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

фигЛ

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления, и может найти применение 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, штуцера 2, упругого элемента 3, например мембраны, размещенной на корпусе 1, и образующей с ним объем, который соединен через штуцер 2 с объемом объекта, где измеряется давление жидкости 4, заполняющей объем датчика между пьезоэлектрическими преобразователями 5 и 6, с пьезопластинами 7 и 8, согласующими слоями 9 и 10, толщиной п А/2, где А- длина

акустической волны в слое; п 1, 2при

этом пьезоэлектрические преобразователи 5 и 6 располагаются соосно напротив друг- друга, один на упругом элементе 3, другой на основании корпуса 1. Рассеивающая сетка 11 расположена в корпусе 1 между пьезоэлектрическими преобразователями 5 и 6. В цепи акустической отрицательной обратной связи автогенератора 12 включена в качестве частотно-задающего элемента акустическая цепь (линия задержки), состоящая из пьезоэлектрических пластин 7 и 8, преобразователей 5 и 6 с согласующими слоями 9 и 10, жидкости 4 и упругого элемента 3,

Пьезоэлектрические преобразователи 5 и 6 могут располагаться как внутри объема, образованную корпусом 1 и мембраной 3, так и на внешних поверхностях соответственно мембраны 3 и корпуса 1. В последнем случае пьезопластины 7 и 8 преобразователей 5 и б находятся непосредственно на внешних поверхностях корпуса и мембраны. В области расположения пьезопластин толщина мембраны 3 и корпуса 1 должна быть равной

пЯ/2.

Тогда корпус и мембрана в области крепления пьезопластин выполняют функции акустического согласующего слоя, а согласующие слои 9 и 10 отсутствуют.

В качестве автогенератора 12 может быть использован любой усилитель, охваченный положительной обратной связью. Автогенератор 12 состоит из включенных каскадно резонансного усилителя, ре ализо- ванного на транзисторе Т1, и эмиггерного повторителя, реализованного на транзисторе Т2, В качестве нагрузки транзистора Т1 использован резонансный контур,

состоящий из трансформатора Тр и конденсатора СЗ, настроенный на резонансную частоту пьезопластины 8 преобразователя 6. Резисторы R1-R6 предназначены для

работы транзисторов Т1, Т2 в режимах по постоянному току, С1, С4, С5- разделительные конденсаторы. Конденсатор С2 образует цепь отрицательной обратной связи по переменному напряжению в резонансном

усилителе.

Датчик давления работает следующим образом.

После подачи постоянного напряжения от источника питания на автогенератор 12

он возбуждается за счет имеющегося запаса усиления,создаваемого транзистором Т1 и наличия частотно-зависимой запаздывающей акустической обратной связи, которая включает в себя пьезоэлектрические преобразователи 5 и 6 с пьезоэлектрическими пластинами 7 и 8 и согласующими слоями 9 и 10, нагруженными на жидкость 4.

При этом частотно-зависимая акустическая цепь представляет собой акустическую

линию задержки, в которой преобразователями возбуждаются акустические колебания в жидкости, распространяющиеся от преобразователей 5 к преобразованию 6, многократно переотражаясь, Время однократного прохождения акустической волны между преобразователями равно

,

где I - расстояние между рабочими поверхностями преобразователей;

v - скорость акустической волны в жидкости.

В результате амплитудно-частотная характеристика усилителя, охваченного цепью акустической обратной связи, имеют

периодическую структуру с периодом повторения максимумов по частоте Afi v/a и определяет ее полосу пропускания по нулям частотного отклика. В реальной акустической цепи обратной связи ее полоса

пропускания определяется полосой пропускания преобразователей, которая в первом приближении равна

Af2 f/2r,

где г

п 8

к2 ,

f - резонансная частота пьезопластины;

К - коэффициент электромеханической связи пьезопластины.

Для работоспособности датчика давления необходимо возбуждать автогенератор только на одной частоте, ибо только в этом случае создается однозначная зависимость

между входным сигналом (давлением) и выходным параметром (частотой)

В данном датчике давления за счет введения дополнительного пьезоэлектрического преобразования и расположения пьезоэлектрических преобразователей на расстоянии соосно напротив друг друга соответственно на мембране 3 и дне корпуса 1 образована акустическая цепь обратной связи, которая обеспечивает одночастот- ный режим работы автогенератора 12 за счет того, что исключено прямое попадание электрического сигнала в измерительную цепь помимо акустической цепи и цепи усилителя, а выбора расстояния между рабочими поверхностями преобразователей осуществляется в соответствии с условием 7rv1-K2

9

где f - резонансная частота пьезопластины преобразователя;

К - коэффициент электромеханической связи пьезопластины;

v - скорость звука в жидкости.

Это условие означает, что полоса пропускания должна быть меньше или равна частоте повторения, ибо только при этом условии будет обеспечено подавление всех максимумов амплитудно-частотной характеристики, кроме одного, т.е. условие одно- частотности.

Частота возбуждения автогенератора 12 будет соответствовать частоте максимума амплитудно-частотной характеристики цепи акустической обратной связи и определяется антирезонансной частотой пьезопластины.

Изменение давления в штуцере 2, соединенном с объемом, в котором измеряется давление, приведет к смещению упругого элемента 3 (мембраны), вследствие чего изменяется время задержки Т прохождения акустической волны между преобразователями 5 и 6 в цепи обратной связи автогенератора 12.

При этом частота выходного сигнала автогенератора 12, т.е. датчика давления, изменится обратно пропорционально изменению времени задержки, т.е. фазы, а значит и давлению: Д тз А(1 /Т). Так как Т a/v, то относительное изменение частоты выходного сигнала равно:

Д{дат АI ТдатI

где AI - смещение мембраны при воздействии на нее давления Др; I - расстояние между преобразователями;

тз - резонансная частота колебания автогенератора 12.

Учитывая, что в линейном приближении для сильфона Д m Др, где m - крэффици- ент пропорциональности, равный чувствительности упругого элемента, изменение частоты будет пропорционально изменению давления

Af/fe-m .

з

Отсюда чувствительность датчика давления равна:

S Дтз/Др глтз/.

Формула 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, автогенератор и рассеивающая звуковые

волны сетка, при этом второй пьезоэлектрический преобразователь установлен на упругом чувствительном преобразователе соосно с первым пьезоэлектрическим1 преобразователем, рассеивающая сетка установлена между первым и вторым пьезоэлектрическими преобразователями, которые электрически соединены соответственно с входом и выходом цепи обратной связи автогенератора, причем

расстояние I между первым и вторым пьезоэлектрическими преобразователями выбрано в соответствии с условием

I я v 1 - К 2

4 f

К

где v - скорость звука в жидкости;

f - резонансная частота колебаний пла- стины пьезопреобразователя;

К - коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрического преобразователя с жидкостью.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления газов и жидкостей. Цель - повышение чувствительности и точности, что достигается введением селективной обратной связи автогенератора 12 при помощи акустической цепи, состоящей из пьезопреобразователей 5 и 6, жидкости 4. Пьезопреобразователи размещены соосно, один на упругом чувствительном элементе, другой - на корпусе, между пьезопреибра- зователями размещена сетка 11, которая подавляет ложные сигналы и повышает селективность обратной связи, 2 ил.

Мдстическая цепь АС фце Ј