Датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ц 5 6 01 1. 11 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯМ фВ 386"ьИБДцщ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ юл, М 47 .енко и А.И.Токар8.8)свидетельство С6 01 19/08, 1978 АВЛЕНИЯние относится к измеритеможет быть использовано длвления жидкостей и газ Ф втоРскому свидетельств(57) Изобретеной технике иизмерения да).,Ы 1700400 А ние чувствительности и точигается введением селективсвязи в автогенератор 12. кой обратной связи содербразователи 6 и 7,жидкость упругий элемент 4. Дно корно в виде обратной пирамиями, расположенныйи под глами к плоскости, пе,рпентражающей поверхности упта, Пьезопреобраэователи плоскостях дна корпуса. 2 ил. Цель - повыше ности, что дост ной обратной Цепь акустичес жит пьезопрео 5, отражающий пуса 1 выполне ды с плоскост одинаковыми у дикулярной к о ругого элемен размещены наИзобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления и может быть использовано в контрольно-измерительных устройствах.Цель изобретения - повышение чувст вительности.На фиг.1 представлена конструктивная схема датчика давления; на фиг,2 - принципиальная схема автогенератора.Датчик давления состоит из корпуса 1 с 10 входным штуцером 2 и дополнительным штуцером 3. упругого элемента 4, например сильфона, размещенного внутри корпуса 1 и разделяющего его объем на две части, Внутренний объем сильфона соединен че рез второй штуцер 2 с объемом объекта, где измеряется давление. Жидкость 5 заполняет объем корпуса между дном корпуса 1 и упругим элементом 4. Пьезоэлектрические преобразователи б и 7 содержат пьезопла ,стины 8 и 9 и согласующие слои 10 и 11 толщинойп Л/2,где Л - длина акустической волны в слое;и =1,2 25 и расположенных на соответствующих наклонных плоскостях дна корпуса 1, перпен,дикулярно к ним, При этом дно корпуса 1 выполнено в виде двух наклонных плоскостей, расположенных под одинаковыми уг лами а к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности упругого элемента 4 (дна сильфона), а пьезоэлектрические преобразователи расположены на поверхностях указанных плоскостей дна корпуса 35 на одинаковых расстояниях.В цепи положительной обратной связи автогенератора 12 в качестве частотно-задающего элемента включена акустическая 40 цепь, состоящая из пьезоэлектрических пластин 8 и 9 с согласующими слоями 10 и 11 пьезоэлектрических преобразователей б и 7, жидкости 5 и упругого элемента 4.Пьезоэлектрические преобразователи б 45 и 7 могут располагаться как внутри объема корпуса 1, так и на поверхности корпуса. В случае расположения преобразователей 6 и 7 непосредственно на внешней поверхности корпуса 1, последний в области распо ложения преобразователей должен иметь толщину, кратную И 2, В этом случае он выполняет функцию акустического согласующего слоя, а согласующие слои 10 и 11 отсутствуют. 55Согласующие слои 10 и 11 играют рольакустического фильтра, улучающего селективность датчика и, соответственно, снижающего порог чувств:тельности.В качестве автогенератора 12 можетбыть использован любой усилитель, охваченный положительной обратной связью.Автогенератор 12 состоит из включенных каскадно резонансного усилителя, реализованного на транзисторе Т 1, иэмиттерного повторителя, реализованногона транзисторе Т 2. В качестве нагрузкитранзистора Т 1 использован резонансныйконтур, состоящий из трансформатора Тр иконденсатора СЗ, настроенный на резонансную частоту пьезопластины 9 преобразователя 7. Резисторы В 1 - Вб предназначеныдля работы транзисторов Т 1 и Т 2 в режимахпостоянного тока; С 1, С 4, С 5 - разделительные конденсаторы, Конденсатор С 2 образует цепь отрицательной обратной связи попеременному току транзистора Т 1.На входе резонансного усилителя и навыходе эмиттерного повторителя непосредственно включены пьезопластины 8 и 9 пьезопреобразователей 7 и 6 частотно зависимой акустической цепи, образующей цепьположительной обратной связи автогенератора 12,Дополнительный штуцер 3 размещен вкорпусе 1 таким образом, что обеспечиваетсообщение с жидкостью 5, заключенной вобъеме корпуса между упругим элементом 4и пьезоэлектрическими преобразователями7 и 6,Штуцер 3 необходим для обеспечениявозможности измерения разности давлений,Датчик давления работает следующимобразом.После подачи постоянного напряженияот источника питания на автогенератор 12он возбуждается за счет усиления напряжения транзистором Т 1 и частотно-зависимойэапаздывающей акустической положительной обратной связи, которая включает в себя пьезоэлектрические преобразователи б и7 с пьезопластинами 8 и 9 и согласующимислоями 10 и 11, нагруженными с одной стороны жидкостью 5, и упругий элемент 4(сильфон).При этом частотно-зависимая цепь обратной связи представляет собой акустическую линию задержки, в которой одним изпреобразователей возбуждаются акустические колебания в жидкости 5, которые рас-пространяются к упругому элементу 4.После падения акустической волны наотражающую поверхность упругого элемента 4 под углом (90" - а) и последующегоотражения акустической волны от упругогоэлемента 4 под тем же углом, согласно зако 1700400ну Снеллиуса она попадает на другой пьезопреобразователь и таим образом замыкает цепь акустической обратной связи автогенератора 12, Это становится возможным за счет того, что, во-первых, дно корпу са 1 датчика давления выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под одинаковым углом а к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности, во-вторых, каждый пьезоэлектрический 10 преобразователь б и 7 расположен на соответствующей наклонной поверхности дна корпуса на одинаковом расстояниисвоих центров от линии пересечения плоскостей и симметрично относительно последней. При 15 этом расстояниевыбрано в соответствии с условием:т й8 К т 9 агде ч - скорость звука в жидкости, заключенной в объеме корпуса 1;1 - резонансная частота пьезопластиныпреобразователя, Гц;а - угол между наклонной плоскостью иплоскостью, перпендикулярной к отражающей поверхности упругого элемента.Это условие эквивалентно условию одночастотности возбуждения автогенератора.Время прохождения акустической волны от 80одного преобразователя до другого равно2 ааЧгде- расстояние между центром преобразователя и линии пересечения плоскостей,А амплитудно частотная характеристика (АЧХ) цепи обратной связи имеет периодическую структуру с периодом повторениямаксимумов по частотеЛ 1= ч/219 а,40который определяет ее полосу пропусканияпо нулям частотного отклика.В реальной акустической цепи обратной связи полоса пропускания определяется полосой пропускания пьезопреобразователей, которая в первом приближении равна:К 2Л 1= - , г=2 г 8 К 2где 1 - резонансная частота пьезопластины, МГц;К - коэффициент электромеханической связи.Для работоспособности датчика давления необходимо возбуждать автогенератор 55 только на одной частоте, только в этом случае создается однозначная зависимость между входным сигналом (давлением) и выходным параметром (частотой). В результате в данном датчике давления за счет введения дополнительного пьезоэлектрического преобразователя и расположения преобразователей на наклонных плоскостях дна корпуса 1 перпендикулярно этим плоскостям на расстоянииот линии их пересчения, образована акустическая цепь обратной связи, которая обеспечивает одночастотный режим работы автогенератора за счет того, что, во-первых, исключено прямое попадание электрического сигнала с одной пьезопластины на другую, минуя акустическую цепь, во-вторых, дно корпуса 1 выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под углом а к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности упругого элемента, и, в-третьих, выбор расстояния между центрами преобразователей с линией пересечения поверхностей дна корпуса осуществляется так, что полоса пропускания меньше или равна частоте повторения Л 1, ибо только при этом условии обеспечивается подавление в АЧХ всех максимумов, кроме одного.Частота возбуждения автогенератора 12 соответствует частоте максимального значения АЧХ цепи обратной связи и определяется антирезонансной частотой пьезопреобразователя.Изменение давления в одном из штуцеров, соединенном с объемом, где измеряется давление, приведет к смещению упругого элемента (сильфона), вследствие чего изменится время задержки Т прохождения акустической волны в цепи обратной связи автогенератора 12.При этом частота выходного сигнала автогенератора, т,е, да"чика давления,изменится обратно пропорционально изменению времени задержки, т.е. фазы, а значит и давлению;Л 1 дат= Л ( - ).1ТТак как Т = 2 а/ч = 2 зи а(ч,где а - расстояние между дном сильфона и преобразователем, а = т 9 а;- расстояние между линией пересечения плоскостей дна корпуса и дном сильфона, то относительное изменение частоты выходного сигнала равно Ыдат Лд, д, тдатгде Л- смещение сильфона при воздействии на него. давления Ь р;дат - резонансная частота колебания автогенератора 12.Учитывая, что в линейном приближении для сильфона Л = у Лр, гдеу - коэффи1700400 иусщоцесим цепь Юс С авитель А.Зосимо Т ед М.Моргентал ост ехр Корректор Э.Лон едактор Н.Химчук аз 4460 ВНИИП Тираж Подписноеосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК113035, Москва, Ж, Рзушская наб 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 циент пропорциональности, равный чувствительности упругого элемента, изменение частоты будет пропорционально изменению давлениядат Л ртдат аОтсюда чувствительность датчика давления будет равнаЬ за счет уменьшения расстояния а может быть обеспечена большой, исходя только из ограничения, обеспечивающего свободное смещение дна сильфона 4 па отношению к согласующему слою пьезоэлементов преобразователей,Наряду с повышением чувствительности обеспечивается понижение порога чувствительности, который будет определяться неравномерностью структуры АЧХ цепи ,акустической образиной связь автогенератора 12 в полосе пропускания, причем неравномерность АЧХ обусловлена наличием разных типов ложных сигналов,Уменьшение уровня ложных сигналов и, следовательно, порога чувствительности достигается за счет образования электрической развязанной акустической цепи обратной связи автогенератора 12 путем вве, дения дополнительного преобразователя 7. Степень снижения порога чувствительности зависит от выбора расстояния между преобразователями и дном упругого элемента сильфоном) а =тц а при выполнении условия одночастотности возбуждения автогенератора 12.Формула изобретения 5 Датчик давления, содержащий корпус, вкотором установлены упругий чувствительный элемент и первый пьезоэлектрический преобразователь, причем внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышениячувствительности, в него введены второй пьезоэлектрический преобразователь и автогенератор, а,дно корпуса выполнено в виде двух плоскостей, расположенных под 15 одинаковыми углами а к плоскости, перпендикулярной к поверхности упругого элемента, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи размещены на плоскостях дна корпуса на одинаковых расстояниях от 20 линии пересечения плоскостей, которые выбраны в соответствии с условиемйч 1 К 18 1 Кг тцагде ч - скорость звука в жидкости;т - резонансная частота колебаний пластины пьезопреобразователя;К - коэффициент электромеханическойсвязипьезопреобразователя с жидкостью, 30 при этом первый пьезоэлектрический преобразователь подключен к входу, а второй - к выходу цепи обратной связи автогенера- тора.