Пьезометрический датчик давления

 

Изобретение может быть использовано для измерений импульсных давлекий большой длительности. Цель изобретения - повьппение точности. Датчик состоит из пьезоэлемента 1 и волновода 2. В датчике отраженные от его границ упругие волны гасят друг друга с требуемой точностью. Уменьшается составляющая погрешности измерений , обусловленная влиянием отраженных волн расширения и волн искажения на работу пьезоэлемента I. В результате увеличен верхний предел длительности измеряемого импульсного давления без увеличения длины волновода 2, т.к. на характер распространения упругих волн в этом волноводе не влияет длительность измеряемого импульсного давления. 2 ил. 2 сл Пврбый участок HMnifJitic дабления Третий т Риг.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (51) 4 G 01 L 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;.1, 1 I

Импе да&е

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А BTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3989063/24-10 (22) 16.12.85 (46) 23.09.87. Бюл. 1)- 35 (71) Харьковский авиационный институт им. Н.Е.Жуковского (72) А.В.111ехов, А.Г,Нарыжный и Н.И.Пекельный (53) 53!.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1080043, кл. G 01 L 3/08, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N - 737798, кл. G 01 L 3/08, 1979. (54) ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано для измерений импульсных давлений большой длительности. Цель изобретения — повышение точности. Датчик состоит из пьезоэлемента 1 и волновода 2. В датчике отраженные от его границ упругие волны гасят друг друга с требуемой точностью. Уменьшается составляющая погрешности измерений, обусловленная влиянием отраженных волн расширения и волн искажения на работу пьезоэлемента 1. В результате увеличен верхний предел длительности измеряемого импульсного давления без увеличения длины волновода

2, т.к. на характер распространения упругих волн в этом волноводе не влияет длительность измеряемого импульсного давления. 2 ил.

1

13394

Изобретение относится к контроль-, но-измерительной технике и может быть использовано для измерений импульсных давлений большой длительнос5 ти, например, в электрогидравлической штамповке.

Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния упругой волны в волново->—

10 .де, отраженной от его другого конца.

На фиг.l и 2 схематически изображен пьезометрический датчик давления.

Датчик состоит из пьезоэлемента

1, установленного на одном конце от волновода 2, который акустически согласован с пьезоэлементом, Волновод

2 содержит 3 участка. Первый участок представляет собой стержень переменного сечения, площадь которого вместе соединения всех трех участков равна F< . Второй в виде полого усеченного конуса и третий в виде цилиндра участки имеют равные акустические длины и представляют собой волноводы постоянного поперечного сечения, нормального к направлению распространения упругой волны вдоль каждого из них р с площадями F и Ь 3 соот ветственно. Второй участок волновода ограничен отражающей поверхностью Пl, обладающей свойством, свободной границы, а третий участок — отражающей поверхностью П2, обладающей свойством границы с жесткой связью. При этом на обеих отражающих поверхнос35 тях выполняется условие нормального падения распространяющихся во втором и третьем участках волновода упругих волн, образующихся в результате разделения фронта прямой упругой волны, распространяющейся в первом .участке волновода, в месте соединения всех трех участков. Площади F Г и F удовлетворяют условиям

20 2 певает разделение на два фронта, образующие упругие волны расширения

Р и Р соответственно ° При этом выполняется условие

IA1dF = J A,dF + J A dF, с! Z з где А, — амплитуда упругой волны Р, в месте разделения ее фронта;

A, A> — GMIIJIHT упр HX BOJIH P и Р соответственно;

d F — элемент площади поперечного сечения участка волновода, нормального к направлению распространения упругой волны .

Если А, = А = А, то это условие переходит в соотношение, которое выполняется для площадей F<, F u F

Волны расширения Р и Р распространяются вдоль второго и третьего участков волновода соответственно, Дойдя до границы второго участка волновода, упругая волна отражается от поверхности Пl. При этом образует—

I ся волна расширения Р, амплитуда которой равна V А, а фаза отличает— ся от фазы Р на . Таким образом, 1 волна Р представляет собой волну растяжения. Упругая волна Р, дойдя до границы третьего участка волновода, отражается от поверхности П2. !

При этом образуется волна сжатия Р, амплитуда которой равна V А,. Упругих волн искажения при отражении

Р„ и Р>не образуется, так как происходит нормальное падение этих волн.

Пройдя второй и третий участки волновода, отраженные упругие волны ! расширения Р и Рз взаимодействуют между собой, в результате чего они гасят друг друга. Зто следует из соотношения з ъ332 где V и V — модули коэффициентов отражения для поверхностей IIl и П2 соответственно.

Датчик работает следующим образом.

При воздействии импульса давления на пьезоэлемент 1 возникает прямая упругая волна сжатия (расширения) Р,, распространяющаяся вдоль первоro участка волновода 2. Пройдя расстояние 1, фронт упругой волны P претер— A V dF + А V JF = -V A P +

fa Гз

+ V3 АьРэ

Таким образом, на пьезоэлемент 1 не воздействуют упругие волны, отраженные от границ волновода 2.

На характер распространения упругих волн в волноводе не влияет длительность измеряемого импульса давления. Для предлагаемого датчика верхний предел длительности:измеряемого импульсного давления определяется не длиной волновода, а значением з 13394 входного сопротивления измерительного устройства, подключенного к пьезоэлементу. Это связано с тем, что указанное сопротивление определяет постоянную времени измерительной цепи, состоящей из пьезоэлемента и измерительного устройства, которая определяет точность измерения амплитуды импульса давления данной длитель— ности, При практической реализации предлагаемого датчика, учитывая не-. точности изготовления его .волновода, которые могут привести к неполному гашению отраженных волн в месте разделения фронта прямой упругой волны, следует длину первого участка волновода между точками 0 и 01 выбирать большей, чем длина второго и третьего участков. В этом случае можно обеспечить с достаточно высокой точностью условие параллельности фронтов отраженных упругих волн, которое обеспечит их полное гашение на участке волновода между точками 0 и 01, На практике границу с жесткой связью и свободную границу реализуют с некоторым приближением.

Пьезоэлемент 1 (фиг.2), выполненный из кварца, установлен на одном конце волновода 2. Другой конец волновода образован поверхностями П1 и

П2, на которых укреплены цинковые пластины 3 и 4 толщиной h = 1"10 м.

К пластине 3, укрепленной на поверхности П2, присоединена стальная шпилька 5. При установке датчика шпильку 5 ввинчивают в массивное тело 6, изготовленное из стали. Этим обеспечивается опирание тонкой пластины 3 на жесткую стенку. Пластина

4, установленная на поверхности П1, второй своей стороной граничит с воздухом. Такое опирание пластины 4 реализует свободную границу. Волновод 2 выполнен из алюминия.

20 а ний, обусловленная влиянием отраженных как волн расширения, так и волн искажения на работу пьезоэлемента.

В результате увеличивается верхний предел длительности измеряемого импульсного давления без увеличения длины волновода, так как на характер распространения упругих волн в этом волноводе не влияет длительность измеряемого импульсного давления. Предлагаемый датчик прост по устройству и дешев по сравнению с известным, а также обладает меньшими габаритными размерами. формула изобретения

Пьезометрический датчик давления, содержащий пьезоэлектрический элемент, соединенный с одним из концов акустического волновода, состоящего из сплошного стержня .и соединенного с ним тела вращения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, в нем тело вращения выполнено в виде полого усеченного конуса и размещенного внутри него сплошного цилиндра, имеющих равные акустические длины, причем конус подсоединен к торцу стержня малым основанием, а цилиндр — одним из торцов, стенки конуса выполнена с постоянным сечением, нормальным к образующей конуса, при этом в месте соединения

F2 + F, rpe F< ветственно площади нормальных к образующим сечений стержня, малого основания конуса и цилиндра, причем поверхности большего основания конуса и второго торца цилиндра снабжены отражающими пластинами, при этом отражающая пластина цилиндра жестко закреплена на основании, а 2 д

3 2 где 7, Чз

Использование волновода, в котором отраженные от его границ упругие волны гасят друг .друга с требуемой точностью, отличает предлагаемый датчик от известного, так как уменьшается составляющая погрешности измересоответственно модули коэффициентов отражения для отражающих пластин и контактирующих с ними поверхностей конуса и цилиндра.

1339420

Составитель А. Соколовский

Редактор И. Пулла Техред В.Кадар Корректор М. Пожо

Заказ 4212! 32

Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4