Пневмоэлектрический преобразователь

Полезная модель относится к области средств автоматизации для пневмоэлектрического преобразования сигналов систем управления.
Широко известны пьезопреобразователи пневматических силовых сигналов в электрические и наоборот, обладающие хорошей динамикой и высокой чувствительностью (В.В. Янчин «Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи …» Ростов-на-Дону. Изд. Южного Федерального университета, 2010 г.).
Часто преобразователи используются для преобразования в электрический сигнал пневматический частотный сигнал струйного генератора в бытовых счетчиках газа, таких как Гранд - 1,6, Гранд - 2,5, Гранд - 4 фирмы Гранд (г. Ростов), СГБМ - 1,6 Батер, СГБМ - 2,5 Батер (г. Чистополь), счетчик газа Элехант СГБ - 1,8 г (г. Ханты Мансийск). Однако, высокая чувствительность пьезоэлементов к внешним механическим воздействиям, например к вибрациям и ударам, препятствует в ряде случаев использованию этих приборов.
Известен первичный измерительный преобразователь расхода газа и жидкости на частотном аэродинамическом эффекте (журнал Датчики и Системы, №2, 2001, с. 32-34), в котором используется преобразование пневмомеханических колебаний с помощью инвариантного к вибрациям, температурами другим лишним воздействиям передающего механического звена к пьезоэлементу, разделенному пополам, позволяющему на одном элементе построить дифференциальную схему обработки информации. Защита пьезоэлемента от влияния паразитных вибраций по трем осям обеспечивается оригинальным механическим звеном. Такое решение, вызванное переходом из рабочей зоны в измерительную и необходимостью исключить ненужные механические воздействия, потребовало применение передаточного звена, усложняющего конструкцию преобразующего устройства.
Известен пневмоэлектрический преобразователь в измерителе расхода газа с преобразованием колебания струи в электрический сигнал (RU 2296953 С2, 10.04.2007), принятый за прототип. Он содержит корпус со штуцерами, внутри которого помещен струйный генератор колебаний. Снаружи корпус закрыт кожухом, на котором установлен контейнер с пьезодатчиком (преобразователем), оснащенный резиновыми прокладками. При этом корпус измерителя подвешен внутри и снаружи тросовыми амортизаторами. Заделка концов всех тросов осуществлена с использованием резиновых втулок и амортизирующих шайб. Тем не менее, такая амортизирующая подвеска не полностью защищает пьезопреобразователь от ложных срабатываний и к тому же требует специального контейнера с амортизаторами, что значительно усложняет конструкцию.
Техническим результатом является устранение ложных срабатываний от переменных механических воздействий и нагрузок и упрощение конструкции.
Технический результат достигается тем, что предложенный пневмоэлектрический преобразователь по модели характеризуется тем, что содержит выполненный из диэлектрика корпус, в виде соединенных между собой двух чашеобразных половин, с диаметрально расположенными в одной плоскости перегородками, между торцами половин и перегородками размещен без зазоров (зажат) пьезоэлемент через прорезь в одной из его обкладок, образуя четыре камеры с двух сторон, при этом щтуцер одной пары несмежных камер является входом прямого пневмосигнала, другой штуцер второй пары несмежных камер является входом инверсного пневмосигнала, а две части разделенной прорезью обкладки соединены с клеммами для отвода выходного электрического сигнала.
На фиг. 1 представлена конструкция пневмоэлектрического пьезопреобразователя, защищенного от внешних механических воздействий.
На фиг. 2 показана схема разводки каналов в преобразователе, связанных через входные штуцеры с мультивибратором (мультивибратор не является элементом преобразователя).
На фиг. 3 поясняется поведение пьезоэлемента при силовых воздействиях:
А и Б - при воздействии прямого или инверсного пневмодавления,
В и Г - при воздействии внешних сил с одной или другой стороны.
Пневмоэлектрический преобразователь содержит (фиг. 1) корпус, составленный из двух чашеобразных половин 1 и 2 с диаметральными перегородками 3 и 4, зажатый пьезоэлемент 5 с частями обкладок 6 и 7 и обкладкой 8, камеры 9, 10, 11 и 12, штуцеры 13, для ввода пневмодавления, клеммы 14 для вывода электрического сигнала, мультивибратор 15 и каналы 16.
вх
вых
вх
Устройство преобразует входной изменяющийся пневматический сигнал Р через мультивибратор 15 (фиг. 2), вырабатывающий прямой Р и инверсный  пневмосигналы. По этим Р и  сигналам устройство создает на выходе электрический сигнал U, пропорциональный входному Р. Каналы 16 перекрестно соединяют входные штуцеры 13 с камерами 9, 12 и 10, 11. Мультивибратор 15 позволяет задействовать одновременно обе части пьезоэлемента. При одновременном воздействии на обе части пьезоэлемента пневмодавлением Р (фиг. 3А) либо  (фиг. 3Б) на его обкладках образуется суммарное эдс, поскольку электрически обе части обкладок пьезоэлемента соединены последовательно и образуемые эдс по полярности направлены в одну сторону.
вых
При воздействии внешней силы F в том или  другом направлении (физ. 3В и Г) две части пьезоэлемента испытывают воздействие силы с одной стороны и на его обкладках потенциалы вырабатываемых на них эдс направлены встречно, компенсируя в последовательной цепи друг друга. В результате на выходе преобразователя U=0 и преобразователь не реагирует на внешние силовые воздействия.
Инвариантность сохраняется на всех частотах преобразуемого пневмосигнала ~Р, так как обе части пьезоэлемента идентичны, поскольку обе части пьезоэлемента имеют общую структуру единого кристалла. По остальным двум поперечным осям преобразователь не воспринимает воздействие внешних сил по определению.
Мультивибратор 15 не входит в состав предлагаемого преобразователя и не участвует в преобразовании сигнала. Приведенный на рисунке мультивибратор 15 служит для пояснения порядка подачи входных пневматических сигналов.
Таким образом, обеспечивается независимость пневмоэлектрического пьезопреобразования сигналов от внешних механических воздействий на преобразователь (таких как удары и вибрация) и упрощается конструкция преобразователя.