Датчик давления Советский патент 1991 года по МПК G01L11/00 G01L11/04 

ФигЛ

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления и может быть использовано в контрольно-измерительных устройствах.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

На фиг.1 представлена конструктивная схема датчика давления; на фиг.2 - принципиальная схема автогенератора.

Датчик давления состоит из корпуса 1 с входным штуцером 2 и дополнительным штуцером 3, упругого элемента 4, например сильфона, размещенного внутри корпуса 1 и разделяющего его объем на две части. Внутренний объем сильфона соединен через второй штуцер 2 с объемом объекта, где измеряется давление. Жидкость 5 заполняет объем корпуса между дном корпуса 1 и упругим элементом 4. Пьезоэлектрические преобразователи б и 7 содержат пьезопла- стины 8 и 9 и согласующие слои 10 и 11 толщиной

п -Я/2, где Я- длина акустической волны в слое;

п 1,2...,

и расположенных на соответствующих наклонных плоскостях дна корпуса 1, перпендикулярно к ним. При этом дно корпуса 1 выполнено в виде двух наклонных плоскостей, расположенных под одинаковыми углами а к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности упругого элемента 4 (дна сильфона), а пьезоэлектрические преобразователи расположены на поверхностях указанных плоскостей дна корпуса на одинаковых расстояниях I.

В цепи положительной обратной связи автогенератора 12 в качестве частотно-задающего элемента включена акустическая цепь, состоящая из пьезоэлектрических пластин 8 и 9 с согласующими слоями 10 и 11 пьезоэлектрических преобразователей 6 и 7, жидкости 5 и упругого элемента 4,

Пьезоэлектрические преобразователи 6 и 7 могут располагаться как внутри объема корпуса 1, так и на поверхности корпуса. В случае расположения преобразователей б и 7 непосредственно на внешней поверхности корпуса 1, последний в области расположения преобразователей должен иметь толщину, кратную Я/2. В этом случае он выполняет функцию акустического согласующего слоя, а согласующие слои 10 и 11 отсутствуют.

Согласующие слои 10 и 11 играют роль акустического фильтра, улучающего селективность датчика и, соответственно, снижающего порог чувствительности.

В качестве автогенератора 12 может быть использован любой усилитель, охваченный положительной обратной связью.

Автогенератор 12 состоит из включенных каскадно резонансного усилителя, реализованного на транзисторе Т1, и эмиттерного повторителя, реализованного

0 на транзисторе Т2. В качестве нагрузки транзистора Т1 использован резонансный контур, состоящий из трансформатора Тр и конденсатора СЗ, настроенный на резонансную частоту пьезопластины 9 преобразова5 теля 7. Резисторы R1-R6 предназначены для работы транзисторов Т1 и Т2 в режимах постоянного тока; С1, С4, С5 - разделительные конденсаторы. Конденсатор С2 образует цепь отрицательной обратной связи по

0 переменному току транзистора Т1.

На входе резонансного усилителя и на выходе эмиттерного повторителя непосредственно включены пьезопластины 8 и 9 пье- зопреобразователей 7 и 6 частотно зависи5 мой акустической цепи, образующей цепь положительной обратной связи автогенератора 12.

Дополнительный штуцер 3 размещен в корпусе 1 таким образом, что обеспечивает

0 сообщение с жидкостью 5, заключенной в объеме корпуса между упругим элементом 4 и пьезоэлектрическими преобразователями 7 и 6.

Штуцер 3 необходим для обеспечения

5 возможности измерения разности давлений.

Датчик давления работает следующим образом.

После подачи постоянного напряжения

0 от источника питания на автогенератор 12 он возбуждается за счет усиления напряжения транзистором Т1 и частотно-зависимой запаздывающей акустической положительной обратной связи, которая включает в се5 бя пьезоэлектрические преобразователи 6 и 7 с пьезопластинами 8 и 9 и согласующими слоями 10 и 11, нагруженными с одной стороны жидкостью 5, и упругий элемент 4 (сильфон).

0 При этом частотно-зависимая цепь обратной связи представляет собой акустическую линию задержки, в которой одним из преобразователей возбуждаются акустические колебания в жидкости 5, которые рас-

5 пространяются к упругому элементу 4.

После падения акустической волны на отражающую поверхность упругого элемента 4 под углом (90° - а) и последующего отражения акустической волны от упругого элемента 4 под тем же углом, согласно закону Снеллйуса она попадает на другой пье- зопреобразователь и таим образом замыкает цепь акустической обратной связи автогенератора 12, Это становится возможным за счет того, что, во-первых, дно корпуса 1 датчика давления выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под одинаковым углом а к плоскости, перпендику- лярной отражающей поверхности, во-вторых, каждый пьезоэлектрический преобразователь 6 и 7 расположен на соответствующей наклонной поверхности дна корпуса на одинаковом расстоянии I своих центров от линии пересечения плоскостей и сим метрично относительно последней. При этом расстояние I выбрано в соответствии с условием:

-, vd-K2)

8 f К 2 tg a

где v - скорость звука в жидкости, заключенной в объеме корпуса 1;

f- резонансная частота пьезопластины преобразователя, Гц;

а-угол между наклонной плоскостью и плоскостью, перпендикулярной к отражающей поверхности упругого элемента. Это условие эквивалентно условию одноча- стотности возбуждения автогенератора. Время прохождения акустической волны от одного преобразователя до другого равно „ 2ltga v

где - расстояние между центром преобразователя и линии пересечения плоскостей.

А амплитудно частотная характеристика (АЧХ) цепи обратной связи имеет периодическую структуру с периодом повторения максимумов по частоте

Af v/2ltgo:,

который определяет ее полосу пропускания по нулям частотного отклика.

В реальной акустической цепи обратной связи полоса пропускания определяется полосой пропускания пьезопре- образователей, которая & первом приближении равна :

Af-fr,r-f

1-Ю К2

где f- резонансная частота пьезопластины, МГц;

К - коэффициент электромеханической связи.

Для работоспособности датчика давления необходимо возбуждать автогенератор только на одной частоте, только в этом случае создается однозначная зависимость между входным сигналом (давлением) и выходным параметром (частотой).

В результате в данном датчике давления за счет введения дополнительного пьезоэлектрического преобразователя и расположения преобразователей на на- клонных плоскостях дна корпуса 1 перпендикулярно этим плоскостям на расстоянии I от линии их пересчения, образована акустическая цепь обратной связи, которая обеспечивает одночастотный режим работы

автогенератора за счет того, что, во-первых, исключено прямое попадание электрического сигнала с одной пьезопластины на другую, минуя акустическую цепь, во-вторых, корпуса 1 выполнено в виде двух

плоскостей, расположенных под углом а к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности упругого элемента, и, в-третьих, выбор расстояния между центрами преобразователей с линией пересечения

поверхностей дна корпуса осуществляется так, что полоса пропускания меньше или равна частоте повторения Л f, ибо только при этом условии обеспечивается подавление в АЧХ всех максимумов, кроме одного.

Частота возбуждения автогенератора 12 соответствует частоте максимального значения АЧХ цепи обратной связи и определяется антирезонансной частотой пье- зопреобразователя.

Изменение давления в одном из штуцеров, соединенном с объемом, где измеряется давление, приведет к смещению упругого элемента (сильфона), вследствие чего изменится время задержки Т прохождения акустической волны в цепи обратной связи автогенератора 12,

При этом частота выходного сигнала автогенератора, т.е. датчика давления изменится обратно пропорционально изменению времени задержки, т.е. фазы, а значит и давлению:

Дтдат Д(ф.

Так как Т 2a/v 21 sin a/v, где -а - расстояние между дном сильфона и преобразователем, а Itg a;

I - расстояние между линией пересечения плоскостей дна корпуса и дном сильфона, то относительное изменение частоты выходного сигнала равно

Да Д since,

где ДI-смещениесильфона при воздейст- вии на него давления Др;

тдат - резонансная частота колебания автогенератора 12.

Учитывая, что в линейном приближении для сильфона ДI у Д р, где у - коэффициент пропорциональности, равный чувствительности упругого элемента, изменение частоты будет пропорционально изменению давления

AW -у Ар W а

. Отсюда чувствительность датчика давления будет равна

S А Тдат у Тдат I

Ара

а за счет уменьшения расстояния а может быть обеспечена большой, исходя только из ограничения, обеспечивающего свободное смещение дна сильфона 4 по отношению к согласующему слою пьезоэлементов преобразователей.

Наряду с повышением чувствительности обеспечивается понижение порога чувствительности, который будет определяться неравномерностью структуры АЧХ цепи акустической обратной связи автогенератора 12 в полосе пропускания, причем неравномерность АЧХ обусловлена наличием разных типов ложных сигналов.

Уменьшение уровня ложных сигналов и, следовательно, порога чувствительности достигается за счет образования электрической развязанной акустической цепи обратной связи автогенератора 12 путем введения, дополнительного преобразователя 7. Степень снижения порога чувствительности зависит от выбора расстояния между преобразователями и дном упругого элемента

0

5

0

(сильфоном) а I tg а при выполнении условия одночастотности возбуждения автогенератора 12.

Фор мула изобретения Датчик давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий чувствительный элемент и первый пьезоэлектрический преобразователь, причем внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены второй пьезоэлектрический преобразователь и автогенератор, а дно корпуса выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под одинаковыми угламиа к плоскости, перпендикулярной к поверхности упругого элемента, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи размещены на плоскостям дна корпуса на одинаковых расстояниях I от линии пересечения плоскостей, которые выбраны в соответствии с условием

5

0

I

. п v -8Т

1-К2 1

К2 tg« где v - скорость звука в жидкости;

f - резонансная частота колебаний пластины пьезопреобразователя;

К - коэффициент электромеханической связи пьезопреобразователя с жидкостью, при этом первый пьезоэлектрический преобразователь подключен к входу, а второй - к выходу цепи обратной связи автогенератора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Цель - повышение чувствительности и точности, что достигается введением селективной обратной связи в автогенератор 12. Цепь акустической обратной связи содержит пьезопреобразователи 6 и 7, жидкость 5, отражающий упругий элемент 4. Дно корпуса 1 выполнено в виде обратной пирамиды с плоскостями, расположенными под одинаковыми углами к плоскости, перпендикулярной к отражающей поверхности упругого элемента. Пьезопреобразователи размещены на плоскостях дна корпуса. 2 ил.