Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к ультразвуковым датчикам давления с частотным выходом, и может найти применение в различных контрольно- измерительных устройствах, например, для контроля герметичности систем в автомобильной, авиационной технике.

Известный ультразвуковой датчик давления, состоящий из корпуса, частично заполненного жидкостью, упругого элемента (силь фона), пьезоэлектрического преобразователя, размещенного на дне корпуса напротив сильфона и электрической измерительной схемы, являющейся устройством обработки информации. Работа устройства основана на эффекте зависимости амплитуды выходного эхо-сигнала отраженной ультразвуковой волны от дна сильфона, в зависимости от перемещения упругого элемента (дна сильфона) при изменении давления внутри сильфона. Основным недостатком устройства является низкая точность из-за использования амплитудного метода для оценки величины воздействующего на упругий элемент давления, которая составляет порядка нескольких процентов.

Наиболее близким к изобретению является датчик давления с частотным выходом, состоящий из корпуса, частично заполненного жидкостью, упругого элемента (мембраны), расположенного в корпусе, напротив его дна, выполненного выпуклым в виде двух плоскостей, расположенных под некоторым углом к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности мембраны, двух пьезоэлектрических преобразователей, расположенных на соответствующих наклонных гранях, автогенератора, в цепи обратной связи (ОС) которого включены преобразователи. Работа устройства основана на зависимости частоты выходного сигнала автогенератора от времени задержки прохождения акустической волны от одного преобразователя до другого в цепи ОС автогенератора, при смещении мембраны в результате воздействия на него внешнего давления. Датчик обладает чувствительностью к внешнему воздействующему давлению, однако близкое расположение пьезоэлементов друг к другу и большое различие между импедансами жидкости и пье- зопреобразователей приводит к большой величине ложных сигналов, которые нарушают одночастотный режим работы автогенератора и, следовательно, приводят к снижению точности определения давления. Даже принятием специальных мер, а именно, загрублением поверхностей в области расположения пьезоэлектрических преобразователей, не удается полностью избавиться от ложных сигналов (максимальный уровень подавления составляет 15-20 дБ), т.е. одновременно происходит уменьшение амплитуды основного сигнала.

Цель изобретения - увеличение точности измерения давления.

Предлагаемый датчик давления схематично изображен на фиг, 1 и состоит из корпуса 1 со штуцерами 2 и 3, упругого элемента 4, например, мембраны, разделяющей объем корпуса на две части, причем внутренний объем корпуса соединен через входной штуцер 2 с объемом объекта где измеряется давление, акустической призмы

5, располагаемой на дне корпуса 1, жидкости 6, заполняющей объем корпуса между упругим элементом 4 и акустической призмой 5, пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, выполненных в виде пьезопластин

с электродами, которые располагаются на соответствующих боковых наклонных гранях призмы 5, при этом основание наклонной акустической призмы 5 расположено под углом а к отражающей поверхности

упругого элемента 4, а наклонные грани призмы расположены под углами, выбранными из соотношения (см. фиг 2)

30

a 1 (arcsin 1/K) - arcsin ( sin/3), д - arcsin К sin 2 а + arcsin (-г sin /),

гдеК упр/уж,

v - скорость продольной акустической волны в жидкости, м/с,

vnp - скорость продольной акустической

волны в призме, м/с.

автогенератора 9, в цепи акустической положительной обратной связи которого в качестве частотно-зависимого элемента включена акустическая цепь, состоящая из

пьезоэлектрических пластин 7, 8 с металлическими электродами 10, 11, 12, 13, жидкости 6 и упругого элемента 4. Автогенератор 9 выбран по схеме резонансного усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи, для сохранения необходимой селективности датчика. Электрическая схема автогенератора показана на фиг. 3. Автогенератор состоит из каскадно включенных резонансного усилителя, выполненного на

транзисторе 71, с резонансным контуром в цепи коллектора Тр, С2, настроенным на резонансную частоту пьезопластин 7, 8, и эмиттерного повторителя, выполненного на транзистореТ2. Элементы R1, R2, R3, R4, R5,

R6 предназначены для работы транзисторов И иТ2 в режиме постоянного тока, а С1, С4, С5 - разделительные конденсаторы, Конденсатор СЗ образует цепь отрицательной обратной связи по переменному току у транзистора Т1 и определяет коэффициент усиления резонансного усилителя. На входе резонансного усилителя и на выходе эмит- терного повторителя непосредственно подключены пьезоэлементы 7 и 8 частотно-зависимой регулируемой по вре- мени задержки цепи ОС, образующей цепь положительной ОС автогенератора 9. Датчик давления работает следующим образом. После подачи напряжения питания от внешнего источника напряжения на автоге- нератор 9 он возбуждается за счет выполнения условия самовозбуждения и при наличии положительной обратной связи (ОС). Цепь обратной связи включает в себя ультразвуковую линию задержки, выпол- ненную из пьезоэлектрических пластин 8, 7, с электродами 10, 11, 12, 13, акустической призмы 5, жидкости б и отражающего упругого элемента (мембраны) 4.

Акустическая волна продольной поля- ризации, возбуждаемая пьезопластиной 7, распространяется по акустической призме 5 в сторону ее основания, где претерпевает преломление по закону Снеллиуса на угол у при переходе границы между твердой по- верхностью призмы 5 и жидкостью 6 и далее распространяется в жидкость 6 до отражающей поверхности мембраны 4, фиг. 2.

Так как акустический импеданс акустической призмы 5 выбран равным

2призмы Zppeo6p. Zx .

где Z0peo6p - акустический импеданс преобразователя;

2Ж - акустический импеданс жидкости, то часть акустической энергии проходит через границу в жидкость.

Далее акустическая волна, пройдя сквозь жидкость, полностью отражается от плоской поверхности мембраны 4, т.к. Z мембраны , и снова попадает на основание акустической призмы 5 со стороны жидкости 6 и после преломления под углом д к основанию попадает на пьезопластину 8 и затем на вход уси- лителя автогенератора 9. Таким образом замыкается цепь положительной обратной связи автогенератора 9. При изменении давления в штуцера 2, соединенным с объемом, где измеряется давление, происходит прогиб мембраны 4, а следовательно, изменяется длина пути, пройденного акустической волной от одной пьезопластины до другой, и время задержки цепи ОС автогенератора 9. При этом частота выходного сигнала автогенератора 9. т.е. датчика давления, будет изменяться обратно пропорционально изменению времени задержки Т, и прямо пропорционально давлению

дат

Т

где п - коэффициент пропорциональности,

т И + 2 , з

VnpM3Mуж

И, 12, з - расстояния, проходимые акустической волной соответственно в акустической призме и жидкости,

VnpnsM - скорость акустической волны в призме.

Для соблюдения условия одночастотно- сти работы автогенератора он выполнен по схеме резонансного усилителя, охваченного цепью положительной ОС, что обеспечивает необходимый резонансный коэффициент усиления усилителя и одновременно высокую добротность его колебательного контура и необходимую полосу пропускания.

Для уменьшения изрезанное™ амплитудно-частотной характеристики цепи ОС автогенератора, вызванной наличием многократных переотражений акустической волны между мембраной 4 и основанием призмы 5, последняя рс змещенэ относительно отражающей поверхности мембраны 4, таким образом, что основание призмы 5 составляет угол а с отражающей поверхностью мембраны 4.

В результате после второго отражения ультразвуковой волны от мембраны она попадает на плоскость основания акустической линзы под углом 4а +у , равным или большим критического угла преломления (согласно закону Снеллиуса) и, следовательно, не попадает на пьезопластину 8.

Угол а находится при условии, что волновой фронт прошедшей основной задержанной акустической волны, падающей на приемный преобразователь, должен быть параллелен наклонной поверхности призмы, где размещен этот пьезоэлектрический преобразователь, и определяется из соотношений

а 1 (arcsfn 1/К) - arcsin ( sin/), д arcsin. К sin (2 а + arcsin (тг sin/8).

При соблюдении полученных условий для углов отД/J устраняется одна из основных причин мелкой структурной изрезанно- сти АЧХ цепи ОС, т.е. на выходе будут отсутствовать ложные сигналы.

Таким образом, для выходного сигнала автогенератора вида

(c05WT04-jSinwT0) +

N

SA;

t-H

(co5WTu, + J5ino3Ti+,)7

где То - время задержки основного сигнала, Т|+1 - время задержки ложных сигналов, 1 0, 1,2,...,

о)- круговая частота: АО, AI-M - амплитуды основного и ложных сигналов, частота которого находится из выражения

fa&co - KI Tf- о

где KI - коэффициент пропорциональности, абсолютная и относительная ошибки частоты, определяющие точность фиксации давления, будут равны соответственно

Af Ki

AT

Т2о

Af AT Aj

faoco To/U/ T0(p

где фаза результирующего выходного сигнала определяется выражением

Датчик давления, содержащий заполненный жидкостью корпус с дном, установленный в корпусе упругий чувствительный элемент и два пьезоэлектрических преобразователя, включенные в цепь обратной связи автогенератора, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности, в него введена акустическая призма, установленная в дне корпуса и обращенная своим основанием к поверхности упругого элемента, контактирующей жидкостью, при этом основание призмы расположено под углом а к плоскости поверхности упругого элемента, а боковые грани призмы выполнены под углами / и б к основанию призмы и на них 35 установлены пьезоэлектрические преобразователи, причем величины углов а., fi и д выбраны из условий

40

11

«(arcsin 1/К)-arcsin(-|7 sin/),

arcsin K-sin 2« + arcsin(l-sin,

A0cosfoT0+2:A-1+,co5CoTj+,

1 0

Отсюда видно, что чем меньше амплитуда ложных сигналов AiAN относительноVnp-скорость продольной акустической

амплитуды основного сигнала А0, тем мень- волны в пРизме- м/с

ше вклад в ошибку будут вносить ложныецп v -скорость продольной акустической

PMruanlJ50 ВОЛНЫ В ЖИДКОСТИ, М/С.

сигналы.

Так как у нас полностью устраняется прохождение ложных сигналов за счет введения угла а, равного или большего критического угла, для падающих на призму со

стороны жидкости ложных сигналов, то погрешность, вносимая ложными сигналами в измерение давления, практически полностью устраняется и определяется в основном точностью определения времени

задержки (ФАЗЫ) основного сигнала в цепи ОС.

В результате повышается точность определения давления датчиком. Кроме того, улучшаются условия одночастотного режима работы автогенератора и, следовательно, стабильность его работы.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий заполненный жидкостью корпус с дном, установленный в корпусе упругий чувствительный элемент и два пьезоэлектрических преобразователя, включенные в цепь обратной связи автогенератора, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности, в него введена акустическая призма, установленная в дне корпуса и обращенная своим основанием к поверхности упругого элемента, контактирующей жидкостью, при этом основание призмы расположено под углом а к плоскости поверхности упругого элемента, а боковые грани призмы выполнены под углами / и б к основанию призмы и на них установлены пьезоэлектрические преобразователи, причем величины углов а., fi и д выбраны из условий

Vnp-скорос

ю

3

8

п

Изобретение относится к приборостроению, в частности к ультразвуковым датчикам давления с частотным выходом, и может быть использовано для измерения абсолютного и вакуумметрического давления жидкостей и газов, а также герметичности различных закрытых систем в автомобилестроении, авиационной и медицинской технике. Использование изобретения увеличивает точность измеряемого давления, что обеспечивает точную количественАкустическая Ц цель обратной сбязи ную оценку, например, степень натекания (герметичности) различных закрытых систем. Это достигается за счет улучшения од- ночастотного режима работы автогенератора датчика давления путем уменьшения уровня ложных сигналов в акустической цепи обратной связи и улучшения селективности автогенератора в результате использования узкополосного фильтра в цепи автогенератора. Цепь акустической обратной связи автогенератора образована п ьезоэле ктрическими п реобразовател я ми 7, 8 (пьезопяастинами), акустической призмой 5, жидкостью 6, мембраной 4. Пьезоэлектрические преобразователи 7, 8 размещены на наклонных гранях призмы 5, расположенных под углами а, /, д к ее основанию. Причем акустическая призма 5 установлена на дне корпуса 1 напротив отражающей поверхности мембраны 4 таким образом, что ее основание расположено под углом а к отражающей поверхности мембраны 4, при этом углы а,/, 6 выбраны из определенных условий, приведенных в формуле изобретения. 3 ил. со С VI 3 vj О Ю X7 Л Ю Фиг.}

«U rl 5Й V 1Лп « ч

Акустическая цепь ОС

Фиг. 2.

Ј

Т2

/