амплитуды импульса давления данной длительности. При практической реализации предлагаемого датчика, учитывая не-, точности изготовления его волновода, которые могут привести к неполному гашению отраженных волн в месте разделения фронта прямой упругой волны, следует длину первого участка волновода между точками О и 0 выбирать большей, чем длина второго и третьего участков. В этом случае можно обеспечить с достаточно высокой точностью условие параллельности фронтов отраженных упругих волн, которое обеспечит их полное гашение на участке волновода между точками О и 0, На практике границу с жесткой связью и свободную границу реализуют с некоторым приближением.

Пьезоэлемент 1 (фиг.2), выполненный из кварца, установлен на одном конце волновода 2. Другой конец волновода образован поверхностями П1 и П2, на которых укреплены цинковые пластины 3 и 4 h 1 К пластине 3, укрепленной на поверхности П2, присоединена стальная шпилька 5. При установке датчика шпильку 5 ввинчивают в массивное тело 6, изготовленное из стали. Этим обеспечивается опирание тонкой пластины 3 на жесткую стенку. Пластина 4, установленная на поверхности П1, второй своей стороной граничит с воздухом. Такое опирание пластины 4 реализует свободную границу. Волновод 2 выполнен из алюминия.

Использование волновода, в котором отраженные от его границ упругие волны гасят друг друга с -требуемой- точностью, отличает предлагаемый датчик от известного, так как уменьшается составляющая погрешности измере-

.

0

5

5

0

5

НИИ, обусловленная влиянием отраженных как волн расширения, так и волн искажения на работу пьезозлемента. В результате увеличивается верхний предел длительности измеряемого импульсного давления без увеличения длины волновода, так как на характер распространения упругих волн в этом волноводе не влияет длительность измеряемого импульсного давления. Предлагаемый датчик прост по устройству и дешев по сравнению с известным, а также обладает меньшими габаритными размерами.

Формула изобретения

Пьезометрический датчик давления, содержащий пьезоэлектрический элемент, соединенный с одним из концов акустического волновода, состоящего из сплошного стержня и соединенного с ним тела вращения, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повьш1е- ния точности, в нем тело вращения выполнено в виде полого усеченного конуса и размещенного внутри него сплошного цилиндра, имеющих равные акустические длины, причем конус подсоединен к торцу стержня малым основанием, а цилиндр - одним из торцов, стенки конуса выполнена с постоянным сечением, нормальным к образующей конуса, при этом в месте соединения

F(

+ F,, где F,, F

7

FJ - соот

ветственно площади нормальных к образующим сечений стержня, малого основания конуса и цилиндра, причем поверхности большего основания конуса и второго торца цилиндра снабжены отражаюш 1ми пластинаг-ш, при этом отражающая пластина цилиндра жестко закреплена на основании, а

45

II

f.

Xi у„

где V

г

V3 7

соответственно модули коэффициентов отражения для отражающих пластин и контактирукшщх с ними поверхностей конуса и цилиндра.

Изобретение может быть использовано для измерений импульсных давлекий большой длительности. Цель изобретения - повьппение точности. Датчик состоит из пьезоэлемента 1 и волновода 2. В датчике отраженные от его границ упругие волны гасят друг друга с требуемой точностью. Уменьшается составляющая погрешности измерений, обусловленная влиянием отраженных волн расширения и волн искажения на работу пьезоэлемента I. В результате увеличен верхний предел длительности измеряемого импульсного давления без увеличения длины волновода 2, т.к. на характер распространения упругих волн в этом волноводе не влияет длительность измеряемого импульсного давления. 2 ил. 2 сл Пврбый участок HMnifJitic дабления Третий т Риг.1

Редактор И. Шулла

Составитель А„ Соколовский

Техред В.КадарКорректор М, Пожо

4212/32

Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4