Измерительный преобразователь давления
Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений путем контроля чувствительности преобразователя давления в процессе работы. Общий электрод и составной электрод в виде пар элементов расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента соответственно. Электроды каждой пары элементов составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента . На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов. Дополнительные электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента. Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. По изменению коэффициента передачи судят об изменении чувствительности преобразователя. 4 ил Ё
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4467142/10; 4469997/10; 4470000/10 (22) 29,07.88 (46) 30.01.91. Бюл, hk 4 (72) А.А. Сангалов (53) 532.574(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 50686, кл. G 01 P 5/04, 1936.
Авторское свидетельство СССР
hh 1223150, кл, G 01 P 5/14, 1984.
Авторское свидетельство СССР
М 1514088, кл, G 01 P 5/02, 1987. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерений путем контроля чувствительности преобразователя давления в процессе работы. Общий электрод и составной электрод в виде пар элементов расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента соответственно.
Электроды каждой пары элементов составИзобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к приборам для измерения продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости потока жидкости или газа, приборам для одновременного измерения в одной точке потока двух или трех взаимно ортогональных компонент турбулентных пульсаций скорости, Целью изобретения является повышение точности измерений путем контроля чувствительности преобразователя в процессе работы, „„. Ы „„1624331 А1
Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. По изменению коэффициента передачи судят об изменении чувствительности преобразователя. 4 ил.
На фиг. 1 приведена конструкция измерительного преобразователя давлений; на фиг. 2 — выполнение электродов в измерителе скоростного напора потока; на фиг. 3 — то же, в измерителе мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций скорости потока; на фиг. 4 — то же, в измерителе поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости потока.
Измерительный преобразователь давления содержит корпус 1, пьезоэлемент 2, общий электрод 3 и составной электрод в виде пар элементов 4, 5. Общий и составной электроды расположены на внешней и внут1624331
20
55 ренней поверхностях пьезоэлемента 2, Внешняя поверхность пьезоэлемента защищена термозащитным покрытием 6. Электроды каждой пары 4, 5 составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента 2. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов 7, Дополнительные электроды 7 расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента 2. Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора 8 опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента
2, Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. В корпусе 1 расположены встречный усилитель 9 и блок управления уровнем выходного сигнала генератора 10.
Преобразователь может выполняться различных типов, Измеритель пульсаций скоростного напора потока содержит одну пару 4 элементов составного электрода и две пары дополнительных электродов 7.
Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, элементы составного электрода расположены коаксиально и имеют вид сферического пояса и сферического сегмента соответственно.
При контроле чувствительности пьезопреобразователя с обоих парафазных выходов генератора 8 на дополнительные электроды 7 подается электрический сигнал равных уровней ЕК1 и Ек и взаимно противоположной полярности. В силу обратного пьезоэффекта в области пьезоэлемента под дополнительными электродами возбуждаются механические колебания разных знаков, которые в силу упругости пьезоматериала передаются в области пьезоэлемента под элементами составного электрода 4, где в силу прямого пьезоэффекта вновь преобразуются в электрический сигнал Ес одного знака. При таком двойном преобразовании и при неизменяемой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразования
К> зависит от квадрата пьезомодуля материanad .
Равенство площадей дополнительных электродов и их симметричное размещение относительно сечения пьезоэлемента, проходящего по линиям к нулевой поляризации, располагающимся между областями пьезоэлемента под составным электродом, обеспечивает равенство механической энергии возбуждения в областях под дополнительными электродами.
Для компенсации емкостной связи между дополнительными электродами и составным электродом поляризация областей под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы с генератора 8 на каждый дополнительный электрод пары— взаимно противоположного знака, что при равенстве электрических емкостей между дополнительными электродами и элементами составного электрода позволяет полностью скомпенсировать электрическую составляющую в передаче энергии между ними. Коэффициент передачи К, будет определяться только значением квадрата пьезомодуля d, который характеризует чувствительность пьезопреобразователя.
Таким образом, по изменению коэффициента передачи Кг в цепи контроля можно судить об изменении чувствительности пьезопреобразователя непосредственно в процессе проведения измерений.
Изготовленный пьезопреобразователь помещают в поток с известным значением пульсаций скоростного напора потока р00, где: р- плотность среды. U — средняя скорость потока, U — продольная компонента пульсаций скорости потока, и измеряют уровень выходного электрического сигнала с пьезопреобразователя Е .
Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора 8 с уровнем Е», при котором уровень выходного сигнала с пьезопреобразователя опять будет равен Ес.
Находят коэффициент электромеханического эквивалента А по формуле
ОuiÃ
Е»
В дальнейшем при градуировке пьезопреобразователя уровни задаваемых пульсаций скоростного напора можно заменить уровнями задаваемых Е», при этом шкала сопоставляемых величин — линейная, Измеритель мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода, рабочий электрод 10 и одну пару дополнительных электродов 7.
Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, рабочий электрод и составной электрод расположены аксиально. Рабочий электрод 10 выполнен в виде сферического сегмента с углом раскрыва 01. Элементы со1624331 ставного электрода имеют вид четырех равных частей сферического пояса, ограниченного граничными углами раскрыва 02 иОз .
Углы удовлетворяют условию
0 Дополнительные электроды имеют вид двух равных частей сферического пояса с граничными углами раскрыва 04 и 9> и расположены аксиально составному электроду, Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над областями пьезоэлемента с противоположной по знаку поляризацией или областями с одинаковым знаком поляризации (в первом случае дополнительные электроды расположены над областями пьезоэлемента с противоположными по знаку поляризациями). Углы 04 и 05 удовлетворяют условию Oi < 04 < & < 02 . Турбулентные пульсации скоростного напора потока воздействуют на пьезоэлемент 2 и генерируют на нем электрические заряды, причем разделение сигналов по компонентам турбулентных пульсаций скорости происходит на самом пьезоэлементе благодаря конструкции элементов составного электрода и рабочего электрода, их размещению, знакам поляризации областей пьезоэлемента и электрическому соединению этих электродов. Электрические заряды от продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости (канал 1) будут нескомпенсированы лишь на рабочем электроде 10 (фиг. 2), а на парах элементов составного электрода 4, 5 эти сигналы будут электрически скомпенсированы, благодаря противофазному соединению этих электродов, Величина электрического заряда Олрод, от воздействия продольной компоI ненты описывается выражением Оляд,=Аi Р U U F(0i), где A1 — коэффициент преобразования. зависящий от пьезосвойств материала (пьезомодуля d); p — плотность среды; 0 — средняя скорость потока; U — продольная компонента ТПС; Е(01) — коэффициент формы и размеров рабочего электрода. Для поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости (каналы 2 и 3) электрические заряды 02 и С1з на соответствующих парах элементов составного электрода 4 и 5 будут нескомпенсированы, причем величина электрического заряда на них описывается выражением 02 — Ap p U V Ф(6, &j) O3 =A, p U W &(Q, &j), ходного сигнала канала 1 установится равным Ect, что эквивалентно воздействию на пьезоэлемент пульсаций скоростного напора потока pUU известного уровня. Для контроля чувствительности пьеэопреобразователя по каналам измерения поперечных компонент (каналы 2 и 3) оба 45 дополнительных электрода соединяют с одним выходом генератора и проводят аналогичные операции. Проверка разбаланса по электрическим емкостям между дополнительными электродами и элементами составного электрода проводится соединением выводов обеих пар элементов составного электрода и измерением уровня сигнала разбаланса при установленном уровне сигнала генератора, каждый дополнительный электрод подклю55 где V, W — взаимно ортогональные поперечные компоненты ТПС. При изотропной турбулентности ф = Vyy среднеквадратические значе5 ния величины заряда по каналам 2 и 3 будут равны. Нормировка измерительных каналов 1 — 3 определяется равенством частотной характеристики каналов и подбором коэффициента усиления канала измерения 10 продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости (канал 1) с использованием соотношения А1 Е(01) = Ao» " Ф (0z, Оз) . При выбранных размерах элементов составного электрода по условию равенства частотных характеристик каналов F(0i )= const, Ф(, 65) =const. Таким образом, величина электрического заряда на электродах пьезоэлемента, а следовательно, чувствительность Si пьеэопреобразователя определяются свойствами пьезоматериала (его пьезомодулем d) и для каждого канала измерений могут быть определены при помещении пьеэопреобразователя в поток с известными значениями компонент турбулентных пульсаций скорости (pUU, р UV, р UW ) путем измерения уровней выходных сигналов по каждому измерительному каналу Ес1, Ес2, Есз и сопоставления его с уровнем заданных ТПС по компонентам 1 — 3. Расчет проводится по формулам При контроле чувствительности пьеэопреобразователя по каналу продольной компоненты (канал 1) выходы генератора подключают к разным дополнительным 40 . электродам и устанавливают уровень сигна ла генератора Ек, при котором уровень вы1624331 55 чают к соответствующему выходу генератора. Получен н ые соотношения между уровнем сигнала генератора Ек и уровнями выходного сигнала каналов Ес1, определяющие величину турбулентных пульсаций скорости по компонентам при известных значениях плотности потокар и его средней скорости U, используют в дальнейшем для контроля чувствительности пьезопреобразователя по всем каналам измерений. Коэффициент преобразования по цепи контроля зависит от квадрата пьезомодуля dматериала,,так как при этом используют ся и прямой и обратный пьезоэффекты, то расчет относительного изменения чувствительности пьезопреобразователя13 по каналам непосредственно в процессе измерений произво ится по формуле ASi= 5, К1 (I=1, 2, 3), где AKi — относительное изменение коэффициента преобразования по цепи контроля. Измеритель поперечных компонент пульсаций скорости потока содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода 4, 5, одну пару дополнительных электродов 7. Пьезоэлемент в нем имеет вид части сферы, составной электрод выполнен в виде сферического сегмента с граничными углами раскрыва 01 и бг, удовлетворяющими условию С0$ 1 + С0$0г + С0$ 1 С0$ % = 3 где 0 < 01 < % < 63 . Элементы составного электрода имеют вид четырех равных частей сферического пояса. Дополнительные электроды 7 имеют вид двух равных частей сферического сегмента с углом раскрыва 65, удовлетворяющим условию 0 < Ь <01 . Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над областями пьезоэлемента с одинаковой по знаку поляризацией. Дополнительные и составной электроды расположены коаксиально. При контроле чувствительности пьезопреобразователя с обоих парафазных выходов генератора на дополнительные электроды 7 подаются электрические сигналы равных уровней Ек1 и Екг, но противоположных по фазе. В силу обратного пьезоэффекта в области пьезоэлемента под КЗ возбуждаются механические колебания разных знаков, которые в силу упругости пьезоматериала передаются в области пьезоэлемента под элементами составного электрода 4 и 5, в силу прямого пьезоэффекта вновь преобразуются в электрические сигналы Ес1 и Есг, снимаемые с каждой пары рабочих электродов, При таком двойном преобразовании и при неизменяемой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразования Кп уровня электрического сигнала на них Ек и уровни электрического сигнала на каждой паре элементов составного электрода Ес1 и Есг зависят лишь от квадрата пьезомодулв материала d и могут быть вычислены по г формуле Ес1 Есг Кп1 Е, Кпг К К Для компенсации емкостной связи между дополнительными электродами и составным электродом поляризация областей пьезоэлемента под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы на эти электроды подаются в противофазе, что позволяет скомпенсировать передачу энергии между электродами за счет емкостей связи и при этом коэффициент K„будет определяться только значением квадрата пьезомодуля d материала, который харакг теризует чувствительность пьезопреобраэователя. По изменению Кп можно судить об изменении пьезомодуля d материала и, следовательно, об изменении чувствительности пьезопреобразователя. Начальное значение чувствительности пьезопреобразователя получают при его первичной градуировке. Изготовленный пьезопреобразователь помещают в поток с известным значением произведения средней скорости потока U на величину поперечных компонент ТПС V, W при известной плотности потока р и измеряют уровень выходного сигнала с каждой пары элементов составного электрода Ес1, Есг. Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора уровнем Ек, при котором уровень выходного сигнала с пьезопреобразователя вновь будет равен Ес1и Есг. Находят коэффициенты электромеханического эквивалента А1 и Аг для обоих измерительных каналов по формулам им к Ек В дальнейшем при градуировке измерительных каналов пьезопреобразователя уровни задаваемых поперечных компонент пульсаций скорости потока можно заменить уровнями задаваемых Ек, шкала сопоставляемых величин линейна по отношению к 7624331 Гсг Есу фиг. 1 проведению средней скорости потока на любую из поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости, Формула изобретения Измерительный преобразователь давления, содержащий корпус, пьезоэлемент, общий электрод, составной электрод в виде пар элементов, причем общий и составной электроды расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента, а эле.менты каждой пары составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений путем контроля чувствительности в процессе работы, на внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены пары дополнительных электродов, а внутри корпуса размещен генератор опорного синусоидального сигнала, причем дополнительные 5 электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента, дополнительные электроды каждой пары 10 электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента, а 15 суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. 1624331 Ек1 E g Ес Фиг.г Есз Е Ек Ес Екг оа 1624331 Ф ° 1 3ц ии4 4 М;> Составитель И. Игумнова Редактор О. Спесивых Техред М,Моргентал Корректор М.Демчик Заказ 184 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
