Преобразователь постоянных и медленно изменяющихся напряжений

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено02.10.81 (21) 3341430/18-.10 ($f) М. КЛ.

G 01 L 1/16 с присоединением заявки Мо (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 28.02.83. Бюллетень ¹ 8

f $3) УДК531. 781 (088.8) Дата опубликования описания 28.02.83 (72) Авторизобретения

E.ß.Ìàíäðèãåëü (71) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННЫХ И МЕДЛЕННОИЗМЕНЯЮЩИХСЯ

НАПРЯЖЕНИЙ

30

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения и преобразования постоянных и медленноизменяющихся напряжений, давлений и может быть использовано в системах автоматического управления и регулирования и т.д.

Известно устройство, содержащее источник питания, колебательный контур, генератор и усилитель. В таком устройстве используется возбуждение управляемого пьезоэлемента в режиме автоколебаний или вынужденных колебаний (1) .

Недостатком устройства является низкая точность из-эа временной и температурной нестабильности элементов, а также невысокое значение выходной мощности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений, содержащий столбик пьеэопластин с прокладками и электродами между ними, электрически соединенных параллельно и подключенных к измерительному прибору (2l.

Недостатком устройства является низкая точность за счет невысокой выходной мощности.

5 Цель изобретения - повышение точности измерения за счет повышения уровня выходного сигнала, Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительными столбиками пьезопластин, крышками, опорными пластинами с ячейками, механическим . модулятором и вентилями, с помощью которых столбики пьезопластин электрически соединены с из" мерительным прибором, при этом пьезо"

15 пластины расположены в ячейках опорных пластин и закрыты через прокладки крышками, связанными через подшипники качения с механическим модулято2О

Механический модулятор выполнен в виде ползуна с направляющими выступами, расположенными в пазах опорных пластин, и двусторонними продольными пазами, в которых размещены подшипники качения, при этом полэун свя-. зан с механическим приводом, а ячейки в опорных пластинах расположены на линиях, параллельных продольным пазам ползуна.

1000794

Механический модулятор может быть выполнен в виде диска с.пазами, жест- ко соединенного с валом двигателя и располох<енногo между опорными пластинами, при этом в пазах диска закреплены подшипники качения, а ячейки в опорных пластинах расположены на окружностях с радиусом, равным радиусу расположения подшипников качения на диске.

На фиг. 1 изображен преобразова- /О тель с механическим модулятором в виде ползуна, поперечное сечение; на фиг. 2 — то же,продольное сечение; на фиг. 3 — преобразователь с механическим модулятором в виде диска. 15

Преобразователь с механическим модулятором в виде ползуна содержит пьезоэлектрические элементы 1, крышки 2 и 2/, прокладки 3, электроды 4 от средних прокладок (на фиг. 2 показаны только для крайних слева прокладок), электрические вентили 5 и 6, измерительный прибор и эквивалент внешней нагрузки 7, опорные пластины (верхняя 8, нижняя 9) с ячейками д;

10 и продольными направдяющими пазами 11 и 12, двигатель 13, подшипники качения 14, плоский механизм с вращательными и поступательными парами с одной степенью свободы, выполненный, например в виде кривошипно-шатунного механизма, и состоящего из кривошипа 15, шатуна 16 и ползуна 17.

Полэун представляет собой подвижную пластину с двусторонними пазами 18 и 19 и направляющими выступами 20 и 21, расположенными в направ" ляющих пазах 11 и 12 опорных пластин

8и 9.

B пазах 18 и 19 подвижной пласти" 4О ны на осях 22 закреплены подшипники качения 14 на глубине меньшей их радиуса. B ячейках 10 опорных пластин размещены пьезоэлектрические элементы с прокладками 3 так, что средние прокладки, связанные с электродами 4, находятся под потенциалом зарядов одного знака (например, отрицательных, а положительные заряды отводятся на корпус преобразовате" ля), Пьезопластины 1 закрепляются в ячейках крышками так, что внутренние поверхности крышек опираются на прокладки, а внешние поверхности строго на одном уровне в каждой плас-: тине через одну крышку соприкасаются с наружными кольцами подшипников 14.С помощью крышек 2 и 2 крепежных элементов

23 пьезопластинам обеспечивается предварительное начальное сжатие.

Вал двигателя соединен с кривошйпом, а торцовые поверхности выступов

20 и 21 соприкасаются со стенками пазов 11 и 12 опорных пластин.

Электроды 4 подсоединены к .прибору и нагрузке 7 через электрические вентили 5 и 6, Длина хода полэуна выбирается равной расстоянию между центрами двух соседних крышек.

Опорные пластины 8 и 9 закреплены между собой с помощью крепежных эле- ментов 24/ обеспечивающих начальное сжатие пьезоэлектрических элементов.

Пьезопреобразователь с механическим модулятором в виде диска содержит пьезоэлектрические элементы 25, крышки 26, прокладки 27, электроды

28 (на фиг. 3 показана схематично электрическая связь) от средних прокладок, измерительный прибор и эквивалент нагрузки 29, опорные пласти" ны; верхнюю 30, нижнюю 31, располо" женную между ними подвижную пластину

32, которые насажены на вал 33 двигателя 34.

Подвижная пластина с валом связана жестко, например с помощью шпоночного соединения (не показано), В опорных пластинах и с обеих сторон в подвижной пластине в виде концентрических окружностей выполнены соответственно пазы 35 и 36. В пазах 36 подвижной пластины 31 по радиальным направлениям на осях 37 закреплены подшипники качения 38 на глубине меньшей их радиуса. В пазах 35 опорных пластин закреплены пьезоэлектрические элементы 25 так, что их внутренние поверхности опираются на прокладки, а внешние. на одном уровне в каждой пластине через одну крышку соприкасаются с наружными кольцами подшипни" ков 38. Электроды 28 к нагрузке 29 подсоединены через электрические вентили 39.

Опорные пластины закреплены между собой с помощью крепежных элементов

40. Крышки крепятся крепежными элементами 41, Преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений с механическим модулятором в виде ползуна работает следующим образом, Прилагаемое внешнее воздействие через дно пластины 8 и 9, прокладки

10, группу крышек 2 /непосредственно соприкасающихся в данный момент с подшипниками 14, создает механическое напряжение и сжатие группы пьезоэлектрических элементов, находящих" ся под этими крышками.

Благодаря этому на данных пьезоэлектрических элементах формируется заряд Q через нагрузку проходит импульс тока Ээ, пропорциональный приложенному внешнему воздействию.

Другая группа пьезоэлектрических элементов, соседних с первыми и на ходящихся в ячейках с крышками 2 в данный момент не испытывает внешнего воздействия и электрических зарядов не формирует.

1000794

В следующий момент плоский механизм, совершая преобразование равномерного вращательного движения вала двигателя в прямолинейное возвратнопоступательное движение ползуна, смещает подвижную пластину на длину хода. Напряжение и сжатие пьезоэлектрических элементов в ячейках с крышками 2 снимается и соответственно нагружаются соседние с ними элементы в ячейках с крышками 2 . Благодаря этому на данных элементах формируется заряд Q и через нагрузку проходит импульс тока 3, пропорциональный приложенному внешнему воздействию.

Затем в каждый последующий момент, 15 определяемый временем прямого 3, или обратного То хода ползуна,происходит периодическое чередование нагрузки и разгрузки пьезоэлектрических элементов.

Полный электрический ток, протекаю- 2О щий через нагрузку 7, пропорционален сумме зарядов каждого из элементов 1, умноженной на частоту f <=1/2 Т о для центрального и й.(1/Трр+T ð для смещенного механизма. Благодаря этому достигается многократное формирование зарядов Q и мощности на пьезоэлементах в течение всего цик» ла воздействия постоянного или медленноизменяющегося напряжения и уже при малых оборотах вала двигателя (n»l0 об/мин) ток и мощность на нагрузку повышаются более чем на порядок. В этом случае составляющая погрешности от паразитных утечек и не35 стабильности накопленного заряда практически исключается, что позволяет повысить точность измерения до 13, Предобразователь постоянных и мед-ленноиэменяющихся напряжений с механическим модулятором в виде диска ра- ботает следующим образом.

Прилагаемое внешнее воздействие через дно пластин 30 и 31 (фиг. 3), прокладки 27, группу крышек 26, непосредственно соприкасающихся в данный момент с подшипниками 38, создает механическое напряжение и сжатие группы пьезоэлектрических элементов, aTIH крышками Благодаря этому на данных пьезоэлементах формируется заряд Q и через нагрузку проходит импульс тока, пропорциональный приложенному воздействию.

Другая группа пьезоэлементов, соседних с первыми, в данный момент внешнего воздействия не испытывает и заряд на них не генерируется.

Через промежуток времени То подвижная пластина, совершающая с валом. двигателя равномерное вращательное 60 движение, разгружает нагруженные пье" зоэлементы и через подшипники соответственно передает внешнее давление на соседние пьезоэлементы. На этих элементах формируется заряд Q и че- б5 рез нагрузку проходит импульс тока, пропорциональный приложенному внешнему воздействию. В каждый последующий промежуток времени То происходит периодическое чередование нагрузки и разгрузки пьезоэлементов. Полный электрический ток и мощность, выделяемая на нагрузке 29, пропорциональны! сумме зарядов каждого элемента

25., умноженной на частоту f> pl/Т .

Преобразователь по второму варианту иэ-эа более высокой линейности выходного напряжения обеспечивает более высокую чувствительность и точность при измерении и преобразовании малых уровней давлений и на» пряжений. В этом случае его использование более предпочтительнее, чем преобразователя по первому вариантУ, использование которого предпочтительней в условиях измерения и преобразования больших уровней давленйя и напряжений.

Точность измерения и преобразования при использовании 9 пьезоэлементов по первому варианту 0,8-1%, но второму — 0,4.-0,6Ф. Как показывают .результаты испытаний опытных образ" .цов, применение предлагаемого устройства в сравнении с базовым вызволяет повысить точность измеренин,КПД а также и выходную мощность более чем на порядок, при том же числе используемых пьезоэлектрических элементов в диапазоне постоянных и медленноизменяющихся напряжений.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений, содержащий столбик пьезопластин с про" кладками и электродами между ними, электрически соединенных параллельно и подключенных к измерительному прибору, отличающийся тем, что, с.целью повышения точности за счет повышения уровня выходного сигнала, он снабжен дополнительными столбиками пьезопластин, крышками, опорньпчи пластинами с ячейками, ме» ханическим модулятором и вентилями, с помощью которых столбики пьезопластин электрически соединены с измери тельным прибором, при этом пьезоплас" тины расположены в ячейках опорных пластин и закрыты через прокладки крышками, связанными через подшипники качения с механическим модулятором.

2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что механический модулятор выполнен в виде ползуна с направляющими выступами, рас" положенными в пазах опорных пластин, и двусторонними продольными пазами, 1000794 юг! в которых размещены подшипники качения, при этом ползун связан с механическим приводом, а ячейки в опорных пластинах расположены на линиях, параллельных продольным пазам ползуна.

3. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что механический модулятор выполнен в виде диска с пазами, жестко соединенного с валом двигателя и расположенного меж-10 ду опорными пластинами, при этом в

I пазах диска закреплены подшипники качения, а ячейки в опорных пластинах расположены на окружностях с радиусом, равным радиусу расположения подшипников качения на диске.

Источники информации, принятые во внимание,.при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 779829, кл. G OI, ? 9/08, 1980, 2, Авторское свидетельство СССР

9 303539, K . G 01 L 1/16, 17,01,69 (прототип), 1000794 в в

Фиг.2

4(ВНИИПИ Заказ 1362/41

Тираж 871 Подписное

Филиал ППП " Патент", г,Ужгород, ул.Проектная,4