Измерительный преобразователь давления Советский патент 1991 года по МПК G01P5/02 G01L9/08 B06B1/06 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к приборам для измерения продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости потока жидкости или газа, приборам для одновременного измерения в одной точке потока двух или трех взаимно ортогональных компонент турбулентных пульсаций скорости.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем контроля чувствительности преобразователя в процессе работы.

На фиг 1 приведена конструкция измерительного преобразователя давлений; на фиг. 2 - выполнение электродов в измерителе скоростного напора потока; на фиг. 3 - то же, в измерителе мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций скорости потока; на фиг 4 - то же, в измерителе поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости потока.

Измерительный преобразователь давления содержит корпус 1, пьезоэлемент 2, общий электрод 3 и составной электрод в виде пар элементов 4, 5. Общий и составной электроды расположены на внешней и в нутренней поверхностях пьезоэлемента 2. Внешняя поверхность пьезоэлемента защищена термозащитным покрытием 6. Электроды каждой пары 4,5 составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента 2. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов 7. Дополнительные электроды 7 расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента 2. Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора 8 опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента 2. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. В корпусе 1 расположены встречный усилитель 9 и блок управления уровнем выходного сигнала генератора 10.

Преобразователь может выполняться различных типов.

Измеритель пульсаций скоростного напора потока содержит одну пару 4 элементов составного электрода и две пары дополнительных электродов 7.

Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, элементы составного электрода расположены коаксиально и имеют вид сферического пояса и сферического сегмента соответственно.

При контроле чувствительности пьезо- преобразователя с обоих парафазных выходов генератора 8 на дополнительные электроды 7 подается электрический сигнал равных уровней EKI и Ек2 и взаимно противоположной полярности. В силу обратного пьезоэффекта в области пьезоэлемента под дополнительными электродами возбуждаются механические колебания разных знаков, которые в силу упругости пьезоматериала передаются в области пьезоэлемента под элементами составного электрода 4, где в силу прямого пьезоэффекта вновь преобразуются в электрический сигнал ЕС одного знака. При таком двойном преобразовании и при неизменяемой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразования Кп зависит от квадрата пьезомодуля материала dz.

Равенство площадей дополнительных электродов и их симметричное размещение

относительно сечения пьезоэлемента, проходящего по линиям к нулевой поляризации, располагающимся между областями пьезоэлемента под составным электродом,

обеспечивает равенство механической энергии возбуждения в областях под дополнительными электродами.

Для компенсации емкостной связи между дополнительными электродами и состав0 ным электродом поляризация областей под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы с генератора 8 на каждый дополнительный электрод пары - взаимно противоположного знака, что при

5 равенстве электрических емкостей между дополнительными электродами и элементами составного электрода позволяет полностью скомпенсировать электрическую составляющую в передаче энергии между

0 ними. Коэффициент передачи Кп будет определяться только значением квадрата пьезомодуля d2, который характеризует чувствительность пьезопреобразователя.

Таким образом, по изменению коэффи5 циента передачи Кп в цепи контроля можно судить об изменении чувствительности пьезопреобразователя непосредственно в процессе проведения измерений.

Изготовленный пьезопреобразователь

0 помещают в поток с известным значением пульсаций скоростного напора пото.ка /oUU , где: р- плотность среды, U - средняя скорость потока, U - продольная компонента пульсаций скорости потока, и измеряют

5 уровень выходного электрического сигнала с пьезопреобразователя Ес.

Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора 8 с уровнем Е«, при котором уровень выходного сигнала с

0 пьезопреобразователя опять будет равен Ее. Находят коэффициент электромеханического эквивалента А по формуле

л Р U U t .

CK

5 В дальнейшем при градуировке пьезопреобразователя уровни задаваемых пульсаций скоростного напора можно заменить уровнями задаваемых Ек, при этом шкала сопоставляемых величин - линейная,

0Измеритель мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода, рабочий электрод 10 и одну пару дополнительных электродов 7.

5 Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, рабочий электрод и составной электрод расположены аксиально. Рабочий электрод 10 выполнен в виде сферического сегмента с углом раскрыва QI. Элементы составного электрода имеют вид четырех равных частей сферического пояса, ограниченного граничными углами раскрыва ft nft . Углы удовлетворяют условию

О 01 92 42° ± 0,5° вз 50° ± 0,5° .

Дополнительные электроды имеют вид двух равных частей сферического пояса с граничными углами раскрыва бе, и 6Ь и расположены аксиально составному электроду. Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над областями пьезоэлемента с противоположной по знаку поляризацией или областями с одинаковым знаком поляризации (в первом случае дополнительные электроды расположены над областями пьезоэлемента с противоположными по знаку поляризациями). Углы в/ и ft удовлетворяют условию 01 ft ft ft .

Турбулентные пульсации скоростного напора потока воздействуют на пьезоэле- мент 2 и генерируют на нем электрические заряды, причем разделение сигналов по компонентам турбулентных пульсаций скорости происходит на самом пьезоэлементе благодаря конструкции элементов составного электрода и рабочего электрода, их размещению, знакам поляризации областей пьезоэлемента и электрическому соединению этих электродов. Электрические заряды от продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости (канал 1) будут нескомпенсированы лишь на рабочем электроде 10 (фиг. 2), а на парах элементов составного электрода 4, 5 эти сигналы будут электрически скомпенсированы, благодаря противофазному соединению этих электродов. Величина электрического заряда Опрод. от воздействия продольной компоненты описывается выражением

Опрод Ai р- U -U F(0i), где AT - коэффициент преобразования, зависящий от пьезосвойств материала (пьезо- модуля d);

р- плотность среды;

U - средняя скорость потока;

U - продольная компонента ТПС;

F($i) - коэффициент формы и размеров рабочего электрода.

Для поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости (каналы 2 и 3) электрические заряды и Оз на соответствующих парах элементов составного электрода 4 и 5 будут нескомпенсированы, причем величина электрического заряда на них описывается выражением

% А0 р U V -Фф.бЬ). 6Ь А0 р -U W Ф($г ,6Ь).

0

5

0

5

0

где V , W - взаимно ортогональные поперечные компоненты ТПС.

При изотропной турбулентности - Vw72 среднеквадратические значения величины заряда по канапам 2 и 3 будут равны. Нормировка измерительных каналов 1-3 определяется равенством частотной характеристики каналов и подбором коэффициента усиления канала измерения продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости (канал 1)с использованием соотношения AI F() АО Ф(0г.6Ь).

При выбранных размерах элементов составного электрода по условию равенства частотных характеристик каналов F($i ) const, Ф(& . Оз) const. Таким образом, величина электрического заряда на электродах пьезоэлемента, а следовательно, чувствительность Si пьезопреоб- разователя определяются свойствами пьезоматериала (его пьезомодулем d) и для каждого канала измерений могут быть определены при помещении пьезопреобразова- теля в поток с известными значениями компонент турбулентных пульсаций скорости AJU , pUV, /oUW ) путем измерения уровней выходных сигналов по каждому измерительному каналу ECI, Ес2. Есз и сопоставления его с уровнем заданных ТПС по компонентам 1-3.

Расчет проводится по формулам

5

0

5

0

5

s, A

Ь|Ее,

(1 1,2,3).

При контроле чувствительности пьезоп- реобразователя по каналу продольной компоненты (канал 1) выходы генератора подключают к разным дополнительным электродам и устанавливают уровень сигнала генератора Ек, при котором уровень выходного сигнала канала 1 установится равным ECI, что эквивалентно воздействию на пьезоэлемент пульсаций скоростного напора потока /oUU известного уровня.

Для контроля чувствительности пьезоп- реобразователя по каналам измерения поперечных компонент (каналы 2 и 3) оба дополнительных электрода соединяют с одним выходом генератора и проводят аналогичные операции.

Проверка разбаланса по электрическим емкостям между дополнительными электродами и элементами составного электрода проводится соединением выводов обеих пар элементов составного электрода и измерением уровня сигнала разбаланса при установленном уровне сигнала генератора, каждый дополнительный электрод подключают к соответствующему выходу генератора.

Полученные соотношения между уровнем сигнала генератора Ек и уровнями выходного сигнала каналов EGL определяющие величину турбулентных пульсаций скорости по компонентам при известных значениях плотности потокар и его средней скорости U, используют в дальнейшем для контроля чувствительности пьезоп- реобразователя по всем каналам измерений.

Коэффициент преобразования по цепи контроля зависит от квадрата пьезомодуля d2 материала, так как при этом используют- ся и прямой и обратный пьезоэффекты, то расчет относительного изменения чувствительности пьезопреобразователя/Si по каналам непосредственно в процессе измерений производится по формуле

ASi -/ДКГ (,2,3), где Д Ki - относительное изменение коэффициента преобразования по цепи контроля.

Измеритель поперечных компонент пульсаций скорости потока содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода 4, 5, одну пару дополнительных электродов 7.

Пьезоэлемент в нем имеет вид части сферы, составной электрод выполнен в виде сферического сегмента с граничными угла- ми раскрыва в и ft, удовлетворяющими условию

cos2 + cos2 ft + cos #1 cos ft ,

где 0 0i Oi 63°.

Элементы составного электрода имеют вид четырех равных частей сферического пояса.

Дополнительные электроды 7 имеют вид двух равных частей сферического сег- мента с углом раскрыва ft. удовлетворяющим условию 0 Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над областями пьезоэлемента с одинаковой по знаку поляризацией. Дополнительные и составной электроды расположены коаксиально.

При контроле чувствительности пьезо- преобразователя с обоих парафазных выхо- дов генератора на дополнительные электроды 7 подаются электрические сигналы равных уровней EKI и Ек2, но противоположных по фазе. В силу обратного пьезоэффек- та в области пьезоэлемента под КЗ возбуждаются механические колебания разных знаков, которые в силу упругости пьезоматериала передаются в области пьезоэлемента под элементами составного

электрода 4 и 5, в силу прямого пьезоэффек- та вновь преобразуются в электрические сигналы ECI и Ес2, снимаемые с каждой пары рабочих электродов.

При таком двойном преобразовании и при неизменяемой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразования Кп уровня электрического сигнала на них Ек и уровни электрического сигнала на каждой паре элементов составного электрода ECI и Ес2 зависят лишь от квадрата пьезомодулв материала d и могут быть вычислены пд формуле

Km

ECI

, Кл2

ЕС2

Јк X|li Ек

Для компенсации емкостной связи между дополнительными электродами и составным электродом поляризация областей пьезоэлемента под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы на эти электроды подаются в противофазе, что позволяет скомпенсировать передачу энергии между электродами за счет емкостей связи и при этом коэффициент Кп будет определяться только значением квадрата пьезомодуля d материала, который характеризует чувствительность пьезопреобра- зователя.

По изменению Кп можно судить об изменении пьезомодуля d материала и, следовательно, об изменении чувствительности пьезопреобразователя.

Начальное значение чувствительности пьезопреобразователя получают при его первичной градуировке. Изготовленный пьезопреобразователь помещают в поток с известным значением произведения средней скорости потока U на величину поперечных компонент ТПС V , W при известной плотности потока р и измеряют уровень выходного сигнала с каждой пары элементов составного электрода ECI, Ес2.

Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора уровнем Ек. при котором уровень выходного сигнала с пьезопреобразователя вновь будет равен Ест и Ес2.

Находят коэффициенты электромеханического эквивалента AI и А2 для обоих измерительных каналов по формулам

А1 - ..А,- .

ЕкEk

В дальнейшем при градуировке измерительных каналов пьезопреобразователя уровни задаваемых поперечных компонент пульсаций скорости потока можно заменить уровнями задаваемых Ек, шкала сопоставляемых величин линейна по отношению к

проведению средней скорости потока на любую из поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь давления, содержащий корпус, пьезоэлемент, общий электрод, составной электрод в виде пар элементов, причем общий и составной электроды расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента, а эле- .менты каждой пары составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем контроля чувствительности в процессе работы, на внутреннюю по0

5

0

верхность пьезоэлемента нанесены пары дополнительных электродов, а внутри корпуса размещен генератор опорного синусоидального сигнала, причем дополнительные электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента, дополнительные электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента, а суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений путем контроля чувствительности преобразователя давления в процессе работы. Общий электрод и составной электрод в виде пар элементов расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента соответственно. Электроды каждой пары элементов составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов. Дополнительные электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента. Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. По изменению коэффициента передачи судят об изменении чувствительности преобразователя. 4 ил Ё

ЕМ

ЕС2

0Есэ

#Еу

Ю

Фиг. 1

.7

11

5

Ј-О ОбЩ .1

/ /Ј

в,

Фиг. 5

«vi

т

ч-

«VI