ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ ДАТЧИК ИМПУЛЬСНЫХ ДАВЛЕНИЙ
PIEZOELECTRIC SEALED PULSE PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения импульсных быстропеременных давлений, в частности, для измерения импульсных давлений в результате столкновений с датчиком ударно-индуцированных частиц металла суб- и микрометрового размера, движущихся со скоростями 1,5-5 км с.
Точность измерений во взрывных быстропротекающих процессах является важнейшим фактором. Особенностью измерения давления, возбуждаемого сталкивающимися с датчиком частицами металла с указанными скоростями, является высокая вероятность преждевременного вывода чувствительного элемента датчика из строя. С другой стороны, передаваемое давление от столкновения каждой частицы должно быть зарегистрировано. Кроме того, из-за широкого диапазона скоростей необходимо обеспечить соответствующую длительность работы датчика.
Известен датчик импульсных давлений (патент RU2241212, МПК G01L 9/08, G01L 23/10, 27.11.2004), содержащий волноводы различной длины, разделенные пьезочувствительным элементом, и волновод в виде стержня меньшего сечения, волноводы в виде стержней меньшего и большего сечения выполнены за одно целое и образуют приемный волновод, а другой - выполнен в виде цилиндра из металла с равномерно убывающей пористостью от торца с пьезочувствительным элементом к свободному концу, торцевая поверхность которого имеет рельефный профиль в виде пирамид, а боковая поверхность имеет резьбовой либо пилообразный профиль, причем диаметр цилиндра превышает диаметр пьезочувствительного элемента.
Датчик способен регистрировать ударные волны давления значительных амплитуд, тем не менее, его конструкция не обеспечивает акустического согласования материалов пьезочувствительного элемента и волновода, что сказывается на точности измерений.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является пьезоэлектрический датчик импульсных давлений (Авт. св-во СССР 1756784А1, МПК G01L 23/10. G01L 9/08. «Датчик импульсных давлений», опубликовано 23.08.1992 в Бюл. №31), выбранный в качестве прототипа. Датчик содержит пьезочувствительный элемент с двумя электродами на противоположных гранях и акустический волновод в виде стержня из металла с равномерно \ бывающей плотностью от горца с пьезочувствительным элементом к свободному концу, причем на участке, контактирующим с пьезочувствительным элементом, их акустические жесткости близки.
Решение, реализованное в указанном датчике, направлено на обеспечение максимального времени работы при минимальных геометрических размерах (длине). К недостаткам следует отнести ненадежность работы датчика при взаимодействии с быстродвижущимися объектами малой величины (суб-, микрочастицами), неточность выполняемых измерений давления, невозможность обеспечить регистрацию ударно-волновых воздействий вследствие ударного разрушения пьезочувствительного элемента, незащищенность от паразитных наводок при регистрации ударно-волновых воздействий малоамплитудных импульсных процессов.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке конструкции датчика пьезоэлектрического типа, защищенной от электромагнитных наводок, обеспечивающей точность проводимых измерений и сохранность от преждевременного выхода из строя при взаимодействии со сталкивающимися высокоскоростными частицами, а также являющейся элементом герметизации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей датчика.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в пьезоэлектрическом герметичном датчике импульсных давлений, включающем пьезочувствительный элемент с электродами, прикрепленный к торну акустического волновода, выполненного в виде стержня, электроды снабжены выводами для соединения с регистрирующим устройством, новым является то, что, что датчик со стороны пьезочувствительного элемента закрыт экраном, электрически связанным с корпусом, с которым связан один из электродов пьезочувствительного элемента, другой электрод контактирует с акустическим волноводом, а его вывод помещен в диэлектрическую втулку, свободный объем которой залит компаундом, зазоры и пустоты между экраном и пьезочувствительным элементом заполнены компаундом без токопроводящего наполнителя, пьезочувствительный элемент и акустический волновод выполнены из материалов с одинаковой акустической жесткостью, размер пьезочувствительного элемента выбран из следующего соотношения его диаметра D к толщине L: D/L≥8. а длина волновода обеспечивает требуемое время работы (заданное время «жизни») датчика.
Применение экрана позволяет защитить пьезочувствительный элемент от преждевременного разрушения, закорачивания его электродов и передать импульсные давления пьезочувствительному элементу.
Организация электрической связи датчика с измерительным прибором через контакт одного из электродов пьезочувствительного элемента и волновод, другого - через экран и корпус, позволяет получить коаксиальную конструкцию, защищенную от наводок электромагнитного характера, что расширяет возможности работы датчика.
Размещение вывода в диэлектрической втулке, свободный объем которой залит компаундом, обеспечивает прочность, жесткость и делает датчик-герметичным.
Заполнение зазоров и пустот между экраном и пьезочувствительным элементом компаундом без токопроводящего наполнителя, а также пьезочувствительного единого элемента и акустического волновода из материалов с одинаковой акустической жесткостью позволяет обеспечить акустический контакт и создать условия, при которых волны нагрузки не испытывают переотражений на границе пьезочувствительный элемент - волновод, негативно влияющих на полезный сигнал, и обеспечить точность проведения измерений в требуемых условиях применения.
Выбор размера пьезочувствительного элемента D/L≥8 позволяет минимизировать краевые эффекты и рассматривать нагружение пьезочувствительного элемента только в одном направлении.
На фиг. изображена схема заявляемого датчика, где: 1 - экран: 2 - пьезочувствительный элемент; 3 - акустический волновод; 4 - корпус; 5 - втулка из диэлектрика; А - полость втулки, заливаемая компаундом.
7
2
В качестве примера конкретною выполнения может служить пьезоэлектрический герметичный датчик ударно-индуцированных высокоскоростных потоков частиц. Датчик содержит корпус, защитный экран (нержавеющая сталь), пьезочувствительный элемент и акустический волновод в виде стержня. Экран с помощью точечной сварки с корпусом надежно электрически связан. Акустические жесткости пьезочувствительного элемента и волновода одинаковы и составляют 1,52×10 кг/(с⋅м). Размер чувствительного элемента составляет D=4 mm L=0,5 мм. что соответствует критерию D/L≥8. Для организации электрической связи датчика с измерительным прибором положительный электрод чувствительного элемента контактирует с волноводом и с жилой кабеля. Отрицательный электрод чувствительного элемента через экран и корпус датчика связан с оплеткой кабеля. Зазоры между экраном и чувствительным элементам, а также чувствительным элементом и акустическим волноводом минимальны (порядка размера шероховатости) - обеспечиваются обработкой высокого класса сопрягаемых поверхностей, а пустоты заполнены эпоксидным компаундом без добавления токопроводящего наполнителя (ЭЛ-20). Контакт экрана с корпусом обеспечивается точечной сваркой (контактной, лазерной). Кроме того, датчик содержит специально созданную полость А, заполняемую на этапе сборки эпоксидным компаундом (ЭЛ-20).
Работа заявляемого датчика заключается в следующем.
Поскольку датчик содержит специально созданную в диэлектрической втулке 5 полость А, заполненную эпоксидным компаундом, часть датчика помешают в вакуумированную полость, а часть с кабелем измерения находится в обычных условиях. Импульсные давления ударно-индуцированных высокоскоростных потоков частиц, например, частиц металла суб- и микрометрового размера, (показаны стрелками), воздействуют на пьезочувствительный элемент 2 через экран 1, предотвращающий пьезочувствительный элемент 2 от преждевременного выхода из строя. Толщина пьезочувствительного элемента 2 позволяет минимизировать краевые эффекты и осуществить нагружение, близкое к одноосному. Из-за отсутствия зазоров на границе пьезочувствительный элемент 2 - волновод 3, волны нагрузки не переотражаются. Деформация пьезочувствительного элемента 2, вследствие явления пьезоэффекта, приводит к возникновению разности потенциалов и генерации электрического сигнала. Выделившиеся на электродах пьезочувствительного элемента 2 электрические заряды благодаря электрической связи пьезочувствительного элемента 2 с измерительным прибором перетекают по волноводу 3 и корпусу 4 датчика, соответственно, на жилу и оплетку радиочастотного кабеля измерения и формируют импульс тока, несущий информацию о давлении, по которому судят о параметрах быстродвижущихся объектов.
Таким образом, с помощью заявляемого датчика можно осуществить измерение давления, возбуждаемого сталкивающимися с датчиком частицами широкого диапазона скоростей, без преждевременного вывода пьезочувствительного элемента датчика из строя, при этом передаваемое давление от столкновения каждой частицы можно зарегистрировать.