Датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19 1 3 11 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКО ВИДЕТЕЛЬСТВ номемнывф(56) Авторское свидетельство СССРМ 297883, кл, 6 01 1 9/08, 1971.У. Мззон. Методы и приборы ультразвуковых исследований, М 1966, ч. А, т. 1, стр.337-340,Авторское свидетельство СССРКг 1700400 по заявке 4712565/10,кл. 6 0111/10, от 03.07.89 - прототип.(57) Изобретение относится к приборостроению, в частности к ультразвуковым датчикам давления с частотным выходом, и можетбыть использовано для измерения абсолютного и вакуумметрического давления жидкостей и газов, а также герметичностиразличных закрытых систем в автомобилестроении, авиационной и медицинской технике, Использование изобретенияувеличивает точность измеряемого давления, что обеспечивает точную количественную оценку, например, степень натекания (герметичности) различных закрытых систем, Это достигается за счет улучшения одночастотно го режима работы автогенератора датчика давления путем уменьшения уровня ложных сигналов в акустической цепи обратной связи и улучшения селективности автогенератора в результате использования узкополосного фильтра в цепи автогенератора. Цепь акустической обратной связи автогенератора образована пьезоэлектрическими преобразователями 7. 8 (пьезопластинами), акустической призмой 5, жидкостью 6, мембраной 4. Пьезоэлектрические преобразователи 7, 8 размещены на наклонных гранях призмы 5, расположенных подуглами а,р, д к ее основанию. Причем акустическая призма 5 ус- Я тановлена на дне корпуса 1 напротив отражающей поверхности мембраны 4 таким образом, что ее основание расположед углом ак отражающей поверхностираны 4, при этом углы а,ф, д выбраопределенных условий, приведенныхмуле изобретения, 3 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к приборостроению, в частности к ультразвуковым датчикам давления с частотным выходом, и может найти применение в различных контрольноизмерительных устройствах, например, для контроля герметичности систем в автомобильной, авиационной технике,Известный ультразвуковой датчик давления, состоящийиз корпуса, частично заполнейного жидкостью, упругого элемента (сильфона), пьезоэлектрического преобразователя, размещенного на дне корпуса напротив сил ьфона и электрической измерительной схемы, являющейся устройством обработки информации. Работа устройства основана на эффекте зависимости амплитуды выходного эхо-сигнала отраженной ультразвуковой волны от дна сильфона, в зависимости от перемещения упругого элемента дна сильфона) при изменении давления внутри сильфона. Основным недостатком устройства является низкая точность из-за использования амплитудного метода для оценки величины воздействующего на упругий элемент давления, которая составляет порядка нескольких процентов.Наиболее близким к изобретению является датчик давления с частотным выходом, состоящий из корпуса, частично заполненного жидкостью, упругого элемента (мембраны), расположенного в корпусе, напротив его дна, выполненного выпуклым в виде двух плоскостей, расположенных под некоторым углом к плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности мембраны, двух пьезоэлектрических преобразователей, расположенных на соответствующих наклонных гранях, автогенератора, в цепи обратной связи ОС) которого включены преобразователи. Работа устройства осно. вана на зависимости частоты выходного сигнала автогенератора от времени задержки прохождения акустической волны от одного преобразователя до другого в цепи ОС автогенератора, при смещении мембраны в результате воздействия на него внешнего давления. Датчик обладает чувствительностью к внешнему воздействующему давлению, однако близкое расположение пьезоэлементов друг к другу и большое различие между импедансами жидкости и пьезопреобразователей приводит к большой величине ложных сигналов, которые нарушают одночастотный режим работы автогенератора и, следовательно, приводят к снижению точности определения давления. Даже принятием специальных мер, а именно, загрублением поверхностей в области расположения пьезоэлектрических преобразователей, не удается полностью избавиться от ложных сигналов (максимальный уровень подавления составляет 15-20 дБ), т.е. одновременно происходит уменьшение амплитуды основного сигнала,Цель изобретения - увеличение точности измерения давления.Предлагаемый датчик давления схематично изображен на фиг, 1 и состоит из корпуса 1 со штуцерами 2 и 3, упругого элемента 4, например, мембраны, разделяющей объем корпуса на две чэсги, причем внутренний объем корпуса соединен через входной штуцер 2 с обьемом объекта. где измеряется давление, акустической призмы 5, располагаемой на дне корпуса 1,жидкости 6, заполняющей объем корпуса между упругим элементом 4 и акустической призмой 5, пьезоэлектрических преобразователей 7, 8, выполненных в виде пьезопластин с электродами, которые располагаются на соответствующих боковых наклонных гранях призмы 5, при этом основание наклонной акустической призмы 5 расположено под углом а к отражающей поверхности упругого элемента 4, а наклонные грани призмы расположены под углами, выбранными из соотношения (см, фиг. 2). а- (агсзи 1/К) - агсяпяп ), 1 1 4 О = эгсзпК зп2 а + агсзе ( - яп Р,К д. К= "РУ ,ч - скоРость продольной акустической волны в жидкости, м/с,ч Р - скорость продольной акустической волны в призме, м/с.,автогенератора 9, в цепи акустической положительной обратной связи которого в качестве частотно-зависимого элемента включена акустическая цепь, состоящая из пьезоэлектрических пластин 7, 8 с металлическими электродами 10, 11, 12, 13, жидкости б и упругого элемента 4, Автогенерэтор 9 выбран по схеме резонансного усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи, для сохранения необходимой селективности датчика, Электрическая схема автогенератора показана на фиг. 3, Автогенератор состоит из каскадно включенных резонансного усилителя, выполненного на транзисторе Т 1, с резонансным контуром в цепи коллектора Тр, С 2, настроенным нэ резонансную частоту пьезоплэстин 7, 8, и эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе Т 2. Элементы В 1, В 2, ВЗ, В 4, В 5, Вб предназначены для работы транзисто 177079211+12 з Чпризм 15 2 призмы = 2 преобр. 2 ж ров Т 1 и Т 2 в режиме постоянного тока, а С 1, С 4, С 5 - разделительные конденсаторы, Конденсатор СЗ образует цепь отрицательной обратной связи по переменному току у транзистора Т 1 и определяет коэффициент усиления резонансного усилителя, На входе резонансного усилителя и на выходе эмиттерного повторителя непосредственно подключены пьезоэлементы 7 и 8 частотно-зависимой регулируемой по времени задеожки цепи ОС, образующей цепь положительной ОС автогенератора 9, Датчик давления работает следующим образом. После подачи напряжения питания от внешнего источника напряжения на автогенератор 9 он возбуждается за счет выполнения условия самовоэбуждения и при наличии положительной обратной связи (ОС), Цепь обратной связи включает в себя ультразвуковую линию задержки, выполненную из пьезоэлектрических пластин 8, 7, с электродами 10, 11, 12, 13, акустической призмы 5, жидкости б и отражающего упругого элемента (мембраны) 4.Акустическая волна продольной поляризации, возбуждаемая пьезопластиной 7, распространяется по акустической призме 5 в сторону ее основания, где претерпевает преломление по закону Снеллиуса на угол у при переходе границы между твердой поверхностью призмы 5 и жидкостью б и далее распространяется в жидкость б до отражающей поверхности мембраны 4, фиг. 2,Так как акустический импеданс акустической призмы 5 выбран равным гДе 2 преебр - акУстический импеДанс пРеобразователя;2 ж - акустический импеданс жидкости, то часть акустической энергии проходит через границу в жидкость.Далее акустическая волна, пройдя сквозь жидкость, полностью отражается от плоской ПОВЕрХНОСтИ МЕМбраНЫ 4, т, К, 2 мембраны 2 ж, И снова попадает на основание акустической призмы 5 со стороны жидкости б и после преломления под углом д к основанию попадает на пьезопластину 8 и затем на вход усилителя автогенератора 9, Таким образом замыкается цепь положительной обратной связи автогенератора 9, При изменении давления в штуцера 2, соединенным с обьемом, где измеряется давление, происходит прогиб мембраны 4, а следовательно, изменяется длина пути, пройденного акустической волной от одной пьезопластины до другой, и время задержки цепи ОС автоге 20 25 30 35 40 45 50 55 нератора 9. При этом частота выходного сигнала автогенератора 9, т.е, датчика давления, будет изменяться обратно пропорционально изменению времени задержки Т, и прямо пропорционально давле- нию 11 дат - иТгде и - коэффициент пропорциональности,11, Ь, э - расстояния, проходимые акустической волной соответственно в акустической призме и жидкости,нпризм. - скорость акустической волны в призме,Для соблюдения условия одночастотности работы автогенератора он выполнен по схеме резонансного усилителя, охваченного цепью положительной ОС, что обеспечивает необходимый резонансный коэффициент усиления усилителя и одновременно высокую добротность его колебательного контура и необходимую полосу пропускания.Для уменьшения изрезанности амплитудно-частотной характеристики цепи ОС автогенератора, вызванной наличием мно. гократных переотражений акустической волны между мембраной 4 и основанием призмы 5, последняя размещена относительно отражающей поверхности мембраны 4, таким образом, что основание призмы 5 составляет угол а с отражающей поверхностью мембраны 4.В результате после второго отражения ультразвуковой волны от мембраны она попадает на плоскость основания акустической линзы под углом 4 а+у, равным или большим критического угла преломления (согласно закону Снеллиуса) и. следовательно, не попадает на пьезопластину 8.Угол а находится при условии, что волновой фронт прошедшей основной задержанной акустической волны, падающей на приемный преобразователь, должен быть параллелен наклонной поверхности призмы, где размещен этот пьезоэлектрический преобразователь, и определяется из соотношенийа4 1(агсзв 1 К) - эгси 1(у фР)11 1 д =агсзи К з 1 п (2 а+ агсзп ( - зев,1770792 При соблюдении полученных условий для углов а, д.,В устраняется одна из основных причин мелкой структурной изрезанности РЧХ цепи ОС, т,е, на выходе будут отсутствовать ложные сигналы,Таким образом, для выходного сигнала автогенератора вида Так как у нас полностью устраняетсяпрохождение ложных сигналов за счет введения угла а, равного или большего критического угла. для падающих на призму со 5 стороны жидкости ложных сигналов, то погрешность, вносимая ложными сигналами в измерение давления, практически полностью устраняется и определяется в основном точностью определения времени 10 задержки(ФАЗЫ) основного сигнала в цепиОС.В результате повышается точность определения давления датчиком. Кроме того, улучшаются условия одночастотного режи ма работы автогенератора и, следовательно, стабильность его работы. вВ ввв вв(СО 5 ВВТвв 5 в вВ ВвВТв 1 в Иа. 6;(свввит,в 1 ви ввт;,11=0вв Н 1 где То - время задержки основного сигнала,Т+1 - время задержки ложных сигналов, 1= 0, 1,2,.,в - круговая частота;Ао, А+1 - аМПЛИтуди ОСНОВНОГО И ЛОжных сигналов, частота которого находится из выражения ф ормула изобретения 20 Датчик давления, содержащий заполненный жидкостью корпус с дном, установленный в корпусе упругий чувствительный элемент и два пьезоэлектрических преоб разователя, включенные в цепь обратной свя зи автогенератора, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью увеличения точности, в него введена акустическая призма, установленная в дне корпуса и обращенная своим основанием к поверхности упругого элемента, 30 контактирующей жидкостью, при этом основание призмы расположено под углом а к плоскости поверхности упругого элемента, а боковые грани призмы выполнены под углами,Ви д к основанию призмы и на них 35 установлены пьезоэлектрические преобразователи, причем величины углов а, 3 и д выбраны из условий 1аЬсо = К 1То где К 1- коэффициент пропорциональности,абсолютная и относительная ошибки частоты, определяющие точность фиксации давления, будут равны соответственно 2 ЛТ Т 2д = агсз 1 пКз 1 п2 а + агсз 1 п ( - з 1 и Д,1К 45 чпгде К= - Е-чар- скорость продольной акустическойволны в призме, м/с;чж - скорость продольной акустической50 волны в жидкости, м/с,Отсюда видно, что чем меньше амплитуда ложных сигналов А 1 А(ч относительно амплитуды основного сигнала Ао, тем меньше вклад в ошибку будут вносить ложные сигналы,где фаза результирующего выходного сигнала р определяется выражением 40 а- (агсз 1 п 1/К) - агс 31 п ( Рп Д ),17707 с 2 4 кустичес ФГ ставитель А.Поваренред М,Моргентал ГРедактор Т.Шагова Тех Корректор Т,Палий аз 3734 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г;ужгород, ул.Гагарина, 10