П’єзоелектронний витратомір рідких та газоподібних середовищ

П'єзоелектронний витратомір рідких та газоподібних середовищ, який містить перший біморфний п'єзоелектричний перетворювач, і пристрій посилення, обробки і реєстрації інформації з інформаційним вихо дом ,причому 2-х провідний вихід генератора з'єднаний з першим п'єзоелементом першого біморфного п'єзоелектричного перетворювача, а 34149 згідно з винахо дом у нього введені другий біморфний п'єзоелектричний перетворювач і генератор, причому вхід генератора з'єднаний з першим виходом пристрою посилення, обробки і реєстрації інфо рмації, до другого двопровідного вхо ду останнього приєднаний другий п'єзоелемент другого біморфного п'єзоелектричного перетво рювача, а перший п'єзоелемент другого біморфного п'єзоелектричного перетво рювача з'єднаний з двопривідним вихо дом генератора, а перший і другий біморфні п'єзоелектричні перетворювачі розташовані у двох взаємоперпендикулярних площи нах у середови щі, що р ухається. Запропонований витратомір дозволяє вимірювати у широкому діапазоні. Зміна діапазонів вимірювань досягається як зміною кута розміщен ня біморфних п'єзоелектричних перетворювачів, відносно потоку що р уха ється, так і зміною величини електричної напруги, що докладається до біморфних п'єзоелементів. Технічний результат, який може бути досягнутий при здійсненні винаходу, полягає у підвищенні надійності пристрою та точності ви мірювань витрати рідкого або газоподібного середовищ. Винахід ґрунтується на таких теоретичних передумовах. Відомо [2], що згідно з рівнянням Бернуллі в стаціонарних, вільних від те ртя пото ках сума кінети чної енергії, потенційної енергії положення і тиску уздовж потоку-постійна. Для одиниці маси потоку нестисливого середовища, що має об'єм V = 1/r рівняння Бернуллі записується у вигляді: або, використовуючи усе реднену швидкість потоку, Q = s ×u , (5) де s – площа поперечного січення трубопроводу. Відомо також [3], що під дією механічною сили (і, відповідно, ти ску) на поверхнях деяких кристалів, наприклад, кварцу, з'являються електричні заряди, величини яких пропорційні докладеній силі. Цей ефект зветься прямим п'езоефектом. Існує й зворотний п'єзоефект - коли під дією електричної напруги, поданої на грані кристала, в останньому виникають механічні сили, що його деформують. На цих ефектах ґрунтується дія багатьох п'єзоелектричних перетворювачів механічних з усиль і тисків. Як матеріали чутливих елементів використо вують штучні матеріали, так звану п'єзокераміку. Основним вузлом п'єзоперетворювачів сили та тисків часто служить біморфний п'езоелемент (БПЕ). Біморфний п'єзоелемент-конструкція із 2-х "тонких" п'езокерамічних пластин, які механічно жорстко шляхом склеювання, паяння, зварювання з'єднані між собою. У пластині п'єзоелементи з'єднують різнойменними полюсами поляризації. Середній електрод утворюється шляхом спаювання двох внутрішніх електродів п'єзоелементів. Зовнішн і електроди п'єзоелементів з'єднані гальванічно. При співпаданні полярності зовнішнього джерела електричної напруги і полярності поляризації одного з п'єзоелементів, один, наприклад, перший буде подовжуватися на довжину ∆ l 1, а другий п'єзоелемент стиснеться на величину ∆ l 2. Така взаємопротилежна деформація п'єзоелементів приведе до згину БПЕ. При зміні полярності БПЕ вигнеться в інший бік. Величина згину (кривина) a знаходиться за формулою [З, С.198] u2 p + gh + = const , (1) 2 r де u - швидкість потоку,(м/с); h - висота над рівнем моря,(м); p - абсолютний тиск,(Па) ; r - густина,(кг/м). a = 3d 31l Якщо у потік вмістити твер де тіло, тоді швидкість набігаючого потоку в точці його стикання з тілом стає рівною нулю. Якщо як таке тіло використати напорний пристрій типу трубки Прандля, як в аналозі, тоді рівняння Бернуллі (1) набирає вигляду ru 2 + P0 = På , (2) 2 ru 2 де - динамічний 2 де l u x тиск або динамічний P S - сумарний тиск у потоку, (П а); Таким чином, швидкість потоку визначається різницею сумарного і статичного тисків: 2 ( På - P0 ) , r (3) Витрату середовища можна визначити на підставі залежності Q = s ò u ( r ) dr , d 31 2u , 2 x (6) - п'єзомодуль, (м/В); - довжина елемента, (м); - керуюча напруга, (В); - товщина елемента, (м). Розглянутий ефект належить до зворотного. У режимі прямого п'єзоефе кту, коли БПЕ використовується як джерело напруги, залежність (6) не втрачає сенсу [4,С.22]. Таким чином, якщо вмістити у потік БПЕ, то можна вимірювати тиск середовища у потоку, вимірюючи напругу u . Комбінуючи ефекти і електричні зв'язки, можна досягти і положення рівноваги БПЕ при дії н а нього електричних і механічних напружень. У запропонованому винахо ді один із біморфних п'єзоелектричних перетворювачів, виконаний на основі БПЕ, розташовують у горизонтальній площині і на один із його п'єзоелементів подають від генератора змінну напругу. Під дією цієї напруги БПЕ буде коливатися, тоді електрична напруга, що знімається з другого п'єзоелемента, яка виникає під дією прямого п'єзоефекту, буде пропорційною величині цих коливань, які,у свою чергу, залежать від величини гідродинамічних тисків у потоці. напір,(кг/мс); Р0 - стати чний тиск (Па); u= u (4) s 2 34149 При цьому на БПЕ діятиме як статичний тиск, так і тиск динамічного напору, тобто тиск, що діє на цей БПЕ, буде у відповідності з (2) дорівнювати Pдин + P0 = PS , де Pдин = і генератор 1 виробляє змінний сигнал, що подається водночас на п'єзоелементи 3 і 5,змушуючи меха нічно коливатися перший і другий біморфн і п'єзоелектричні перетворювачі, встановлені у 2-х взаємоперпендикулярних площинах. Перший біморфний п'єзоелектричний перетворювач з п'єзоелементом 3 розташований в горизонтальній площині, а другий біморфний п'єзоелектричний перетворювач з п'єзоелементом 5 розташований у вертикальній площині, і сигнали, що знімаються з п'єзоелементів 4 і 6 першого і другого біморфних п'єзоелектричних перетворювачів, будуть пропорційні величинам гідродинамічних тисків і, отже, витраті середовища. Ці сигнали подають на перший і други й вхо ди двопровідні входи пристрою посилення, обробки і реєстрації інформації 2, де вони обробляються за певним алгоритмом. З інформаційного вихо ду пристрою посилення, обробки і реєстрації інформації 2 надходить інформація про величину вимірюваної витрати середовища. В залежності від обраного режиму параметри сигналів, що генеруються генератора 1, можуть змінюватися за командами пристрою посилення, обробки і реєстрації інформації 2. Перед введенням витратоміру в експлуа тацію він градуюється за показаннями зразкового витратоміра у відповідності з чинними державними стандартами. Винахі д може бути реалізований за допомогою виробів, що випускають ся серійно, бо біморфні п'єзоелементи можуть бути вигото влені на основі п'езокераміки ЦТС різних складів, наприклад ЦТС19, ЦТС-23. Генератор виконується за схемами 3, С.106-115 на базі ТТЛ-логіки і біполярних тр анзисторів типу 2Т8 12Б. Пристрій посилення, обробки і реєстрації інформації може бути виконаний на базі операційних підсилювачів К140УД17 і мікропроцесорного набору серії KM 1813ВЕ1. (7) ru 2 2 Таким чином, сигнал напруги u , який знімається з п'єзоелемента, що працює в режимі прямого п'єзоефекту, буде функцією від суми тисків Pдин і Р0 : u = f ( Pдин + Р0 ), (8) Однак амплітуда коливань БПЕ залежатиме і від фізичних властивостей середовища: густини, в'язкості, температури, тому в середовищі розміщують другий біморфний п'єзоелектричний перетворювач, на п'єзоелемент якого подають змінну електричну напругу від спільного генератора. Напруга, що знімається з п'єзоелемента, який працює в режимі прямого п'єзоефекту, буде також підпорядковува тися залежності (8). Введення другого біморфного п'єзоелектричного перетворювача дозволяє врахувати зміну параметрів середовища, бо вони будуть однаковим чином впливати на обидва біморфні п'єзоелектричні перство рювачі. Другий біморфний п'єзоелектричний перетворювач розташовують у вертикальній площині, при цьому величиною тиску, що діє в цій п лощині, можна знехтувати, оскільки площина, яка сприймає цей тиск, буде у багато разів меншою, ніж для випадку розташування біморфного п'єзоелектричного перетворювача в горизонтальній площи ні Отже, використовуючи диференційні методи вимірювань швидкості потоку на підставі залежності (8), можна виключити вплив фізичних параметрів середовища, що рухається, на результати вимірювань витрати. На фіг. представлена блок-схема п'єзоелектронного витратоміра, що заявляється. Витратомір містить генератор 1,вхід якого зв'язаний з першим виходом пристрою посилення, обробки і реєстрації 2, а 2-х провідний вихід генератора 1 приєднаний до п'єзоелеметів 3 і 5 першого та другого біморфних п'єзоелектричних перетворювачів, а п'єзоелементи 4 і 6 першого і другого біморфних п'єзоелектричних перетворювачів приєднані відповідно до першого та другого двопровідного входів пристрою посилення, обробки і реєстрації інформації 2. Витратомір працює таким чином. Генератор 1 вмикають за сигналом від пристрою посилення, обробки і реєстрації інформації 2 Література 1. Измерения в промышленности. Спрв.изд. под ред.П. Профоса. Пер. с нем., М.,"Металлургия", 1980, С.344-345. 2. Лойцянский Л.Г., Ме ханика жидкости и газа, М.:"Наука", 1973, С.157-159. 3. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления. Справочник. СПб.:”Политехника”, 1994, С.414-415. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементи в приборостроении и автоматике. Л,:"Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1986, С.22. 3 34149 Фіг. 1 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4