|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы
Рис. 8.20. Бесклеевое соединение элементов преобразователя Приведенные на рис. 8.19, в, г датчики являются неохлаждаемыми. Они применяются при температуре рабочей среды до 473 К. Для облегчения теплового режима пьезоэлемента при кратковременных измерениях применяют прокладки из материала с малой теплопроводностью, например из фарфора, керамики, титана, устанавливаемые между мембраной и пьезоэл&ментом. Исходными данными для проектирования являются заданные чувствительность, максимальная амплитуда динамического давления, максимальное значение квазистатического давления, температурный и частотный диапазоны, параметры входной цепи электронно-преобразующей аппаратуры (С„, R, метрологические характеристики и условия эксплуатации. В общем виде функция преобразования датчика имеет вид где 33 - пьезоэлектрический модуль; Af - амплитуда динамического давления; эф-эффективная площадь мембраны; Сд - емкость датчика; -- нагрузочная емкость (на входе электронно-преобразующей аппаратуры). Исходя из заданной верхней границы температурного диапазона и допустимой температурной погрешности, выбирают материал пьезоэлемента, причем при прочих равных условиях материал выбирают с возможно большим d33. Затем из формулы для чувствительности Su находят значение эффективной площади мембраны: где Su = UfJAP - чувствительность по напряжению. Емкость датчика Сд, как правило, значительно меньше емкости нагрузки. Например, для керамики Сд 200250 Ф, а С составляет не-CKO.,ibKo тысяч пикофарад. Поэтому приближенно можно записать В задании на проектирование обычно содержатся сведения о параметрах места установки датчика; отсюда диаметр резьбы корпуса и ориентировочные размеры мембраны также оказываются известными. Тогда радиус пьезоэлемента (случай деформаций по толщине) Гп = 21/"8„.эф/Я -V Если заданная чувствительность оказывается настолько высокой, что эффективный диаметр мембраны по расчету превышает заданный диаметр посадочного места, то вводят еще один пара-206  метр - число параллельно соединенных шайб пьезоэлементов п. Тогда Sm. эф = SaCjndag. Выбор и прочностные расчеты несущих элементов конструкции датчика (резьбы корпуса, резьбы поджимающей гайки) следует проводить, ориентируясь на нагрузку, равную сумме максимального значения квазистатического давления и максимальной амплитуды динамического давления. Для сохранения постоянства чувствительности датчика во всем диапазоне статических давлений (обеспечения линейности в статике) собранные датчики подвергают статическому обдавливанию, в результате которого мембрана, претерпевая пластические деформации, плотно прилегает к верхней прокладке столбика с пьезоэлементами. Для поддержания стационарного теплового режима датчиков, используемых для измерения динамических давлений высокотемпературных сред, применяют датчики с принудительным охлаждением. Конструкция охлаждаемого датчика приведена на рис. 8.21. Датчик состоит из корпуса 1, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлементов 2, токосъемника 4, основания 5 с контактной колодкой 7. Чувствительный элемент закрыт стаканом 6, с внешней стороны дна которого имеются прямоугольные пазы 3. Чувствительный элемент поджат к мембране корпуса гайкой 8. Полость 9 залита эпоксидным компаундом. Кабельная перемычка J2 изготовлена из антивибрационного кабеля (например АВКТ-4) и оканчивается разъемом. Экран кабельной перемычки с помощью кольца 10 соединен с корпусом (цепь второго электрода). Вся внутренняя сборка закрепляется гайкой И. Корпус датчика имеет каналы для прохождения охлаждающей Жидкости. Охлаждающая жидкость подводится к правому шту-ВДРУ, проходит по каналу, попадает в пространство между внутренними стенками корпуса и стенками защитного стакана 6, через прямоугольные пазы дна стакана проходит под мембраной и Рис. 8.21. Конструкция охлаяедаемого пьезоэлектричгского датчика по симметричному пути выходит через левый штуцер. В некоторых датчиках для защиты чувствительного элемента от попадания охлаждающей жидкости вместо стакана используется покрытие клеем (лейконатом) и опрессовка резиной. В этом случае чувствительность датчика немного повышается, поскольку исключаются потери механической энергии в стенках стакана. Вследствие наличия инерционных масс, связанных с пьезо-элементами (мембрана, прокладки, стакан), датчики давления обладают ощутимой чувствительностью к вибрациям. Для уменьшения виброчувствительности применяют виброкомпенсацию, сущность которой (так же, как и в датчиках акустического давления) заключается во введении в конструкцию акселерометра, вырабатывающего сигнал противоположного знака по отношению к вибрационному сигналу чувствительных элементов преобразователя давления. На датчики динамических давлений, как правило, воздействуют весьма мощные вибрационные нагрузки. Поэтому в этих датчиках, кроме мер, связанных с улучшением метрологических характеристик, применяют специальные меры повышения механической прочности. Так для увеличения вибропрочности механических соединений элементов датчика все резьбовые соединения перед сборкой покрывают клеем (эпоксидным компаундом). Таким же клеем заполняют внутренние полости датчика, чем обеспечивается вибропрочность монтажных электрических соединений, а также герметичность датчика со стороны кабельной перемычки. Датчики динамических давлений устанавливают на объехсге измерения, как правило, с помощью резьбового соединения. Одним из широко распространенных способов установки является непосредственное ввинчивание датчика, имеющего резьбу на корпусе. Однако при таком способе установки существенное значение имеет усилие (момент) затяжки. При больших моментах затяжки стенки корпуса удлиняются, вследствие чего ухудшается контакт узла пьезоэлементов с мембраной. В результате может наступить полное нарушение контакта. Следствием этого является потеря чувствительности или полная неработоспособность датчика. Для исключения влияния момента затяжки применяют соединения с накидной гайкой (см. подробнее п. 5.4). Резонансные свойства пьезоэлектрических датчиков определяются характеристиками всей конструкции датчика в целом. Как показывает практика, даже второстепенные элементы, такие, как штифты и электрические выводы, могут вызвать резонансы при достаточно низких частотах. Примеры частотных харастери-стик датчиков давления приведены на рис. 8.22. Из приведенных кривых следует, что резонансные пики есть в области частот 2о, 40, 55, 140 кГц. Сложный спектр собственных резонансных частот датчиков динамических давлений говорит о том, что датчики представляют 208 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 [ 67 ] 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |