Датчик давления

(51) Р,Рг;з,1)ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНВТОРСКОМЪ/ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ческие изеличин.583-591. ров поктронике,228,я к области ь изобреи измере -ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(57) Изобретение относитизмерительной техники. Цтения - увеличение точно нии давления. Корпус 3 присоединяютк объекту, где контролируется давление. На преобразователь, состоящийиз электродов 4 и 5, между которыминаходится пьезоматериал 8, подаютэлектрический ток, В пьезоматериале8 возникают сдвиговые упругие смещения, вызывающие упругие смещения вмембране 1, которые преобразуются впреобразователе в выходной электрический сигнал. Под действием измеряемого давления происходит упругая деформация мембраны 1, Проводя измерения фазы или времени задержки электрического сигнала, судят о величинеизмеряемого давления газов2 ил.распространяться только сдвиговая акустическая волна, где 9 - длина сдвиговой волны в мембране при максимальной рабочей частоте электро- акустического преобразователя. Минимальный диаметр мембраны ограничен размерами электроакустических преобразователей, расположенных на ее поверхности, и размером поглотителя 9. От толщины и диаметра мембраны зависит чувствительность и разрешающая способность предлагаемого устройства. Максимальный диаметр мембраны ограничен затуханием сдвиговой волны в мембране, Оптимальный диаметр мембраны выбирается равным не более 100 мм при толщине мембраны не более 0,15 мм (для плавленного кварца) на рабочей частоте сдвиговых электроакустических преобразователей 4 МГц. При использовании других толщин мембраны необходимо рассчитывать рабочую частоту электроакустических преобразователей, исходя из приведенного неравенства.Мембрана 1 соединена с корпусом датчика давления посредством связки 2. В качестве связки 2 может быть использован клей,Корпус 3 может быть выполнен из такого же материала что и мембрана или из металла, обладающего коррозионной стойкостью в контролируемой среде. Корпус 3 датчика давления 35 40 45 50 55 Изобретение относится к измерительной технике и предназначено дляизмерения давления газов с помощьюакустических волн в пластине (мембране).Цель изобретения - увеличение точ.ности измерений давления,На фиг. 1 изображен датчик давления, разрез; на фиг, 2 - то же, видсверху.Датчик давления содержит мембрану 1, соединенную посредством связки2 с корпусом 3. На поверхности мембраны размещены электроды 4-7, междукоторыми находится пьезоматериал 8.На периферийной части мембраны установлен поглотитель 9.Мембрана 1 может быть выполненаиз диэлектрика с малым коэффициентомлинейного расширения от температуры,например из ситалла, кварца или стекла. Толщина Ь мембраны выбирается1Ь с -для того, чтобы в ней могла 5 10 15 20 25 30 соединяется с контролируемой средой (объектом, в котором производится измерение давления).Электроды 4-7, между которыми находится пьезоматериал 8, представляют собой электроакустические преобразователи сдвиговых колебаний по толщине, которые предназначены для возбуждения и приема сдвиговых колебаний в мембране. Возбуждающий электроакустический преобразователь (источник) аналогичен по конструкции приемному преобразователю. Электро- акустические преобразователи расположены на мембране диаметрально на одной оси. При использовании мембраны с жестко заделанными краями целесообразно электроакустические преобразователи расположить в той точке по диаметру мембраны, где деформация поверхности меняет знак на противоположный при максимальном измеряемом давлении. Эта точка (точка перегиба поверхности) находится примерно на расстоянии 0,6 радиуса от центра мембраны, Расположение преобразователей в окрестности точки перегиба поверхности мембраны оптимально для реализации наивысшей чувствительности предлагаемого устройства.Электроакустический преобразователь состоит из металлических электродов 4 и 5, между которыми находится пьезоматериал 8, Размеры преобразователя (источника ультразвука) определяются размером пьезоматериала 8 и зависят от рабочей частоты. Оптимальная длина преобразователя (параллельно оси вг) составляет - 303, Длина преобразователя выбрана из условия оптимального согласования с 75-омным кабелем. При использовании преобразователя меньшей длины возможна дисперсия ультразвука в мембране. Ширина преобразователя (перпендикулярно оси вг или вдоль оси аб) составля 1ет не более - Ъ . Толщина преобразователя вместе с электродами 4 и 6 сос 1тавляет не более - Я где 3 - длина2 опсдвиговой волны в электроакустическом преобразователе. Для того, чтобы электроакустический преобразователь излучал сдвиговые упругие колебания используют пьезоматериал с такой поляризацией, что под действием электрического тока в нем возникают сдви 1368677говые упругие смещения (смещения возникают параллельно оси вг, а упругая волна распространяется по мембране вдоль оси аб) .Поглотитель 9 не должен соприкасаться с электроакустическими преобразователями, т.е, с той его частью, где находится пьезоматериал.Токоподводящие электроды 4-7 могут 10 быть изготовлены пленочными из металлов, имеющих хорошую адгезию к элементам устройства и обладающих хорошей электропроводностью (например, из никеля, серебра, алюминия). Толщи на электродов составляет не более 0,05 толщины пьезоматериала 8. Ширина электродов, соприкасающихся с пьезоматериалом 8, выбирается равной ширине пьезоматериала 8, а за предела ми пьезоматериала может быть такой же или в несколько раз шире для того, чтобы токоподводящие площадки были удобны для подсоединения внешней измерительной схемы. Минимальный зазор 25 между токоподводящими электродами (например, 4 и 5), расположенными на мембране (т.е. там, где делается переход электрода 5 с пьезоматериала на мембрану) выбирается равным 1-3 толщин пьезоматериала 8.Приемный электроакустический преобразователь изготовляется аналогично излучающему.Поглотитель 9 предназначен для предотвращения акустических отражений от края диаметра мембраны. Поглотитель 9 изготовлен из материала, имеющего хорошую адгезию к мембране и способного поглощать ультразвуковые 40 колебания, например, из резины, полиэтилена, с использованием в качестве наполнителя окиси хрома. Поглотитель 9 выполнен в виде усеченного тороидального конуса и имеет в сече нии полусферическую форму. Угол между плоскостью мембраны и касательной к сфере в точке соединения с мембраной находится в пределах 120-160 для того, чтобы снизить отражение ультразвуковых колебаний от поглотителя. Высота поглотителя выбирается не более четырех толщин мембраны. Ширина поглотителя выбирается равной 6-20 толщин мембраны. Поглотитель 9 располагается над местом соединения мембраны и связки 2.Датчик давления работает следующим образом. Корпус 3 присоединяют к объекту, где необходимо контролировать давление (избыточное или отрицательное). На входной электроакустический преобразователь (состоящий из элементов 4, 5 и 8) подают электрический сигнал от генератора высокой частоты. Под действием электрического тока в пьезоматериале 8 возникают сдвиговые упругие смещения (параллельно оси вг), которые вызывают сдвиговые упругие смещения в мембране 1, так как источник акустически связан с мембраной. Сдвиговая акустическая волна в мембране распространяется вдоль оси аб и попадает в приемный электроакустический преобразователь, где сдвиговые упругие смещения мембраны преобразуются в выходной электрический сигнал, Под действием измеряемого давления происходит упругая деформация мембраны, Удлиняется срединная поверхность мембраны, что приводит к изменению фазы и времени задержки выходного электрического сигнала. Проводя точные изменения фазы, или времени задержки электрического сигнала можно судить о величине измеряемого давления газов. Для измерений может быть использован, например, метод Блюме, Если в процессе измерений давления фаза электрического сигнала изменяется более чемона 180 , то необходимо подстраивать рабочую частоту Е датчика так, чтобы показание фазы было неизменным, а по величине изменения рабочей частотыЬй судить об измеряемом давлении. При выполнении измерений методом Блюме можно регистрировать относительное удлинение диаметра мембраны с-7точностью 10 , Измерения могут быть выполнены и другими методами, позволяющими измерять скорость ультразвука с высокой точностью.Предлагаемое устройство наиболее эффективно может быть использовано в производствах, где требуется измерение давления газов. Предлагаемое устройство можно также использовать в качестве образцового средства измерений при поверке монометров, используемых в промышленности.Формула изобретенияДатчик давления, содержащий закрепленную на кольцевом основании плос1368677 1Ь2 где г,оставитель И.Невскийехред Л.Кравчук Корректор В,Бутяга Редактор Н.Бобк Подписи 47комитета СССРи открытий каз 280/ ир НИИПИ Го по де 13035, Мдарственного м изобретени ква, Ж, Р шская наб д роектная,оизводственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород кую мембрану, на поверхности которойразмещены симметрично относительноцентра электроакустические преобразователи, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности,электроакустические преобразователивыполнены в виде плоских стержнейиз пьезоматериала с электродами нашироких гранях, которые расположеныдлинными сторонами параллельно другдругу и образуют пьезорезонаторысдвиговых колебаний по толщине, а напериферийной части мембраны установлен введенный в датчик поглотитель колебаний в виде усеченного тороидального кольца, расположенный над зонойсоединения мембраны и кольцевого основания, при этом толщина мембраны Ьудовлетворяет соотношению- длина сдвиговой волны вмембране при максимальной рабочей частоте электро- акустического преобразователя.