Анализ и синтез пьезоэлектрических датчиков для вихревых расходомеров на основе пространственных электротермоупругих моделей

• Автор: Богуш, Михаил Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.05, 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 361 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Принцип действия вихревых расходомеров и основные требования

к преобразователям энергии потока.

1.2. Пьезоэлектрические датчики давления

1.2.1. Унифицированный ряд датчиков быстропеременных давлений

1.2.2. Датчики акустических давлений

1.2.1 Датчики давления ведущих зарубежных фирм

1.3. Методы анализа пьезоэлектрических датчиков.

1.3.1. Структурный анализ

1.3.2. Аналитические методы
1.3.3. Численные методы
1.4. Пьезоэлектрические материалы для измерительной техники.
Выводы по главе 1.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
2.1. Модель неоднородного чувствительного элемента .
2.2. Распределение механических и электрических полей
2.3. Функция преобразования
2.4. Прочность при сжатии
2.5. Прочность при изменении температуры.
2.6. Аддитивная погрешность при изменении температуры
Выводы по главе 2
3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ.
3.1. Электроупругие модули.
3.1.1. Динамический метод измерения электроупругих модулей
3.1.2. Квазистатический метод измерения пьезоэлектрических модулей.
3.2.3.Полный набор электроупругих модулей
3.2. Изменение электроупругих модулей от температуры
3.3. Изменение пьезоэлектрических модулей от давления.
3.4. Старение
3.5. Временные изменения свойств при сильных внешних
воздействиях
3.6. Тепловое расширение
3.7. Прочность при сжатии и растяжении
Выводы по главе 3.
4. ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
4.1. Методы оценки механической надежности .
4.2. Оценка механической надежности чувствительного элемента
при действии давления
4.2. Оценка механической надежности чувствительного элемента У
при действии давления и изменении температуры .
4.3. Выбор материалов силопередающих элементов датчиков
4.4. Изменение коэффициента преобразования от температуры
4.5. Повышение надежности пьезоэлектрических датчиков
акустических давлений
Выводы по главе 4
5. ОБЪЕМНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
5.1. Аномальные явления в объемночувствительных преобразователях
5.2. Изменение температуры среды при адиабатическом процессе.
5.3. Модель объемночувствительного преобразователя.
5.4. Экспериментальная проверка модели.
5.5. Контрольные датчики давления
5.6. Виброзащищенные датчики давления
5.7. Миниатюрные датчики давления.
Выводы по главе 5 .
6. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ9
6.1.Постановка задачи электротермоупругости
6.2. Сравнение аналитических и численных решений
6.3 Методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков .
6.4. Анализ датчиков давления.
6.4.1.Коэффициент преобразования
6.4.2. Собственные частоты .
6.4.3. Вибрационная и деформационная чувствительности.
6.4.4. Прочность в нормальных и рабочих условиях.
6.4.5. Оптимизация конструкции датчика
6.4.6. Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков давления
6.4.7. Оценка информативности пьезоэлектрических датчиков давления
с помощью обобщенного показателя качества
Выводы по главе 6.
7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
7.1 .Излучатели приемники для ультразвуковых расходомеров газа .
7.2. Вибрационные сигнализаторы уровня
7.3. Датчики изгибающего момента
Выводы по главе 7.
8. ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.
8.1. Вихревые расходомеры жидкости .
8.2. Вихревые расходомеры газа.
8.3. Вихревые расходомеры пара
8.4. Вихревые расходомеры ведущих зарубежных фирм.
8.5. Области применения вихревых расходомеров
с пьезоэлектрическими датчиками.
8.6. Тенденции развития вихревой расходометрии
Выводы по главе 7.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ .
ЛИТЕРАТУРА


Однако, эти датчики не могут быть использованы для создания вихревых расходомеров потому, что динамический диапазон каждой модели датчика ограничен величиной 3, допустимые избыточные давления не пре- • вышают 0,3 МПа, максимальная рабочая температура ограничена 0°С. Датчики давления ведущих зарубежных фирм. Ведущие зарубежные фирмы в большинстве случаев для построения датчиков давления используют ЧЭ из монокристаллов кварца, турмалина, метаниобата лития и др. ЧЭ представляет собой пакет, собранный из жестко соединенных кристаллических дисков, работающих на сжатие. Пакет устанавливается в корпус из специальной нержавеющей стали. В датчиках применяется модульное построение. Один и гот же ЧЭ может применяться с различными переходниками и корпусными деталями, отличающимися конструкцией и габаритами. Например, фирма РСВ ИегоНютк Жв (США) для датчиков серии 0 разработала 6 моделей ЧЭ, на базе которых создано типов датчиков. Модельный ряд этих датчиков обеспечивает измерения давления в диапазоне от 0, до Ьаг (5 Па) при температурах от минус до 5°С []. Типовая конструкция датчика давления этой фирмы показана на рис. Датчик содержит ЧЭ, включающий 3 рабочих ПЭ 1, инерционную массу 3, виброкомпенсирующий ПЭ 4 и термоизоляционную прокладку , размещенных в центрирующей втулке 6 между мембраной 2 и опорой . Датчик содержит также согласующий усилитель напряжения , размещенный в полости . Сигнал с ПЭ через токосъемники 5 поступает на согласующий усилитель, обеспечивающий передачу информационного сигнала до системы обработки на значительные расстояния. На корпусе 7 имеется уплотнительное кольцо 8 для герметичной установки датчика в посадочном месте, присоединительная резьба 3/8 дюйма 9, шестигранник под ключ и миниатюрный разъем []. Рис 1. Основные характеристики датчиков давления PCB Piezotronik JNG и других ведущих зарубежных фирм показаны в таблице 1. Современные пьезоэлектрические датчики давления характеризуются малыми габаритами. Диаметр мембраны, как правило, не превышает 5-7 мм, а в отдельных образцах составляет 1-2,5 мм. Собственная резонансная частота составляет от 0 до 0 кГц. Ом. Благодаря этому диапазон рабочих частот составляет от долей Герц до сотен кГц и градуировка их проводится высокоточным статическим методом []. Нелинейность функции преобразования датчиков давления не превышает ±1-2%, а для образцовых датчиков ± 0,3%. Это достигается за счет применения стабильных кристаллических ПЭ, высокоточного исполнения геометрии мембраны и всех силопередающих элементов (СПЭ). Тщательная шлифовка и доводка сопрягаемых поверхностей обеспечивает высокую жесткость конструкции и определенность динамических и частотных характеристик. ЧЭ в датчике, как правило, удален от резьбовой части корпуса для уменьшения влияния механических напряжений, возникающих при монтаже, на показания датчика. Одним из важнейших элементов датчика является мембрана, воспринимающая измеряемое давление и преобразующее его в силу, действующую на ПЭ. Чаще всего мембрана выполняется в виде тонкой пластины, изготовленной за одно целое с корпусом [,]. Реже встречаются мембраны в виде тонкой пластины, приваренной к корпусу []. В первом случае легче обеспечить герметичность конструкции, во втором - однородность толщины мембраны т. Для повышения линейности функции преобразования мембраны внутри или снаружи корпуса датчика делают проточку. Этой же цели служит приварка мембраны по контуру к пяте. Для повышения долговечности в условиях градиента температуры мембраны датчиков давления часто покрывают тонким слоем высокотемпературной керамики. Снижение вибрационной чувствительности достигается путем введения в конструкцию датчика виброкомпенсирующего ПЭ из того же материала, что и рабочий ПЭ [,]. Таблица 1. Тип датчика Максимальное статическое давление [диапазон измерений], 5 Па (psi) Чувствительность, [мВ/ Па-5] пКл/Па-Ю* (pC/psi) Температурный диапазон, "С (°F) Нелнней- . Температ. А (0. А [0,7. Н,5] -. Л [0,4. А (0,. А (0,4. Л [0,. А (0,7. В 6,9(0) (6) -0. Л (0) 1,4 (0,1) -0. В () 1,6 (0,) -. В () 1,6(0,) -. В () 3,6 (0,) -4.