Пьезоэлектрический датчик давления Советский патент 1981 года по МПК G01L9/08 G01L23/10 

1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения турбулентных пульсаиий давления на обтекаемой жидкой средой поверхности.

Известны датчики давления, предназначенные для измерения турбулентных пульсаций давления, в которых в качестве чувствительного элемента использован цилиндрический пьезоэлемент 1.

Недостатком указанных датчиков является сильное влияние на их работу вибрационных и акустических помех, снижающих точность измерения турбулентных пульсаций давления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство датчика, содержащего корпус, внутри которого размещен вкладыш с установленным в нем заподлицо с рабочей поверхностью цилиндрическим пьезоэлёментом. Причем датчик виброизолирован от стенок поверхности, обтекаемой потоком исследуемой жидкости 2.

Недостаток такого устройства сложность и громоздкость узла виброизоляции и его низкая эффективность во всрм частотном диапазоне измеряемых турбулентных пульсаций давления. Кроме того, отсутствие защиты от акустических снижает точность измерения турбулентных пульсаций давления.

Цель изобретения - повышение точности измерений турбулентных пульсаций давления в условиях воздействия вибрационных и акустических помех.

Указанная цель достигается тем, что вкладыш снабжен вторым идентичным первому пьезоэлементам, установленным параллельно ему и соединенным с ним электрически встречно, причем торец второго пьезоэлемента удгшен от рабочей поверхности вкладыша на расстояние, обратно пропорциональное волновому числу турбулентности, соответствующему заданной нижней частоте измеряемого спектра пульсаций давления среды,а вкладыш выполнен из материала с таким же, как у измеряемой среды, акустическим сопротивлением.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический датчик давления; на фиг. 2 зависимость ослабления спектральной плотности мощности турбулентных пульсаций давления от безразмерной частоты при различных значениях безразмерной толщины разделительного слоя Пьезоэлектрический датчик давления состоит из корпуса 1 со вкладышем 2 из материала с таким же, как у измеряемой среды, акустическим сопротивлением, например из резины, в котором установлены два идентичных пьёзоэлемента 3 и 4 параллельно друг другу и выполнены в виде цилиндров, причем торец рабочего пьезоэлемента 3находится заподлицо с обтекаемой поверхностью 5 датчика, а верхний торец компенсационного пьезоэлемента 4расположен ниже обтекаемой поверхности датчика на расстоянии с1(фиг.1) Устройство работает следующим образом. Турбулентные пульсации давления непосредственно воспринимаются рабочим пьезоэлементом 3. Компенсационный пьезоэлемент 4, находящийся под разделительным слоем d от обтекаемой поверхности 5 датчика, воспринимает турбулентные пульсации давления ослабленными. Чем толще разделительны слой d, тем более ослабленные турбулентные пульсации давления воспринимает компенсационный пьезоэлемент 4 и тем меньшую ошибку он вносит в результ.аты измерений турбулентных пуль саций давления, осуществляемых рабочим пьезоэлементом 3. Степень ослабления спектральной плотности турбулентных пульсаций давления пред ставлена на фиг. 2 в зависимости от безразмерной частоты R при различных безразмерных толщинах разделительного слоя D, где R-2fC y Uci T)--ircfd(Uc, где фщ- измеренный спектр мощности турбулентных пульсаций давления; ф - истинный спектр мощности турбулентных пульсаций давления;и - фазовая скорость движения вихрей в турбулентном пограничном слое; f частота; г - радиус цилиндра пьезоэлемента. .На фиг. 2 номера кривых п 1-5 соответствуют значениям безразмерной величины разделительного слоя D 0 0,2; 1,0; 3,0; 5,0 соответственно. При постоянном Р величина ослабления турбулентных пульсаций давления тем больше, чем выше безразмерная частота R. С понижением частоты ослабление турбулентных пульсаций давления снижается и стремится к некоторому постоянному значению. Требуемому ослаблению спектральной плотности мощности турбулентных пульсаций давления фу„/Ф соответствует определенное значение толщины разделительного слоя D. Абсолютная величина толщины ррзделительного слоя d, обеспечивакадая требуемое ослабление спектра модности турбулентных пульсаций давления, определяется выражениемd-DUp/2ftf-.3)/K, .где K 2Sf/V - волновое число турбулентности. Фазовая скорость и движения вихрей в турбулентном пограничном слое яв-, ляется частотно-зависимой величиной и меняется в пределах 0,8-0,6 от скорости потока исследуемой среды, омывающей поверхность 5 датчика. Таким образом, толщина разделительного слоя d является величиной обратно пропорциональной волновому числу турбулентности. Выбор необходимой величины разделительного слоя d для заглубления компенсационного пьезоэлемента 4 датчика в зависимости от волнового числа турбулентности К, соответствующего заданной нижней ч:астоте измеряемого спектра турбулентных пульсаций давления, дает возможность наилучшим образом согласовать параметРЫ датчика и характеристики измеряемых с его помощью турбулентных пульсаций давления, а также обеспечить проведение измерений с необходимой : очностью,пользуясь зависимостями ,Фиг. 2. Поскольку, рабочий 3 и компенсационный 4 пьезоэлементы идентичны по параметрам, расположены параллельно друг другу и соединены электрически встречно, то вибрационные помехи будут скомпенсированы. По той же причине, а также в силу того, что пьезоэлементы 3 и установлены во вкладыше, изготовленном из материала с таким же, как у измеряемой среды, акустическим сопротивлением, то будут скомпенсированы также и акустические помехи. Эффективность снижения влияния вибрационных и акустических помех на результаты измерений турбулентных -пульсаций давления в диапазоне .частот 20 Гц-10 кГц составляет 20-30 Дб. Использование предлагаемого пьезоэлектрического датчика давления при исследовании полей турбулентных пульсаций давления повышает точность измерений благодаря эффективному снижению влияния вибрационных и акустических помех на eiro работу. Формула изобретения Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус, внутри которого размещен вкладыш с установленным в нем заподлицо с рабочей поверхностью цилиндрическим пьезоэлементом, отличающийся тем что, с целью повышения точности измерений турбулентных пульсаций давления в условиях воздействия вибрационных и акустических помех, вкладыш снабжен вторым идентичным первому пьезоэлементом, установленным параллельно ему и соединенным с ним электрически встречно, причем торец второго пьезоэлемента удален от рабочей поверхности вкладыша на расстояние, обратно пропорциональное волновому числу турбулентности, соответствующему заданной, нижней частоте измеряемого спектра пульсаций, давления среды,а вкладыш выполнен из .материсша с таким у измеряемой среды, акустическим сопротивлением. Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе

1. Камолкин В.В. Малогабаритный датчик пульсаций давления. -Методы и средства.измерений в гидротехнических исследованиях. Сборник. Л.,

Энергия

1976, с. 47-48.

0

2. Willmarth W.W., Yang C.S. , Wallpressure fluctuations beneath turbulent boundary layers on a flat plate, and a cylinder.-Journal of Fluid Mechanics, 1970, vol. 41, part 1,

5 p.p. 47-80 (прототип).