Датчик акустического давления

 

Использование: изобретение может быть использовано для измерения акустического давления в газовых потоках с переменным избыточным давлением. Сущность изобретения: в корпусе 1 датчика выполнено отверстие 4 диаметром от 0,06 до 0,2 диаметра внутренней полости, что позволяет существенно утонить мембрану, тем самым повысить чувствительность датчика. Разгрузка мембраны от избыточного давления позволяет использовать датчик при разных уровнях избыточного давления . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 L 9!08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

-) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4808500/10 (22) 20.04.90 (46) 30.06.92. Бюл.%24 (71) Пермский политехнический институт (72) А.Ф.Сельников, Е.А.Канцур и В.И.Кычкин (53) 531.787 (088.8) (56) Маленький В.А. и др, Агрегатный комп- . лекс средств измерений вибраций/ Под ред.

О.Е.Швеленко, M.: Машиностроение, 1983.

Проектирование датчиков для измерения механических величин. / Под ред.

Е,П.Осадчего, M.: Машиностроение, 1979, с 195 — 196.

„„ 0„„1744537 А1 (54) ДАТЧ И К АКУСТИЧ ЕСКОГО ДАВЛЕН ИЯ (57) Использование: изобретение может быть использовано для измерения акустического давления -в газовых потоках с переменным избыточным давлением. Сущность изобретения: в корпусе 1 датчика выполнено отверстие 4 диаметром от 0,06 до 0,2 диаметра внутренней полости, что позволяет существенно утонить мембрану, тем самым повысить чувствительность датчика.

Разгрузка мембраны от избыточного давления позволяет использовать датчик при разных уровнях избыточного давления. 1 ил.

1744537

20

35

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к датчикам по измерению акустического давления в газовых потоках.

Известны измерительные микрофоны, используемые для измерения акустического давления в газовых средах, имеющих атмосферное давление.

Однако наличие избыточного давления в газовом потоке приводит к выходу измерительного микрофона из строя. Для защиты от воздействия избыточного давления в газовом потоке, а также с учетом значительной интенсивности звуковой волны (130, 150 и 180 дБ — верхний уровень звукового давления для большинства измерительных микрофонов) используют газонепроницаемые экраны, либо измерение производят вне потока через среду (устанавливают микрофоны вдали от источника акуСтического шума). При этом существенно снижается достоверность информации, резко падает чувствительность датчика.

Наиболее близким к предлагаемому является акустический датчик давления, в конструкцию которого входят пьезокерамические диски большой площади, наклеенные на тонкую металлическую мембрану.

Использование таких датчиков при измерении акустического давления непосредственно в газовых потоках значител ь но улучшает достоверность информации о характере акустического шума в газовом потоке. Однако их применение регламентируется уровнем избыточного давления газового потока. С ростом избыточного давления растет нижний предел чувствительности датчика. Например, для датчика ДХС-517 в диапазоне избыточного давления 0,2 МПа нижний предел равен 80 дБ, а для датчика ЛХ-610 в диапазоне до 1,0 МПа — 130 дБ. Таким обра-. зом, избыточное давление в газовом потоке существенно влияет на чувствительность датчика, приводит к построению избирательной структуры измерения акустических шумов, что влияет на достоверность проведения исследований, не позволяет проводить исследования однотиповыми датчиками при измерении акустического шума в газовых потоках при изменении статического избыточного давления в нем, что характерно для многих энергетических систем, Чувствительность датчика существенно падает.

Цель изобретения — повышение чувствительности датчика акустического давления в газовых потоках, имеющих избыточное давление.

Указанная цель достигается тем, что в корпусе датчика выполнено отверстие диаметром 0,06 — 0,2 диаметра внутренней полости датчика.

На чертеже представлена схема предлагаемого датчика.

Датчик давления состоит из корпуса 1, вваренной по контуру мембраны 2 и наклеенной на мембрану 2 пьезопластины 3. В корпусе датчика 1 выполнено отверстие 4, соединяющее замембранную полость 5 с внешним газовым потоком. Сигнал с пьезопластины 3 снимается проводом 6, залитым в уплотнительной шайбе 7, с помощью которой обеспечивается герметизация замембранной полости 5, Уплотнительная шайба 7 гайкой 8 через прокладку 9 крепится в корпусе 1 датчика. На уплотнительной шайбе 7 крепится контактный вывод 10, к штырькам которого припаян присоединительный кабель 11, Датчик крепится с помощью резьбы в стенке канала 12 с газовым потоком, в котором производится измерение акустического шума.

Датчик давления работает следующим образом, При установке датчика в стенку канала

12 в газовом потоке с избыточным давлением через отверстие 4 происходит выравнивание давления газового потока с давлением в замембранной полости 5.

Акустические возмущения газового потока приводят к деформации мембраны 2 и пьезопластины 3, наклеенной на мембрану 2. Возникающий при деформации пьезопластины 3 электрический потенциал через токосъемный провод 6 с контактного вывода 10 через кабель 11 передается на регистрирующую аппаратуру, От прорыва газа из замембранной полости 5 во внешнюю среду предохраняет уплотнительная шайба 7, поджатая гайкой 8 через прокладку 9.

При рассмотрении величины границ диаметра отверстия, выполненного в корпусе датчика, исходят из условий, обеспечивающих повышение чувствительности датчика.

К ним относятся следующие: длина волны акустического воэмущениг должна быть больше диаметра отверстия; диаметр датчика должен соответствовать принятому ряду размеров; время переходного процесса (выравнивания давления в замембранной полости с давлением в исследуемом газовом потоке) должно быть менее или равно 0,01 с.

Последнее условие существенно влияет на чувствительность датчика, так как величина переходного процесса связана с вре1744537

6 менем напряженного состояния мембраны. этом рассматривается максимальный замембранный объем полости (максимально возможный диаметр датчика), а также перепад давления. Датчик должен быть однодюймовым, диаметр внутренней полости 18 мм, диаметр отверстия 1,08 мм. При перепаде давления 5,0 МПа время переходного процесса составляет 0,01 с. При уменьшении диаметра отверстия до 1 мм — 0,055 диаметра внутренней полости датчика—

35 время переходного процесса увеличивается до величины 0,016 с.

Максимальное значение диаметра — 0,2 диаметра внутренней полости датчика. Для данного случая характерно рассмотрение

40 минимального размера датчика, так как с ростом диаметра отверстия объем замембранной полости увеличивается в кубе против увеличения площади прохождения газа через отверстие только в квадрате. При этом

50 граничным является такое состояние размеров замембранного объема и отверстия, при котором время переходного процесса не превышает 0,01 с. Минимальный размер датчика — 1/4 дюйма. Диаметр отверстия при этом составляет 1 мм, что соответствует

0,2 диаметра внутренней полости датчика.

При максимальном перепаде давления время переходного процесса составляет 0,01 с.

При увеличении диаметра отверстия до 0,21 диаметра внутренней полости время переходного процесса возрастает на 30%.

Таким образом, увеличение времени переходного процесса при измерении уровня

Напряженное состояние мембраны существенно снижает чувствительность дат- чика. Величина времени переходного 5 процесса выбирается из условия обеспечения достоверности и точности замера уровней акустического давления, связанного с колебаниями механических систем, деформирующих газопривод энергетической уста- 10 новки. Для механических систем величина переходных процессов составляет не более

0,01 с.

Рассмотрим граничные и запредельные значения величины диаметра отверстия. 15

Инженерный подход основан на методике расчет течения газа при перетекании из одного резервуара в другой при выравнивании давления. Проверка диаметра (величины) отверстия осуществляется срав- 20 нением с длиной волны акустического возмущения.

Минимальный диаметр отверстия -0,06 диаметра внутренней полости датчика. При акустических возмущений в газовом потоке приводит к требованиям по увеличению толщины мембраны, а следовательно, к снижению чувствительности датчика, Выбранный диапазон величины отверстия, обеспечивающего разгрузку мембраны, обеспечивает переходный процесс при измерении в пределах времени переходного процесса механических систем. Это позволяет получить достоверную информацию с высокой чувствительностьюю датчика.

Реально отработанный датчик акустического давления, величина отверстия которого лежит в указанном диапазоне и равна

0,143 диаметра внутренней полости датчика, имеет следующие характеристики: диаметр мембраны 14 мм; толщина мембраны

0,08 мм; толщина пластины пьезоэлемента

0,15 мм; диаметр отверстия 2 мм (0,143 диаметра внутренней полости датчика); диапазон избыточного давления 0,1 — 0,8 МПа; нижний предел чувствительности 40 дБ; верхний предел 200 дБ; частота исследуемого процесса 100 — 20000 Гц. Время переходного процесса 0,0005 с. Разработанный датчик прошел предусмотренные ГОСТом проверки, показал хорошую работоспособность при избыточном давлении 500 МПа.

По сравнению с прототипом, работающим в диапазоне избыточного давления до

1,0 МПа (датчик ЛХ 610) и имеющим нижний уровень чувствительности 130 дБ, уровень нижней границы был снижен до 40 дБ. Снята зависимость влияния избыточного давления, если у прототипа 1 0 МПа, то предлагаемый датчик показал хорошую работоспособность при давлении 5.0 МПа, хо-, тя был рассчитан до 0,8 МПа, т.е. расширен существенно диапазон применения предлагаемого датчика. Датчик может быть использован в исследовательских работах по анализу акустического шума энергосистем с целью снижения акустического излучения.

Формула изобретения

Датчик акустического давления, содержащий корпус и выполненную с ним за одно целое мембрану диаметром Д, на которой закреплен пьезоэлемент, при этом в корпусе образована замембранная полость, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности при замере акустического давления в газовом потоке с переменным избыточным давлением, в корпусе выполнено сквозное отверстие, сообщающее замембранную полость с атмосферой, диаметр которого равен (0,06—

0,2)Д,