Пьезоэлектрический датчик для измерения быстропеременного давления газа или жидкости
PIEZOELECTRIC SENSOR FOR MEASURING QUICK-CHANGING GAS OR LIQUID PRESSURE

Изобретение относится к средствам измерения, в частности к пьезоэлектрическим датчикам давления, в конструкции которых используется пьезоэлемент.
Одно из основных требований к таким датчикам - наличие предварительного сжатия пьезоэлемента и минимальная деформация мембраны, воспринимающей давление измеряемой среды. Детали, передающие усилие от давления среды на пьезоэлемент, должны образовывать неразрывную кинематическую цепь. Датчик должен быть герметизирован от измеряемой среды. Изменения температуры должны как можно меньше влиять на его характеристики. Масса деталей, соединенных с пьезоэлементом, должна быть минимальна для обеспечения широкой полосы пропускания высоких частот, габаритные размеры должны быть минимальны, для возможности использования датчика в различных адаптерах.
Наиболее близким по технической сущности и назначению является пьезоэлектрический датчик давления ЛДК-03 описанный академиком Б.С. Стечкиным (Стечкин Б.С. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя / Б.С. Стечкин, К.И. Генкин, B.C. Золотаревский [и др.]. - М.: АН СССР, 1960. - 200 с., с. 164-167). Датчик содержит корпус, мембрану, жестко закрепленную в корпусе, по меньшей мере один пьезоэлемент, расположенный в корпусе, цепь деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, цепь деталей и упругий элемент, создающие предварительное сжатие пьезоэлемента.
Недостатками известного датчика ЛДК-03 являются: большие габаритные размеры, обусловленные конструкцией, содержащей большое количество деталей. Это делает невозможным совмещение его в одном корпусе со свечей зажигания. Деталью, обеспечивающей предварительное сжатие пьезоэлемента, является латунный стаканчик. Коэффициенты температурного расширения латуни и стали различны, это приводит к изменению усилия предварительного сжатия пьезоэлемента при изменении температуры, что, в свою очередь, приводит к изменению чувствительности датчика. В известном датчике давления минимальная деформация мембраны и неразрывность кинематической цепи передачи усилия от давления газов на пьезоэлемент обеспечивается за счет крепления мембраны к латунному стаканчику болтом. Это снижает надежность герметизации внутренней полости датчика от измеряемой среды.
Задача изобретения - разработка пьезоэлектрического датчика для измерения быстропеременного давления газа или жидкости с минимальными габаритно-установочными размерами, имеющего высокий верхний предел полосы пропускаемых частот и минимально подверженного температурным влияниям.
Ожидаемый технический результат - возможность точного измерения быстропеременного давления газа, например, в ПДВС в процессе его работы, без предварительной доработки объекта исследования, за счет совмещения датчика давления со свечами зажигания или свечами накаливания. Этот датчик также актуален для установки в камеру ЦНИТА при анализе расходных характеристик форсунок.
Предлагаемый пьезоэлектрический датчик для измерения быстропеременного давления газа или жидкости, содержащий корпус, мембрану, жестко закрепленную в корпусе, по меньшей мере один пьезоэлемент, расположенный в корпусе, цепь деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, упругий элемент и цепь деталей, создающие предварительное сжатие пьезоэлемента, при этом корпус выполнен из по меньшей мере двух частей, между которыми вваривается наружным кольцевым герметичным швом мембрана, неразрывность кинематической цепи деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, обеспечивается их пайкой и/или сваркой между собой при сборке датчика, размерная цепь деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, замыкается, когда изначальный зазор между ними выбирается за счет деформации упругого элемента, мембрана при этом остается в недеформированном состоянии, упругий элемент, создающий предварительное сжатие пьезоэлемента, выполнен в виде пружинной шайбы, в размерной цепи деталей, осуществляющих предварительное сжатие пьезоэлемента, по меньшей мере одна выполнена из материала, который компенсирует изменение усилия предварительного сжатия пьезоэлемента при изменении температуры датчика.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг 1.
Пьезоэлектрический датчик для измерения быстропеременного давления газа или жидкости содержит резьбовую пробку (1), корпус, состоящий из трех частей - верхняя (2), средняя (9) и нижняя часть корпуса (12). Мембрана (11), с предварительно припаянным высокотемпературным припоем (П1) нижним толкателем (10), зажимается между частями корпуса (12) и (9) и обваривается снаружи герметичным кольцевым швом (П2). Пружинная шайба (7) зажимается между частями корпуса (2) и (9) и также обваривается снаружи кольцевым швом (П2). Внутри верхней части корпуса (2) размещаются верхний толкатель (8), пьезоэлемент (6) с радиальным изолятором (5), электрод (4) с предварительно припаянным к нему коаксиальным кабелем, осевой изолятор (3) и резьбовая пробка (1). Изначально размерная цепочка деталей рассчитана так, что между верхним толкателем (8) и нижним толкателем (10) имеется зазор. При закручивании пробки (1) за счет деформации пружинной шайбы (7) зазор выбирается и в этом положении детали (8) и (10) свариваются (П3) через окно в средней части корпуса (9), мембрана (11) при этом остается в недеформированном состоянии. За счет деформации детали (7) обеспечивается предварительное сжатие пьезоэлемента (6). Сваркой деталей (8) и (11) обеспечивается неразрывность кинематической цепочки деталей, передающих усилие от давления газов на пьезоэлемент. Электрод (4) изготавливается из материала, который компенсирует температурные деформации других деталей датчика, таким образом обеспечивается постоянное усилие предварительного сжатия пьезоэлемента. Датчик монтируется в адаптере при помощи резьбы М5×0,5, выполненной в нижней части корпуса (12).
Ожидаемый технический результат достигается за счет того, что пьезоэлектрический датчик для измерения быстропеременного давления газа или жидкости, изготавливается с корпусом, состоящим по меньшей мере из двух деталей. В процессе изготовления мембрана зажимается между частями корпуса и обваривается герметичным кольцевым наружным швом, при этом мембрана не имеет нарушения целостности воспринимающей давление среды поверхности, что повышает надежность герметизации датчика. Неразрывность кинематической цепи деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, обеспечивается их пайкой и сваркой между собой при сборке датчика. Размерная цепь деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, замыкается за счет сварки толкателей лазерной сваркой через отверстия в корпусе, когда изначальный зазор между ними выбирается за счет деформации пружинной шайбы, мембрана при этом остается в недеформированном состоянии. Упругий элемент, создающий предварительное сжатие пьезоэлемента, выполнен в виде пружинной шайбы, которая при сборке датчика зажимается между верхней и средней частями корпуса и обваривается кольцевым швом. В размерной цепи деталей, осуществляющих предварительное сжатие пьезоэлемента, электрод выполнен из инвара, это компенсирует изменение усилия предварительного сжатия пьезоэлемента при изменении температуры датчика.
В предложенном пьезоэлектрическом датчике для измерения быстропеременного давления газа или жидкости использованы следующие конструктивные особенности:
При изготовлении датчика мембрана зажимается между частями корпуса и обваривается кольцевым герметичным швом, целостность поверхности мембраны, воспринимающей давление, при этом не нарушается. Это повышает надежность герметизации датчика и позволяет минимизировать его размеры. Неразрывность кинематической цепи деталей, передающих усилие от давления среды на пьезоэлемент, обеспечивается их пайкой и сваркой между собой при сборке датчика. Ненапряженное состояние мембраны обеспечивается тем, что кинематическая цепь деталей, передающих усилие от давления газов на пьезоэлемент, замыкается (сваривается) в момент выборки изначального зазора за счет деформации пружинной шайбы. В качестве элемента, создающего предварительную деформацию пьезоэлемента, используется пружинная шайба, что также позволяет минимизировать размеры датчика. Для минимизации влияния температуры на чувствительность датчика в размерной цепи деталей, осуществляющих предварительное сжатие пьезоэлемента, электрод выполнен из инвара.
Малые размеры датчика - высота 14,8 мм, диаметр 4,6 мм - позволяют устанавливать его в одном адаптере со свечей зажигания или вместо свечи накаливания, или в камеру ЦНИТА. Малые размеры датчика соответствуют малым массам деталей, что повышает собственную частоту механических колебаний.
Пьезоэлектрический датчик для измерения быстропеременного давления газа или жидкости работает следующим образом. Газ или жидкость воздействуют на мембрану (11). Усилие от давления газа передается через нижний (10) и верхний (8) толкатели на пьезоэлемент (6), что приводит к генерации заряда. Один полюс пьезоэлемента через верхний толкатель (8) соединен с корпусом датчика и экраном коаксиального кабеля, другой полюс через электрод (4) соединен с центральной жилой коаксиального кабеля. Далее коаксиальный кабель подключается к усилителю заряда.