Измерительный преобразователь давления

(51)5 0 01 Р 5 Е ИЗОБ Т И ПИСА ВИДЕТЕЛ ЬСТВ К АВТОРСКО О/10 Изобретение рольно-измерител к приборам для иэ поненты турбулен потока жидкости одновременного потока двух или ных компонент скорости,Целью изобреие точности иэмувствительностиессе работы,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 50686, кл. 6 01 Р 5/04, 1936,Авторское свидетельство СССР1 Ф 1223150, кл, 6 01 Р 5/14, 1984.Авторское свидетельство СССРМ 1514088, кл, 6 01 Р 5/02, 1987.(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений путем контроля чувствительности преобразователя давления в процессе работы. Общий электрод и составной электрод в виде пар элементов расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента соответственно. Электроды каждой пары элементов составотносится к области контьной техники, в частности мерения продольной комтных пульсаций скорости или газа, приборам для измерения в одной точке трех взаимно ортогональтурбулентных пульсаций ния является повышеений путем контроля еобраэователя в про 01 1 9/08; В 06 В 1/06 ного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно другдруга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов. Дополнительные электроды расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента, Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента. Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. По изменению коэффициента передачи судят об изменении чувствительности преобразователя. 4 ил,На фиг, 1 приведена конструкция измерительного преобразователя давлений; на фиг, 2 - выполнение электродов в измерителе скоростного напора потока; на фиг, 3 - то же, в измерителе мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций скорости потока; на фиг, 4 - то же, в измерителе поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости потока.Измерительный преобразователь давления содержит корпус 1, пьезоэлемент 2, общий электрод 3 и составной электрод в виде пар элементов 4, 5. Общий и составной электроды расположены на внешней и внут 16243315 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ренней поверхностях пьезоэлемента 2, Внешняя поверхность пьезоэлемента защищена термозащитным покрытием 6. Электроды каждой пары 4, 5 составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента 2. На внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены также пары дополнительных электродов 7, Дополнительные электроды 7 расположены внутри элементов составного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электрода поверхности пьезоэлемента 2. Электроды каждой пары электрически связаны с парафазными выходами генератора 8 опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента 2, Суммарные электрические емкости между каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары. В корпусе 1 расположены встречный усилитель 9 и блок управления уровнем выходного сигнала генератора 10.Преобразователь может выполняться различных типов,Измеритель пульсаций скоростного напора потока содержит одну пару 4 элементов составного электрода и две пары дополнительных электродов 7.Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, элементы составного электрода расположены коаксиально и имеют вид сферического пояса и сферического сегмента соответственно.При контроле чувствительности пьезопреобразователя с обоих парафазных выходов генератора 8 на дополнительные электроды 7 подается электрический сигнал равных уровней Ек 1 и Ек 2 и взаимно противоположной полярности. В силу обратного пьезоэффекта в области пьезоэлемента под дополнительными электродами возбуждаются механические колебания разных знаков, которые в силу упругости пьезоматериала передаются в области пьезоэлемента под элементами составного электрода 4, где в силу прямого пьезоэффекта вновь преобразуются в электрический сигнал Е одного знака. При таком двойном преобразовании и при неизменяемой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразования Кл зависит от квадрата пьезомодуля материала б .Равенство площадей дополнительных электродов и их симметричное размещение относительно сечения пьезоэлемента, проходящего по линиям к нулевой поляризации, располагающимся между областями пьезоэлемента под составным электродом, обеспечивает равенство механической энергии возбуждения в областях под дополнительными электродами.Для компенсации емкостной связи между дополнительными электродами и составным электродом поляризация областей под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы с генератора 8 на каждый дополнительный электрод пары - взаимно противоположного знака, что при равенстве электрических емкостей между дополнительными электродами и элементами составного электрода позволяет полностью скомпенсировать электрическую составляющую в передаче энергии между ними. Коэффициент передачи К, будет определяться только значением квадрата пьезомодуля б, который характеризует чувствительность пьезопреобразователя.Таким образом, по изменению коэффициента передачи Кг в цепи контроля можно судить об изменении чувствительности пье. зопреобразователя непосредственно в процессе проведения измерений.Изготовленный пьезопреобразователь помещают в поток с известным значением пульсаций скоростного напора потока рОО, где; р - плотность среды, О - средняя скорость потока, О - продольная компонента пульсаций скорости потока, и измеряют уровень выходного электрического сигнала с пьезопреобразователя Ес.Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора 8 с уровнем Е, при котором уровень выходного сигнала с пьезопреобразователя опять будет равен Ес. Находят коэффициент электромеханического эквивалента А по формулед УиЕВ дальнейшем при градуировке пьезопреобразователя уровни задаваемых пульсаций скоростного напора можно заменить уровнями задаваемых Е, при этом шкала сопоставляемых величин - линейная,Измеритель мгновенного значения вектора турбулентных пульсаций содержит две пары элементов 4, 5 составного электрода, рабочий электрод 10 и одну пару дополнительных электродов 7.Пьезоэлемент в нем выполнен в виде части сферы, рабочий электрод и составной электрод расположены аксиально, Рабочий электрод 10 выполнен в виде сферического сегмента с углом раскрыва 01, Элементы со 1624331ставного электрода имеют вид четырех равных частей сферического пояса, ограниченного граничными углами раскрыва 02 иОз . Углы удовлетворяют условию0 0142 +05 % 50 +05Дополнительные электроды имеют вид двух равных частей сферического пояса с граничными углами раскрыва 04 и 65 и расположены аксиально составному электроду, Каждый дополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над областями пьезоэлемента с противоположной по знаку поляризацией или областями с одинаковым знаком поляризации (в первом случае дополнительные электроды расположены над областями пьезоэлемента с противоположными по знаку поляризациями), Углы 04 и 05 удовлетворяютт условию 010490 .Турбулентные пульсации скоростного напора потока воздействуют на пьезоэлемент 2 и генерируют на нем электрические заряды, причем разделение сигналов по компонентам турбулентных пульсаций скорости происходит на самом пьезоэлементе благодаря конструкции элементов составного электрода и рабочего электрода, их размещению, знакам поляризации областей пьезоэлемента и электрическому соединению этих электродов, Электрические заряды от продольной компоненты турбулентных пульсаций скорости(канал 1) будут нескомпенсированы лишь на рабочем электроде 10 (фиг, 2), а на парах элементов составного электрода 4, 5 эти сигналы будут электрически скомпенсированы, благодаря противофазному соединению этих электродов, Величина электрического заряда3Олрод, от воздействия продольной компоненты описывается выражениемОпрод.=А 1 РО О Е(01),где А 1 - коэффициент преобразования, зависящий от пьезосвойств материала (пьезомодуля б);р - плотность среды;0 - средняя скорость потока;0 - продольная компонента ТПС;Е(01) - коэффициент формы и размеров рабочего электрода,Для поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости (каналы 2 и 3) электрические заряды О 2 и Оз на соответствующих парах элементов составного электрода 4 и 5 будут нескомпенсированы, причем величина электрического заряда на них описывается выражением 6 - Ао р О Ч Ф(6, Ж),Ь=А р О ЧЧ Ф(%,Ы, ходного сигнала канала 1 установится равным Ес, что эквивалентно воздействию на пьезоэлемент пульсаций скоростного напора потока рОО известного уровня,Для контроля чувствительности пьеэопреобразователя по каналам измерения поперечных компонент (каналы 2 и 3) оба 45 дополнительных электрода соединяют с одним выходом генератора и проводят аналогичные операции. 50 Проверка разбаланса по электрическим емкостям между дополнительными электродами и элементами составного электрода проводится соединением выводов обеих пар элементов составного электрода и измерением уровня сигнала разбаланса при установленном уровне сигнала генератора, каждый дополнительный электрод подклю 55 где Ч, Оl - взаимно ортогональные поперечные компоненты ТПС.При изотропной турбулентности7 = Я среднеквадратические значе ния величины заряда по каналам 2 и 3 будутравны. Нормировка измерительных каналов 1 - 3 определяется равенством частотной характеристики каналов и подбором коэффициента усиления канала измерения 10 продольной компоненты турбулентныхпульсаций скорости (канал 1) с использованием соотношения А 1 Е(В 1) = А," х Ф(6, Оз).При выбранных размерах элементов 15 составного электрода по условию равенства частотных характеристик каналов Е(01 )= сопзт, Фф, А) =сопэ 1. Таким образом, величина электрического заряда на электродах пьезоэлемента, а следовательно, чувствительность Ь пьеэопреобразователя определяются свойствами пьезоматериала (его пьезомодулем б) и для каждого канала измерений могут быть определены при помещении пьеэопреобразователя в поток с известными значениями компонент турбулентных пульсаций скорости (рОО, р ОЧ, р ООl) путем измерения уровней выходных сигналов по каждому измерительному каналу Ес 1, Ес 2 Есз и сопоставления его с уровнем заданных ТПС по компонентам 1 - 3,Расчет проводится по формулам 35При контроле чувствительности пьеэопреобразователя по каналу продольной компоненты (канал 1) выходы генератора подключают к разным дополнительным 40электродам и устанавливают уровень сигнала генератора Ек, при котором уровень вы 162433 1чают к соответствующему выходу генератора,Получен н ые соотношения между уровнем сигнала генератора Ек и уровнями выходного сигнала каналов Ес 1,определяющие величину турбулентныхпульсаций скорости по компонентам при известных значениях плотности потока р и егосредней скорости О, используют в дальнейшем для контроля чувствительности пьезопреобразователя по всем каналамизмерений.Коэффициент преобразования по цепиконтроля зависит от квадрата пьезомодуляО материала, так как при этом используются и прямой и обратный пьезоэффекты, торасчет относительного изменения чувствительности пьезопреобразователя 13 поканалам непосредственно в процессе измерений произво ится по формуле651= ЬК 1 (1=1,2,3),где ЬК - относительное изменение коэффициента преобразования по цепи контроля.Измеритель поперечных компонентпульсаций скорости потока содержит двепары элементов 4, 5 составного электрода 4,5, одну пару дополнительных электродов 7.Пьезоэлемент в нем имеет вид частисферы, составной электрод выполнен в видесферического сегмента с граничными углами раскрыва 01 и бг, удовлетворяющими условиюсов 01 + сов 6 + сов 01 сов % =3где 001%63,Элементы составного электрода имеютвид четырех равных частей сферическогопояса,Дополнительные электроды 7 имеютвид двух равных частей сферического сегмента с углом раскрыва %, удовлетворяющим условию 0Ь 01 . Каждыйдополнительный электрод граничит с элементами составного электрода, расположенными над областями пьезоэлемента содинаковой по знаку поляризацией. Дополнительные и составной электроды расположены коаксиально.При контроле чувствительности пьезопреобразователя с обоих парафазных выходов генератора на дополнительные электроды 7 подаются электрические сигналыравных уровней Ек 1 и Екг, но противоположных по фазе. В силу обратного пьезоэффекта в области пьезоэлемента под КЗвозбуждаются механические колебанияразных знаков, которые в силу упругостипьезоматериала передаются в области пьезоэлемента под элементами составного 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 электрода 4 и 5, в силу прямого пьезоэффекта вновь преобразуются в электрические сигналы Ес 1 и Есг, снимаемые с каждой пары рабочих электродов,При таком двойном преобразовании и при неизменяемой геометрии и расположении дополнительных электродов коэффициент преобразования Кп уровня электрического сигнала на них Ек и уровни электрического сигнала на каждой паре элементов составного электрода Ес 1 и Есг эа. висят лишь от квадрата пьезомодулв материала О и могут быть вычислены погформулеЕс 1 ЕсгКп 1= Е, Кпг =К КДля компенсации емкостной связи между дополнительными электродами и составным электродом поляризация областей пьезоэлемента под дополнительными электродами выбрана одного знака, а сигналы на эти электроды подаются в противофазе, что позволяет скомпенсировать передачу энергии между электродами за счет емкостей связи и при этом коэффициент Кп будет определяться только значением квадрата пьезомодуля б материала, который харакгтеризует чувствительность пьезопреобраэователя.По изменению Кл можно судить об изменении пьезомодуля О материала и, следовательно, об изменении чувствительности пьезопреобразователя.Начальное значение чувствительности пьезопреобразователя получают при его первичной градуировке, Изготовленный пьезопреобразователь помещают в поток с известным значением произведения средней скорости потока О на величину поперечных компонент ТПС Ч, Ю при известной плотности потока р и измеряют уровень выходного сигнала с каждой пары элементов составного электрода Ес 1, Есг.Затем на дополнительные электроды подают сигнал с генератора уровнем Ек, при котором уровень выходного сигнала с пьезопреобразователя вновь будет равен Ес 1 и Есг.Находят коэффициенты электромеханического эквивалента А 1 и Аг для обоих измерительных каналов по формуламочкЕкВ дальнейшем при градуировке измерительных каналов пьезопреобразователя уровни задаваемых поперечных компонент пульсаций скорости потока можно заменить уровнями задаваемых Ек, шкала сопоставляемых величин линейна по отношению к1 Ь 24331 10 Е фиг. 1 проведению средней скорости потока на любую из поперечных компонент турбулентных пульсаций скорости,Формула изобретения Измерительный преобразователь давления, содержащий корпус, пьезоэлемент, общий электрод, составной электрод в виде пар элементов, причем общий и составной электроды расположены на внешней и внутренней поверхностях пьезоэлемента, а эле,менты каждой пары составного электрода электрически связаны между собой и размещены симметрично относительно друг друга на противоположных по знаку поляризации областях пьезоэлемента, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений путем контроля чувствительности в процессе работы, на внутреннюю поверхность пьезоэлемента нанесены пары дополнительных электродов, а внутри корпуса размещен генератор опорного синусоидального сигнала, причем дополнительные 5 электроды расположены внутри элементовсоставного электрода или нанесены на примыкающие к элементам составного электродд поверхности пьезоэлемента, дополнительные электроды каждой пары 10 электрически связаны с парафазными выходами генератора опорного синусоидального сигнала и размещены симметрично относительно друг друга на одинаковых по знаку поляризации областях пьезоэлемента, а 15 суммарные электрические емкостимежду каждым дополнительным электродом и всеми элементами составного электрода равны между собой для каждой пары,201624331 оставитель И. Игумноваехред М,Моргентал Корр едактор О. Спесивы М.Демчик водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10ц ц аказ 184 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изобрете 113035, Москва, Ж, Раушска