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 одновременного измерения в одной точке потока двух и трех взаимно ортогональных компонент турбулентных пульсаций скорости потока жидкости или газа, к приборам для измерения продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости потока жидкости или газа.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем компенсации сигналов вибрации непосредственно на пьезоэлементе.

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

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 внутренней поверхностях пьезоэлемента 2. Внешняя поверхность пьезоэлемента защищена термозащитным покрытием б. 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 дополнительные электроды 7, число которых равно числу элементов составного электрода. Между элементами составного электрода расположен связанный с общей шиной демпфирующий электрод 8. Дополнительные электроды 7 размещены внутри соответствующих им элементов составного электрода на равных расстояниях от соседних элементов этого электрода. Площадь каждого дополнительного электрода 7 много меньше площади соответствующего ему элемента составного электрода. Дополнительные электроды, размещенные внутри элементов каждой пары 4, 5 составного электрода, электрически связаны между собой и подключены к выходам блока 9 усилителей отрицательной обратной связи, входы которого связаны с электрическими выводами пар элементов составного электрода через блок перестраиваемых фильтров 10. В корпусе 1 также помещены предварительные усилители 11.

Преобразователь согласно изобретению может выполняться различных типов.

Измеритель пульсаций скоростного напора потока содержит одну пару 4 элементов составного электрода и два дополнительных электрода 7. Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, элементы составного электрода расположены коак- сиально и имеют вид сферических поясов с граничными углами раскрыва соответственно 6 , &2 и $з, ОА, , которые удовлетворяют условию

cos #1 - cos ft cos &з - cos 64 .

О 0i вг 42° ± 0,5° ft 64 .

Дополнительные электроды выполнены в виде сферического сегмента с углом раскрыва 9$ и сферического пояса с гранич- ными углами раскрыва 0§ и &j удовлетворяющими условиям

,.

Демпфирующий электрод имеет в йд сферического пояса с граничными углами раскрыва ва и ft , которые удовлетворяют условию

&1 вв 6Ь 6Ь.

Сигналы механических вибраций конструкций, помещенных в поток, вызываются срывом вихрей потока с их поверхностей и имеют вид регулярных составляющих (гармонических функций) с амплитудами,

убывающими с ростом частоты. Наибольший энергетический вклад вносят крупномасштабные вихри, которые наряду с конструкцией определяют амплитуды низкочастотных составляющих сигналов вибраций. При наличии на обтекаемой конструкции пьезоэлемента электрический сигнал с его рабочих электродов, кроме полезного, содержит гармонические составляющие сигналов вибраций, что снижает

точность измерений, а иногда полностью маскируется полезный сигнал.

Измеритель пульсаций скоростного напора работает следующим образом.

Полный электрический сигнал с элементов составного электрода, включающий в себя и сигналы вибраций, пропускают через предварительный усилитель 11, отфильтровывают сигналы вибраций с помощью блока перестраиваемых фильтров 10, пропускают

эти сигналы через усилитель 9 отрицательной обратной связи и подают эти сигналы на дополнительные электроды, где в силу обратного пьезоэффекта эти сигналы преобразуются в механические колебания, которые

благодаря упругой связи передаются в область пьезоэлемента под элементами составного электрода 4,ближайшими к дополнительным электродам 7, где компенсируют механические колебания от вибраций в этой области пьезоэлемента, так

как эти сигналы находятся в противофазе с сигналами вибраций. Благодаря электро емкостной связи между каждым дополни тельным электродом и ближайшим к нему элементом составного электрода также происходит частичная электрическая компенсация сигналов вибраций, снимаемых с составного электрода.

Величина электромеханической компенсации (подавления) гармонических со- ставляющих сигналов вибраций определяется коэффициентом передачи по цепи О.О.С., который, в свою очередь, определяется .устойчивостью системы к самовозбуждению. Конечное значение электромеханической связи между каждым дополнительным электродом и удаленным от него элементом составного электрода определяет коэффициент положительной обратной связи, так как в этом случае компенсирующие сигналы и сигналы вибраций находятся в фазе, поэтому для повышения устойчивости системы компенсации, а следовательно, степени подавления сигналов вибраций, между элементами составного электрода введен демпфирующий электрод, соединенный с общим электро- йом, который демпфирует механические колебания в области пьезоэлемента под этим электродом и, кроме того, обеспечивает электрическую экранировку, существенно уменьшает электроемкостную связь между электродами. Процесс компенсации сигналов вибраций непосредственно на пьезоэ- лементе может быть автоматизирован путем применения известных схем со следящими фильтрами.

Измеритель поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости потока содержит две пары 4,5 элементов составного электрода и четыре дополнительных электрода 7.

Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы. Составной электрод выполнен в виде сферического пояса с граничными углами раскрыва 0 и

ft, удовлетворяющими условию cos2 0 + 4- COS2 ft + cos #1 cos в TJ . Элементы составного электрода имеют вид четырех равных частей сферического пояса.

При помещении пьезопреобразователя в турбулентный поток на составном электроде пьезоэлемента в силу явления прямого пьезоэффекта генерируется электрический заряд, пропорциональный механическим воздействиям со стороны потока на пьезо- элемент, а также за счет механических вибраций пьезопреобразователя относительно

среды, сигнал от которых может существенно превосходить уровень полезного сигнала, что приводит не только к маскировке последнего, но и к его искажению на выхо- дах измерительных каналов и, следовательно, снижает точность измерений собственно компонент турбулентных пульсаций скорости потока.

Измеритель поперечных компонент 0 турбулентных пульсаций скорости потока работает аналогично работе измерителя пульсаций скоростного напора.

Число усилителей и блоков в данном измерителе в соответствии с числом пар 5 элементов составного электрода увеличивается в два раза.

Измеритель мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций скорости потока содержит две пары элементов 4, 5 0 составного электрода, рабочий электрод 12 составного электрода и четыре дополнительных электрода 7

Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, рабочий и составной электрод 5 расположены коаксиально. Рабочий электрод выполнен в виде сферического пояса с максимальным граничным углом раскрыва в. Составной электрод выполнен в виде сферического пояса с граничными углами 0 раскрыва ft , ft , удовлетворяющими соотношению

О ft ft 42° ± 0,5° ft 50° ± 0,5° .

При размещении измерителя в турбулентном потоке на его Пьезоэлемент механически воздействуют пульсации скоростного напора по всем трем взаимно ортогональным компонентам Р, /oUVi, где р - плотность среды; U - средняя скорость среды; Vi-i-я компонента пульсаций скорости (,2, 3).

Благодаря явлению прямого пьезоэффекта эти механические пульсации Pi вызывают появление пульсаций электрического заряда QI на соответствующих элементах составного и рабочего электродов пьезоэлемента при определяемых расчетно или экспериментально коэффициентах преобразования К,

0Ч - -,

где d - пьезомодуль материала.

Однако при обтекании измерителя турбулентным потоком наблюдаются срывы вихрей с поверхности измерителя, которые возбуждают механические колебания самого измерителя и связанной с ним конструкции, что приводит к появлению на составном электроде и рабочем электроде сигналов вибрации в виде регулярных со0

5

ставляющих с амплитудами, убывающими по частоте.

Измеритель мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций скорости потока работает аналогично работе указанных измерителей.

Число усилителей и блоков в данном измерителе в соответствии с числом пар элементов составного электрода и наличием рабочего электрода равно числу каналов, которых в этом случае 3.

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 соответственно, а элементы каждой пары составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений путем компенсации сигналов вибрации непосредственно на пьезоэлементе, на внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены дополнительные электроды, число которых равно числу элементов составного электрода, внутри корпуса расположены блок перестраиваемых фильтров и блок усилителей отрицательной обратной связи, между элементами составного электрода расположен связанный с общей шиной демпфирующий электрод, причем дополнительные электроды размещены внутри соответствующих им элементов составного электрода на равных расстояниях от соседних элементов этого электрода, площадь каждого дополнительного электрода много меньше площади соответствующего ему элемента составного электрода, а дополнительные электроды, размещенные внутри элементов каждой лары составного электрода, электрически связаны между собой и подключены к выходам тока усилителей отрицательной обратной связи, входы которого связаны с электрическими выводами пар элементов составного электрода через блок перестраиваемых фильтров.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений путем компенсации сигналов вибрации непосредственно на пьезоэлементе. Измерительный преобразователь давления содержит пьезо- элемент 2. общий электрод и составной электрод в виде пар элементов. Общий и составной электроды расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезо- элемента 2. Элементы каждой пары составного электрода электрически связаны ЧА / между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента 2. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также дополнительные электроды, число которых равно числу элементов составного электрода, между которыми размещен связанный с общей шиной демпфирующий электрод 8. Дополнительные электроды размещены внутри соответствующих им элементов составного электрода на равных расстояниях от соседних элементов этого электрода. Площадь каждого дополнительного электрода много меньше площади соответствующего ему элемента составного электрода. Дополнительные электроды, размещенные внутри каждой пары составного электрода, электрически связаны между собой и подключены к выходам блока 9 усилителей отрицательной обратной связи, выходы которого связаны с выводами пар элементов составного электрода через блок 10 перестраиваемых фильтров. Сигналы на составной электрод после обработки подаются в противофазе с измеряемыми. 4 ил. Ё

1 8 S

/

4

/

8

Фиг.З

«44

«О