Датчик давления Советский патент 1988 года по МПК G01L11/00 G01L1/16 

Фиг.1

1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления газов с помощью акустических волн в пластине (мембране) .

Цель изобретения - увеличение точности измерений давления.

На фиг, 1 изображен датчик давления, разрез; на фиг, 2 - то же, вид сверху.

Датчик давления содержит мембрану 1, соединенную посредством связки 2 с корпусом 3. На поверхности мембраны размещены электроды 4-7, между которыми находится пьезоматериал 8, На периферийной части мембраны установлен поглотитель 9.

Мембрана 1 может быть выполнена из диэлектрика с малым коэффициентом линейного расширения от температуры, например из ситалла, кварда или стекла. Толщина h мембраны выбирается

h Ai для того, чтобы в ней могла

13

распространяться только сдвиговая акустическая волна, где Л - длина сдвиговой волны в мембране при максимальной рабочей частоте электроакустического преобразователя. Минимальный диаметр мембраны ограничен размерами электроакустических преобразователей, расположенных на ее поверхности, и размером поглотителя 9, От толщины и диаметра мембраны зависит чувствительность и разрешающая способность предлагаемого устройства Максимальный диаметр мембраны ограничен затуханием сдвиговой волны в мембране, Оптимальньй диаметр мембраны выбирается равным не более 100 мм пр толщине мембраны не более 0,15 мм (для плавленного кварца) на рабочей частоте сдвиговых электроакустически преобразователей 4 МГц, При использовании других толщин мембраны необходимо рассчитывать рабочую частоту электроакустических преобразователей, исходя из приведенного неравенства.

Мембрана 1 соединена с корпусом датчика давления посредством связки 2, В качестве связки 2 может быть использован клей.

Корпус 3 может быть выполнен из такого же материала что и мембрана или из металла, обладающего коррозионной стойкостью в контролируемой среде. Корпус 3 датчика давления

686772

соединяется с контролируемой средой (обьектом, в котором производится измерение давления),

с Электроды 4-7, между которьми находится пьезоматериал 8, представляют собой электроакустические преобразователи сдвиговых колебаний по толщине, которые предназначены для

10 возбуждения и приема сдвиговых колебаний в мембране. Возбуждающий электроакустический преобразователь (источник) аналогичен по конструкции приемному преобразователю. Электро15 акустические преобразователи расположены на мембране диаметрально на одной оси. При использовании мембраны с жестко заделанными краями целесообразно электроакустические пре20 образователи расположить в той точке по диаметру мембраны, где деформация поверхности меняет знак на противоположный при максимальном измеряемом давлении. Эта точка (точка перегиба

25 поверхности) находится примерно на расстоянии 0,6 радиуса от центра мембраны. Расположение преобразователей в окрестности точки перегиба поверхности мембраны оптимально для

30 реализации наивысшей чувствительности предлагаемого устройства.

Электроакустический преобразователь состоит из металлических электродов 4 и 5, между которыми находит35 ся пьезоматериал 8, Размеры преобразователя (источника ультразвука) определяются размером пьезоматериала 8 и зависят от рабочей частоты. Оптимальная длина преобразователя (парал40 лельно оси вг) составляет - ЗО-Л, Длина преобразователя выбрана из условия оптимального согласования с 75-ом- ным кабелем. При использовании преобразователя меньшей длины возможна

45 дисперсия ультразвука в мембране. Ширина преобразователя (перпендикулярно оси вг или вдоль оси аб) составляет не более Л , Толщина преобразователя вместе с электродами 4 и 6 сос1

тавляет не более Д

где - длина

сдвиговой волны в электроакустическом преобразователе, Для того, чтобы электроакустический преобразователь излучал сдвиговые упругие колебания используют пьезоматериал с такой поляризацией, что под действием электрического тока в нем возникают сдви313

говые упругие смещения (смещения возникают параллельно оси вг, а упругая волна распространяется по мембране вдоль оси аб).

Поглотитель 9 не должен соприкасаться с электроакустическими преобразователями, т.е. с той его частью, где находится пьезоматериал.

Корпус 3 присоединяют к объекту, где необходимо контролировать давление (избыточное или отрицательное). На входной электроакустический преобразователь (состоящий из элементов 4, 5 и 8) подают электрический сигнал от генератора высокой частоты. Под действием электрического тока

Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения - увеличение точности измерений давления. Корпус 3 присоединяют к объекту, где контролируется давление. На преобразователь, состоящий из электродов 4 и 5, между которыми находится пьезоматериал 8, подают электрический ток. В пьезоматериале 8 возникают сдвиговые упругие смещения, вызывающие упругие смещения в мембране 1, которые преобразуются в преобразователе в выходной электрический сигнал. Под действием измеряемого давления происходит упругая деформация мембраны 1. Проводя измерения фазы или времени задержки электрического сигнала, судят о величине измеряемого давления газов. 2 ил.

Токоподводящие электроды 4-7 могут iо в пьезоматериале 8 возникают сдвигобыть изготовлены пленочными из металлов, имеющих хорошую адгезию к элементам устройства и обладающих хорошей электропроводностью (например.

вые упругие смещения (параллельно оси вг), которые вызывают сдвиговы упругие смещения в мембране 1, так как источник акустически связан с

из никеля, серебра, алюминия). Толщи-15 мембраной. Сдвиговая акустическая

на электродов составляет не более 0,05 толщины пьезоматериала 8. Ширина электродов, соприкасающихся с пье зоматериалом 8, выбирается равной ширине пьезоматериала 8, а за предела- ми пьезоматериала может быть такой же или в несколько раз шире для того чтобы Токоподводящие площадки были удобны для подсоединения внешней измерительной схемы. Минимальньй зазор между токоподводящими электродами (например, 4 и 5), расположенными на мембране (т.е. там, где делается переход электрода 5 с пьезоматериала на мембрану) выбирается равным 1-3 толщин пьезоматериала 8.

Приемный электроакустический преобразователь изготовляется аналогично излучающему.

Поглотитель 9 предназначен для предотвращения акустических отражений от края диаметра мембраны. Поглотитель 9 изготовлен из материала, имеющего хорошую адгезию к мембране

45

и способного поглощать ультразвуковые 40 При выполнении измерений методом Блю- колебания, например, из резины, по- ме можно регистрировать относительное удлинение диаметра мембраны с точностью 10 . Измерения могут быть выполнены и другими методами, позволяющими измерять скорость ультразвука с высокой точностью.

Предлагаемое устройство наиболее эффективно может быть использовано в производствах, где требуется измерение давления газов. Предлагаемое устройство можно также использовать в качестве образцового средства измерений при поверке монометров, используемых в промышленности.

лиэтилена, с использованием в качестве наполнителя окиси хрома. Поглотитель 9 выполнен в виде усеченного тороидального конуса и имеет в сечении полусферическую форму. Угол между плоскостью мембраны и касательной к сфере в точке соединения с мембраной находится в пределах 120-160 для того, чтобы снизить отражение ультразвуковых колебаний от поглотителя. Высота поглотителя выбирается не более четырех толщин мембраны. Ширина поглотителя выбирается равной 6-20 толщин мембраны. Поглотитель 9 располагается над местом соединения мембраны и связки 2.

Датчик давления работает следующим образом.

50

55

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий закрепленную на кольцевом основании плосвые упругие смещения (параллельно оси вг), которые вызывают сдвиговые упругие смещения в мембране 1, так как источник акустически связан с

5

волна в мембране распространяется вдоль оси аб и попадает в приемный электроакустический преобразователь, где сдвиговые упругие смещения мембраны преобразуются в выходной электрический сигнал. Под действием измеряемого давления происходит упругая деформация мембраны. Удлиняется срединная поверхность мембраны, что приводит к изменению фазы и времени задержки выходного электрического сигнала. Проводя точные изменения фазы, или времени задержки электрического сигнала можно судить о величине измеряемого давления газов. Для измерений может быть использован, например, метод Блюме. Если в процессе измерений давления фаза электрического сигнала изменяется более чем 5 на 180°, то необходимо подстраивать рабочую частоту f датчика так, чтобы показание фазы было неизменным, а по величине изменения рабочей частоты &f судить об измеряемом давлении.

0

45

40

50

55

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий закрепленную на кольцевом основании плоскую мембрану, на поверхности которой размещены симметрично относительно центра электроакустические преобразователи, о тличающийся тем, что, с целью повьшения точности электроакустические преобразователи выполнены в виде плоских стержней из пьезоматериала с электродами на широких гранях, которые расположены длинными сторонами параллельно друг другу и образуют пьезорезонаторы сдвиговых колебаний по толщине, а на периферийной части мембраны установлен введенньй в датчик поглотитель

колебаний в виде усеченного тороидального кольца, расположенньй над зоной соединения мембраны и кольцевого основания, при этом толщина мембраны h удовлетворяет соотношению

h I , ,

где 9 - длина сдвиговой волны в

мембране при максимальной рабочей частоте электроакустического преобразователя.

Фиг, 2