Волноводный датчик импульсных давлений

Полезная модель относится к технике измерения импульсных и быстропеременных давлений, и в первую очередь, предназначена для измерения импульсных давлений, возникающих в воздушной и конденсированных средах, и, в частности, газо-гидродинамических возмущений большой мощности, воздействующих на обрабатываемый объект. Она может быть использована в исследованиях фундаментальной науки, во взрывных и разрядно-импульсных технологиях.
Известен датчик давления, состоящий из двух волноводов, между которыми в состоянии акустического контакта расположен пьезоэлектрический элемент (Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. Теоретические основы измерения импульсных давлений в жидких средах. - Киев: Наукова думка, 1981, 190 с., стр. 135).
Недостатком данного датчика являются значительные габаритные размеры, что влечет за собой кроме неудобства в эксплуатации, ограниченность в возможных областях применения, а также недостаточная точность измерений вследствие несогласованности акустических сред пьезокерамической таблетки и волноводов.
Известен датчик импульсных давлений (Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. Теоретические основы измерения импульсных давлений в жидких средах. - Киев: Наукова думка, 1981, 190 с., стр. 151), который содержит три металлических волновода в виде стержней различной длины. Волноводы разного сечения находятся в состоянии акустического контакта. Между двумя волноводами равного сечения располагается пьезоэлектрическая таблетка, причем последний волновод имеет достаточно большую длину.
Датчик способен регистрировать ударные волны давления значительных амплитуд, но при этом имеет значительные габаритные размеры, тем самым характеризуется большими неудобствами его в эксплуатации, а в ряде случаев невозможностью его применения, недостаточной точностью измерений вследствие акустического рассогласования материалов пьезокерамической таблетки и волноводов. Кроме этого, акустический контакт волновода со стенкой обрабатываемого объекта, вызывает паразитное влияние сдвиговых волн, распространяющихся в стенке объекта, что существенным образом сказывается на точности измерений.
Известен датчик импульсных давлений, содержащий чувствительный пьезоэлектрический элемент и волноводный акустический стержень, выполненный из металла с переменной пористостью, убывающий от торца с чувствительным элементом к свободному концу (А.С. SU №1756784, МПК G01L23/10, 9/08, 1992 г.).
Данный датчик не обеспечивает условия возможности регистрации мощных, ударно-волновых воздействий вследствие ударного разрушения пьезокерамической таблетки, а также не защищен от паразитных наводок при регистрации ударно-волновых воздействий мощных разрядно-импульсных процессов.
Наиболее близким является датчик импульсных давлений (Пат. РФ № 2241212, МПК G01L9/08, G01L23/10, 27.11.2004), содержащий волноводы различной длины, разделенные пьезоэлектрической таблеткой 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 пьезоэлектрической таблеткой 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 пьезоэлектрической таблетки.
Датчик способен регистрировать ударные волны давления значительных амплитуд, тем не менее, его конструкция не обеспечивает акустического согласования материалов пьезокерамической таблетки и реактивного волновода, что сказывается на точности измерений. Кроме того, необходимость его размещения и наличие акустического контакта волновода со стенкой обрабатываемого объекта ограничивает его возможности.
Задачей данной полезной модели является разработка конструкции волноводного датчика импульсных давлений способного производить измерения с необходимой точностью параметров мощных возмущений, возникающих в газообразных и конденсированных средах.
Техническим результатом является повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых амплитуд импульсных давлений взрывов и электрических разрядов.
Поставленный технический результат достигается тем, что в волноводном датчике импульсных давлений, содержащем два волновода, разделенные пьезоэлектрической таблеткой, один из которых приемный волновод, выполненный в виде стержня из металла, склеенные между собой и размещенные внутри корпуса из диэлектрического материала, при этом приемный волновод выполнен из бериллия, второй - активный волновод выполнен из смеси материалов неньютоновских жидкостей силикона и кварцевого песка, взятых в соотношении , а корпус из диэлектрического материала выполнен в виде цилиндра, армированного металлической сеткой, длина которого превышает длину вместе взятых волноводов и пьезоэлектрической таблетки на величину диаметра приемного волновода.
Приемный волновод, выполненный в виде цилиндрического стержня, позволяет реализовать возможность регистрации мощных ударных волн произвольного профиля волнового фронта. Применение металла при изготовлении приемного волновода обеспечивает эффективное экранирование от паразитных электромагнитных наводок, возникающих, особенно, в разрядно-импульсных технологиях. Использование металла - бериллий позволяет произвести акустическое согласование материалов пьезокерамической таблетки и волновода, т.е. , где  и - плотность и скорость звука керамики и металла бериллий, соответственно. Так для керамики -  и бериллия . Таким образом, это приводит к расширению диапазона измеряемых амплитуд давлений и повышению точности измерения.
Изготовление реактивного волновода в виде цилиндра из смеси материалов неньютоновских жидкостей – смеси силикона  и кварцевого песка  в соотношении  также позволяет приблизить значение акустических сопротивлений материалов пьезокерамической таблетки и реактивного волновода, но в недостаточной мере. Тем не менее, неньютоновские жидкости ведут себя подобно механически прочным, твердым телам, имеющим жесткую кристаллическую структуру при их высокоскоростном, импульсном механическом нагружении. Кроме того, они обладают высоким коэффициентом поглощения звуковых волн в широком диапазоне частот. Поэтому не будет возникать паразитного возмущения, отраженного от конца реактивного волновода, негативно влияющего на полезный сигнал пьезокерамического преобразователя.
Таким образом, применение заявленной смеси неньютоновских жидкостей в качестве материала реактивного волновода приводит к расширению диапазона измеряемых амплитуд импульсных давлений и повышению точности измерения.
Размещение волноводов и пьезокерамической таблетки в полости диэлектрического механически прочного армированного корпуса в виде полого цилиндра позволяет создать единую целостность датчика, обеспечить прочность, жесткость и герметичность конструкции. Армирование корпуса металлической сеткой позволяет обеспечить дополнительное экранирование от паразитных электромагнитных наводок. Применение корпуса большей длины, чем длина вместе взятых волноводов и пьезоэлектрической таблетки позволяет снизить дифракционные эффекты, возникающие при регистрации ударно-волновых возмущений в газообразных и конденсированных средах, что повышает точность производимых измерений.
На чертеже представлена схема волноводного датчика импульсных давлений.
Датчик содержит пьезоэлектрическую таблетку 1, приемный волновод 2 в виде цилиндра из бериллия и реактивный волновод 3 в виде цилиндра из смеси материалов неньютоновских жидкостей силикона и кварцевого песка в соотношении. Сопряженные торцы волноводов 2, 3 и пьезоэлектрическая таблетка 1 склеены между собой эпоксидной смолой. Конструкция размещена в полости цилиндрического механически прочного диэлектрического корпуса 5, армированного металлической сеткой 6. Причем приемный волновод 2 выполнен с минимальным зазором по отношению к внутреннему диаметру диэлектрического корпуса 5. Длина корпуса 5 больше, чем общая длина волноводов 2, 3 и пьезоэлектрической таблетки 1 на величину диаметра волновода 2.
Датчик работает следующим образом: падающее ударно-волновое возмущение (показано белыми стрелками), распространяющееся по газовой или конденсированной среде, воздействует на торец приемного волновода 2, вследствие чего в последнем возникает волна упругой деформации, распространяющаяся по волноводу 2 и достигающая пьезоэлектрическую таблетку 1. Деформация пьезоэлектрической таблетки 1, вследствие явления пьезоэффекта, приводит к возникновению разности потенциалов на ее обкладках и генерации электрического сигнала. Реактивный волновод 3, выполненный из смеси материалов неньютоновских жидкостей, ведет себя как абсолютно жесткая граница. Деформация волновода 3 является минимальной, а коэффициент поглощения является высоким. В этом случае отсутствует отраженное ударно-волновое возмущение от другой торцевой поверхности волновода 3, являющееся паразитным, что положительным образом сказывается на моделировании и расчетов переводного коэффициента. Вследствие того, что длина корпуса 5 больше на величину диаметра волновода 2, чем общая длина волноводов 2, 3 и пьезоэлектрической таблетки 1 вместе взятых, то между торцом армированного диэлектрического корпуса 5 и торцом приемного волновода 2 создается столб высотой H газовой или конденсированной среды, находящейся первоначально в невозмущенном состоянии, как и вся окружающая среда. При распространении ударно-волнового возмущения как по столбу H среды, так и по окружающей среде, стенки корпуса высотой H будут препятствовать дифрагированию возмущения торца приемного волновода 2. Генерируемый пьезоэлектрической таблеткой электрический сигнал через соответствующую RC - цепочку регистрируется запоминающим осциллографом.
Таким образом, волноводный датчик импульсных давлений, содержащий разделенные пьезоэлектрической таблеткой выполненный в виде стержня из бериллия приемный волновод и выполненный из смеси материалов неньютоновских жидкостей силикона и кварцевого песка, взятых в соотношении  активный волновод, склеенные между собой и размещенные внутри цилиндрического корпуса из диэлектрического материала, армированного металлической сеткой, длина которого превышает длину вместе взятых волноводов и пьезоэлектрической таблетки на величину диаметра приемного волновода, обеспечивает повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых амплитуд импульсных давлений взрывов и электрических разрядов.