Датчик швидкозмінного тиску

Реферат: Датчик швидкозмінного тиску складається з корпуса, пружного елемента, прийомного каналу й тензорезистора. Пружний елемент має напівсферичну поверхню і виконаний окремо від корпуса сумісно з прийомним каналом і опорною площадкою, додатково містить термокомпенсуючий тензорезистор, який із вимірювальним тензорезистором за допомогою з'єднувальних дротів утворюють напівміст, що за допомогою розмикача з'єднується з вторинною апаратурою. UA 100617 U (54) ДАТЧИК ШВИДКОЗМІННОГО ТИСКУ UA 100617 U UA 100617 U 5 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, зокрема до тензометричних датчиків тиску, і може використовуватись для вимірювання тиску високошвидкісних імпульсних струменів на перешкоду, а також для задач внутрішньої балістики гідроімпульсних струминних установок і стовбурних знарядь. Процес взаємодії імпульсного струменя з перешкодою - це короткочасний процес з характерним часом 103    102 секунди і неоднорідностями тиску тривалістю ~ 7·10 секунд (гідроудар). Це накладає значні вимоги до міцнісних й частотних характеристик датчику тиску. Датчик тиску повинен вимірювати імпульси тиску амплітудою до 1,5 ГПа тривалістю не -6 менше 5,6·10 с При вимірюванні нестаціонарних процесів перетворювачем з коливальною перехідною характеристикою необхідно виконання вимоги ƒ 0  3ƒ max , де ƒ 0 - частота власних коливань -6 10 15 20 перетворювача, ƒ max - максимальна енергомістка частота процесу. З урахуванням цієї вимоги власна частота перетворювача, що достовірно фіксує характеристики гідроудару повинна задовольняти умови ƒ 0  3 /  3  450 кГц для струменя діаметром D=10 мм. Високі тиски струменя висувають підвищені вимоги до міцності перетворювача. Для того, щоб були відсутні гістерезисні явища, напруга, що виникає в конструкції, не повинна перевищувати 0,5 границі текучості. З другого боку, для впевненої фіксації відносної деформації -3 є вона повинна бути рівною ε = 5·10 %. Відносну деформацію і частоту власних коливань ƒ 0 пружного елемента визначають за формулою [1]  0,5  R  1     P , Eh ƒ0  25 30 35 40 45 50 0,224 E ,  R  (1) (2) де P - тиск, R - середній радіус оболонки; h - товщина стінки, E - модуль пружності,  коефіцієнт Пуассона,  - густина. Для виміру тиску, а не зусилля, струменя на перешкоду прийомний отвір з урахуванням помилок прицілювання повинен бути хоча б в 2,5 рази менше діаметра струменя. Таким чином, діаметр прийомного отвору для струменя діаметром 10 мм повинен бути не більше 4 мм. В такому випадку найбільш відповідним для такої задачі є тензометричний метод при відповідній конструкції пружного елемента. Він також дозволяє отримувати статичні характеристики датчика і підвищити точність вимірювань. Відома конструкція датчика тиску [2], який складається з корпусу, прийомного каналу та заповненої термоізолюючою рідиною порожнини, всередині якої розташований тензометричний чутливий елемент. В датчику тиску застосовуються знімна кришка та замінювана мембрана, яка притискається до корпусу зсередини порожнини за допомогою затискної гайки. Недоліком такої конструкції є обмежений діапазон значень вимірювання швидкозмінного тиску (до 500 МПа). Як найближчий аналог [3] вибрано датчик тиску, що складається з пружного елемента у вигляді кола змінної товщини, виконаного сумісно з корпусом (затиснений по контуру), пробки із з'єднувальним штуцером. Корпус пружного елемента і штуцер з'єднані зварюванням. Тензорезистори наклеєні на плоску поверхню мембрани вздовж радіусів. Недоліком корисної моделі є те, що прийомний канал має складну форму. Це може викликати появу додаткових гармонік коливань при імпульсному впливі. Датчик такої конструкції має недостатні частотну та міцнісну характеристики, які не можуть бути покращені конструктивно. Крім цього в аналозі відсутній термокомпенсуючий резистор. В основу корисної моделі поставлено задачу покращення частотних та міцнісних характеристик датчика та спрощення технології виготовлення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що датчик швидкозмінного тиску, що складається з корпусу, прийомного каналу, тензорезистора, згідно з корисною моделлю, пружний елемент має напівсферичну поверхню і виконаний окремо від корпуса сумісно з прийомним каналом і опорною площадкою, додатково містить компенсуючий терморезистор. Пружний елемент виготовлений зі сталі 35ХГСА. При внутрішньому радіусі сфери 2 мм, товщині стінки 1,5 мм і тиску 1,5 ГПа напруга в елементі становить ~ 70 МПа. Відносна деформація, що розрахована за формулою (1) складає 0,05 % при власній частоті ~ 420 кГц 1 UA 100617 U 5 10 15 20 25 30 (згідно з розрахунками за формулою (2)). Тобто такий матеріал дозволяє одержати задовільні міцнісні й частотні характеристики чутливого елемента. На кресленні зображено датчик в розрізі. Він складається із пружного елемента 3 з напівсферичною поверхнею, що деформується, яка сприймає тиск через прийомний канал 4, і опорної площадки 5, що опирається на корпус 1. На поверхні, що деформується, розміщується вимірювальний тензорезистор 6. Пружний елемент виконаний окремо від корпуса сумісно з прийомним каналом та опорною площадкою і утримується в корпусі кришкою 2. На корпус кріпиться термокомпенсуючий тензорезистор 7. Тензорезистори 6 і 7 з'єднувальними дротами утворюють напівміст, що за допомогою розмикача 8 з'єднується із вторинною апаратурою. Датчик швидкозмінного тиску працює наступним чином. Прийомний канал 4 заповнюється водою. Датчик розташовується в масивній основі перпендикулярно траєкторії струменя. В нього відбувається постріл імпульсним струменем. Динамічний тиск, що розвивається струменем, крізь прийомний канал 4 передається на пружний елемент 3 та деформує його в радіальному напрямі. Деформація пружного елемента 3 спричиняє деформацію приклеєного до нього термокомпенсуючого терморезистора 7, що спричиняє пропорційну зміну його опору, який в свою чергу реєструється як корисний сигнал. В корисній моделі, що заявляється, в порівнянні з аналогом зменшуються габаритні характеристики, що приводить до покращення міцнісних і частотних характеристик. Покращення міцнісних характеристик відбувається за рахунок відсутності зсувних напруг в області чутливого елементу, що деформується і рівномірності його деформації. Частотні характеристики покращуються за рахунок зменшення габаритів і форми чутливого елемента. Разом з цим спрощується технологія виготовлення датчика. Джерела інформації: 1. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи / Е.С. Полищук. - К.: Вища школа, 1981. 291 с. 2. Пат. 53153 УК, МПК G01L 23/00. Датчик миттєвих значень швидкозмінного тиску / Крюков О.М., Александров О.А., Біленко О.І.; ДП "Український інститут промислової власності"; Заявлено 01.04.2010; Опубл.: 27.09.2010, Бюл. № 18. - 2 с. 3. Пат. 2115101 РФ, МПК 6G01L 7/08, G01L 9/04. Датчик давления / Голод В.В., Белоусов С.В.; Институт теоретической и прикладной механики СО РАН. - № 8203; Заявлено 17.02.1999; Опубл.:27.06.1999. - 3 с. (прототип). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Датчик швидкозмінного тиску, що складається з корпуса, пружного елемента, прийомного каналу й тензорезистора, який відрізняється тим, що пружний елемент має напівсферичну поверхню і виконаний окремо від корпуса сумісно з прийомним каналом і опорною площадкою, додатково містить термокомпенсуючий тензорезистор, який із вимірювальним тензорезистором за допомогою з'єднувальних дротів утворюють напівміст, що за допомогою розмикача з'єднується з вторинною апаратурою. 2 UA 100617 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3