Датчик давления

(55 0 01 1 11/00 ЕТЕНИЯ г(. 47и А.И.Токарев тельство СССР9/08, 1978 4 О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(57) Изобретение относится к измерителной технике и может быть использовано длизмерения давления жидкостей и газо 700402 А 1 Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения, это достигается введением селективной обратной связи в автогенератор 13 при помощи цепи обратной акустической связи, включающей пьезопреобразователи 7 и 8, жидкость 5, уголковый отражатель 6, размещенный на упругом чувствительном элементе 4, Отражающие плоскости отражателя расположены под прямым углом друг к другу и обращены к пьезопреобразователю, установленному на корпусе. 2 ил.5 10 15 20 ственно включены пьезоэлементы 9 и 10 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления, иможет быть использовано в контрольно-измерительных устройствах,Цель изобретения - повышение чувствительности и уменьшение порога чувствител ь ности.На фиг.1 представлена конструктивнаясхема датчика давления; на фиг,2 - принципиальная схема автогенератора.Датчик давления состоит из корпуса 1 свходным 2 и дополнительным 3 штуцерами,, упругого элемента 4, например сильфона,размещенного внутри корпуса 1 и разделя ющего его объем на две части, внутренний, объем сильфона соединен через входной,штуцер 2 с объемом объекта, где измеряетсядавление, Жидкость 5 заполняет объем кор, пуса между дном и упругим элементом 4,Уголковая отражательная прямоугольнаяпризма 6 расположена на плоской поверхности упругого элемента 4, на дне сильфонасо стороны пьезоэлектрических преобразо вателей 7 и 8, при этом двугранный уголуголкового отражателя 6 равен 90 О, Пьезоэ лектрические преобразователи 7 и 8 с пьезопластинами 9 и 10 и согласующимислоями 11 и 12 толщиной п А/2, где 1 -длина акустической волны слоя, п:= 1, 2расположены внутри корпуса 1 напротивотражателя 6 таким образом, что пьезопластины 9 и 10 находятся напротив соответствующих наклонных граней отражателя 6,а рабочие поверхности пьезопластины и согласующих слоев составляют угол 45 О к отражающим поверхностям отражателя, Вцепи отрицательной обратной связи автогенератора 13 в качестве частотно-задающегоэлемента включена акустическая цепь, состоящая из пьезоэлектрических пластин 9 и10 с согласующими слоями 11 и 12 пьезопреобразователей 7 и 8, жидкости 5 и упруго.го элемента 4 с отражателем 6. Пьезоэлектрические преобразователи 7 и 8 могутрасполагаться как внутри объема корпуса 1, так и на поверхности корпуса, В случае расположения пьезоэлементов 9 и 10 преобразователи 7 и 8 непосредственно на внешней поверхности корпуса 1, корпус 1 в области расположения преобразователей должен иметь толщину, равную п 1/2. В этом случае он выступает в роли акустического согласующего слоя, а согласующие элементы (слои) 11 и 12 не нужны. Согласующие слои 11 и 12 выполняют роль акустического фильтра, улучшающего селективностьдатчика и,соответственно,снижающего порог чувствител ьности. В качестве автогенератора 13 может быть использован любой усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.Автогенератор 13 состоит из включенных каскадно резонансного усилителя, реализованного на транзисторе Т 1 и повторителя, реализованного на транзисторе Т 2,В качестве нагрузки транзистора Т 1 использован резонансный контур, состоящий из трансформатора Тр и конденсатора СЗ, настроенный на резонансную частоту пьезопластины 9 преобразователя 11. Резисторы Й 1 - йб предназначены для работы транзисторов Т 1, Т 2 в режимах постоянного тока, С 1, С 4, С 5 - разделительные конденсаторы,На входе резонансного усилителя и на выходе эмиттерного повторителя непосредпьезоэлектрических преобразователей 7 и 8частотно-зависимой цепи акустической обратной связи, образующей цепь обратнойсвязи автогенератора 13.Дополнительный штуцер 3 размещен вкорпусе 1 таким образом, что обеспечиваетсообщение с жидкостью, заключенной вобьеме корпуса между упругим элементом 4и пьезоэлектрическими преобразователями7 и 8.Штуцер 3 необходим для возможностиизмерения разности давления.Датчик давления работает следующимобразом.После подачи постоянного напряженияот источника питания на автогенератор 13он возбуждается за счет образованной частотно-зависимой запаздывающей акустической обратной связи, которая включает всебя пьезоэлектрические преобразователи7 и 8 с пьезопластинами 9 и 10 и согласующими слоями 11 и 12, нагруженными с одной стороны жидкостью 5, и отражатель 6,расположенный на упругом элементе (сильфон.е) 4,При этом частотно-зависимая акустическая цепь представляет собой акустическуюлинию задержки, в которой одним из преобразователей возбуждаются акустическиеколебания в жидкости 5, которые распространяются к отражателю 6. После последовательного отражения акустической волнысоответственно от отражающих плоскостейотражателя 6 за счет выбора угла междуотражающими плоскостями равным 90,она приходит на приемный преобразователь и таким образом замыкает цепь обратной связи автогенератора 13. Времяпрохождения акустической волны в этомслучае составит величину, равнуюТ = 2/ч,где ч - скорость акустической волны в жидкости;- расстояние между ребром отражателя и плоскостью, в которой расположенырабочие поверхности преобразователей,м,при этом амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя, охваченного цепьюакустической обратной связи имеет периодическую структуру с периодом повторениямаксимумов по частотеЬповт = 1/2и определяет ее полосу пропускания по нулям частотного отклика,В реальной акустической цепи обратной связи полоса пропускания определяется полосой пропускания пьеэопреобразователей, которая в первом приближении равнаЛ = т/2 г,л 1 - Кгде г= - С -Уи К 2К - коэффициент электромеханическойсвязи пьезопластины;т- резонансная частота пьезопластины,Для работоспособности датчика давления необходимо возбуждать автогенератор только на одной часто 1 е, только в этом случае создается однозначная зависимость между входным сигналом (давлением) и выходным параметром (частотой),В данном датчике давления за счет введения дополнительного пьезоэлектрического преобразователя и отражателя, расположенных на расстояниидруг от друга, образована акустическая цепь обратной связи, которая обеспечивает одночастотный оежим работы автогенератора 13, вследствие того, что исключено прямое попадание электрического сигнала с одной пьезопластины на другую, минуя акустическую цепь, а выбор расстояния между плоскостью, в которой расположены рабочие поверхности преобразователей, и ребром отражателя удовлетворяет соотношению:,тг ч 1 - КЯгде ч - скорость вол н ы в жидкости.К - коэффициент электромеханической связи пьезопластины;т - резонансная частота пьезопластины, Это соотношение означает, что полоса пропускания должна быть меньше или в крайнем случае равна частоте повторения, ибо только при этом условии будет обеспечено подавление в АЧХ всех максимумов, кроме одного. Выбор угла между отражающими плоскостями отражателя 6, равным 90, и ориентация отражающих плоскостей под углом 45 к рабочим поверхностям преобразователей обеспечивает работу автогене ратора 13 в максимуме основного лепесткадиаграммы направленности или основного максимума АЧХ, а также обеспечивает подавление ложных сигналов за счет рассеяния акустических волн с направлением 10 падения на отражающие плоскости, отличным от 45 .Частота возбуждения автогенератора13 соответствует частоте максимального значения АЧХ цепи обратной связи и опре деляется антирезонансной частотой пьезоэлементов.Изменение давления в одном из штуцеров, соединенным с объемом, где измеряется давление, приведет к смещению упругого 20 элемента (сильфона), вследствие чего изменится время задержки Т прохождения акустической волны в цепи обратной связи автогенератора 13,При этом частота выходного сигнала ав тогенератора 13, т.е, датчика давления, изменится обратно пропорционально изменению времени задержки, т.е. фазы, а значит и давлению:Л 1 дам = Ь(1/Т)30 Так какТ = (2 а - с)/ч,где а - расстояние между ребром отражателя и плоскостью, на которой расположенырабочие поверхности преобразователей;35 с - расстояние между центрами преобразователей, то относительное изменениечастоты выходного сигнала будет равноЛ 1 датЛдат = Ьа/а,где Ла - смещение сильфона при воздейст 40 вии на него давления Л р;1 - резонансная частота колебания автогенератора 13,Учитывая, что в линейном приближениидля сильфона Ла у Ьр, где у - коэффи 45 циент пропорциональности, равный чувствительности упругого элемента, тоизменение частоты будет пропорциональноизменению давления:Ьр50 Л 1 дат/1 дат = )Отсюда чувствительность датчика давления равна:Л дат дат55 Ьра за счет уменьшения расстояния а может быть увеличена, исходя только из ограничения, обеспечивающего свободное смещение отражателя 6 по отношению к1700402 юугточееиаэ Составитель А.Зосимаактор Н,Химчук Техред М,Моргентал рректор Э,Лончакова каз 4460ВНИИП Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 при ГКНТ ССС ос Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 согласующему слою пьезоэлементов преобразователей.Наряду с повышением чувствительности обеспечивается понижение порога чувствительности, который будет оп ределяться неравномерностью структуры АЧХ цепи акустической обратной связи автогенератора 13 в полосе пропускания, причем неравномерность АЧХ обусловлена наличием разных типов ложных сигналов.Уменьшение уровня ложных сигналов и, следовательно, порога чувствительности достигается за счет образования электрически развязанно 1 акустической цепи обратной связи автогенератора 13 путем введения дополнительного преобразователя 7 и отражателя 6, расположенного на упругом элементе 4, Степень снижения порога чувствительности зависит от выбора расстояния при выполнении условия одночастотности возбуждения автогенератора 13 (ач/2 Ь Хпр),Кроме того, снижение порога чувствительности обеспечивается выбором толщины согласующих слоев 9 и 10, преобразователей 7 и 8 равной п А/2.В результате согласующие слои выполняют роль селективного акустического фильтра.Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий чувствительный элемент и первый пьезоэлектрический преобразователь, причем внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью, о т л ич а ю щ и й с я тем;что, с целью повышения чувствительности, в него дополнительно 5 введены второй пьезоэлектрический преобразователь, уголковый отражатель, выполненный в виде вогнутой прямоугольной призмы, угол между отражающими поверхностями которой равен 90 и автогенератор, 10 при этом уголковый отражатель установленна упругом чувствительном элементе, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи установлены в корпусе в одной плоскости симметрично относительно 15 плоскости, проходящей через ребро отражателя перпендикулярно плоскости расположения преобразователей, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи подключены соответственно к входу и к 20 выходу цепи обратной связи автогенератора, при этом расстояние Е от ребра отражателя до плоскости, в которой расположены пьезоэлектрические преобразователи выбрано в соответствии с 25 условием к8ггде ч - скорость звука в жидкости;1 - частота автогенератора;К - коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрического преобразователя с жидкостью.