ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДАТЧИК ИМПУЛЬСНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к измерению импульсных и быстропеременных давлений в твердых, жидких и газообразных высокотемпературных средах, и может быть использована для измерений в условиях воздействия электрических помех.
Известен волноводный датчик импульсных давлений /патент RU 2241212, МПК G01L 9/08, опубл. 2002 г./, содержащий два волновода различной длины, разделенных пьезоэлектрическим элементом. При этом, для расширения диапазона измерения импульсного давления и экранирования датчика от внешнего электромагнитного излучения, чувствительный элемент расположен между приемным и опорным акустическими волноводами, имеющими различное сечение, а акустическое сопротивление опорного волновода равномерно убывает от торца, соприкасающегося с пьезоэлектрической таблеткой.
Недостатком известного датчика является низкая помехозащищенность от электрических помех из-за наличия гальванической или емкостной связи чувствительного элемента с волноводом и невозможностью применения в среде с повышенной температурой, обусловленной большой теплопроводностью между приемным волноводом и чувствительным элементом.
Известен датчик давления /А.с. SU 1383120, МПК G01L 9/08, опубл. 23.03.1988, Бюл. №11/, содержащий корпус с мембраной, втулку, заполненную фиксирующим составом, которая опирается на пьезоэлектрический элемент. Для снижения температурной погрешности фиксирующий состав типа К300, К400 служит дополнительной теплоизоляцией пьезоэлемента.
Недостатком датчика является: низкая собственная частота, определяемая наличием передаточной мембраны и фиксирующего виброгасящего состава между пьезоэлементом и элементами датчика, передающими импульс давления, а также относительно большая теплопроводность между корпусом и пьезоэлементом, что делает невозможным использование датчика при высоких температурах измеряемой среды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является датчик импульсных давлений /патент RU 2314504, МПК G01L 9/08, опубл. 2008 г./, в котором акустический волновод выполнен из двух участков разного сечения, а чувствительный элемент расположен на приемной части волновода с меньшим сечением относительно опорной части. Для регистрации импульсных давлений в среде с повышенной температурой, чувствительный элемент расположен у основания приемной части волновода и охлаждается хладагентом.
Недостатком датчика является: наличие теплового контакта чувствительного элемента с приемным волноводом, что ограничивает его применение в условиях высоких температур и низкая помехоустойчивость, которая определяется емкостной связью чувствительного элемента с волноводом.
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, заключается в создании датчика для измерения импульсного давления в среде с повышенной температурой, обладающего высокой помехоустойчивостью.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике импульсных давлений, содержащем приемный акустический волновод и чувствительный элемент, согласно полезной модели датчик снабжен камерой, заполненной диэлектрической жидкостью, с одной стороны которой установлен приемный цилиндрический волновод, а на противоположном конце - чувствительный элемент.
Кроме того, камера выполнена из теплопроводящего материала с ребристой внешней поверхностью, и камера снабжена двумя отверстиями для циркуляции рабочей жидкости.
Наличие у такого датчика, камеры, заполненной диэлектрической несжимаемой жидкостью, позволяет повысить помехозащищенность датчика обеспечить развязку измерительных цепей чувствительного элемента от объекта измерения, который может находиться под высоковольтным потенциалом и не допустить перегрев чувствительного элемента за счет уменьшения теплопроводности охлаждаемой передаточной жидкости в камере.
На фиг.1 представлена схема заявляемого датчика импульсных давлений. Датчик содержит приемный акустический волновод 1, который свободным концом входит в камеру 2, заполненную диэлектрической несжимаемой жидкостью 3. Чувствительный элемент 4 расположен на противоположном конце камеры. Вводы волновода и чувствительного элемента в камеру герметизируются эластичными виброгасящими кольцами 5. В корпусе камеры могут быть выполнены отверстия 6 для охлаждения датчика циркулирующей жидкостью.
Датчик импульсных давлений работает следующим образом. Волна импульсного давления вызывает появление в волноводе 1 упругой ударной волны, которая проходит по волноводу в камеру 2. Волна давления передается через диэлектрическую несжимаемую жидкость 3, например керосин, и воздействует на чувствительный элемент 4. Чувствительный элемент 4 может быть выполнен в виде гидрофона, к примеру, иметь форму пьезокерамической полой сферы с электродами на внутренней и наружной поверхности или в виде плоской таблетки, ориентированной к фронту ударной волны в камере. Для уменьшения электрических помех камера 2 может быть выполнена из диэлектрического материала, например, пластика или керамики.
Для расширения области применения датчика и обеспечения возможности регистрации импульсов давления в агрессивной среде с высокой температурой акустический волновод сделан сменным.
Охлаждение рабочей жидкости камеры может осуществляться за счет конвекции или принудительного охлаждения внешним хладагентом, для этого внешние боковые стенки камеры должны иметь ребристую поверхность, либо путем медленного протока рабочей передаточной жидкости через отверстия в камере.
Наличие жидкой передаточной среды позволяет устранить акустические шумы, возникающие на границе контактного соединения пьезоэлемента с волноводом, характерные для стержневых систем и обеспечивает равномерную нагрузку фронта давления на чувствительный элемент. Таким образом, упрощается конструкция датчика импульсного давления.
Использование предлагаемого датчика приводит к повышению помехоустойчивости и температурного диапазона в области применения: для регистрации импульсных давлений быстропротекающих процессов при электрическом разряде в технологии магнитно-импульсной и электрогидравлической обработки материалов.
Пример аппаратурной реализации устройства: датчик использовался для регистрации параметров импульсного давления в жидком металле при обработке алюминиевых сплавов импульсными магнитными полями высокой интенсивности. Приемный волновод выполнен в виде длинного гладкого стержня, который помещался приемной частью в тигель с жидким металлом при температуре в зоне измерения до 750°С. В процессе воздействия на металл мощным импульсным полем проводилось измерение параметров импульсного давления на фоне наведенных импульсных токов в обрабатываемом металле - до 30 кА. Импульсное магнитное поле формировалось в металле с помощью индуктора при разряде емкостного накопителя энергии. Амплитуда импульсного давления в металле достигала 50 мПа, при длительности импульсов - 10…100 мксек.