датчик импульсных давлений

Формула изобретения

1. Датчик импульсных давлений для измерения быстропеременных давлений и параметров удара, содержащий акустический волновод постоянного акустического сопротивления, снабженный чувствительным элементом, отличающийся тем, что волновод выполнен из двух участков разного поперечного сечения, причем приемная часть волновода выполнена с меньшим сечением относительно опорной части с соответствующим соблюдением условий соответствия соотношения сигнал-шум k=(d ₁/d₂)² и L=(5...10)d ₂, где k - коэффициент сигнал/шум; d₁ , d₂ - диаметры приемной и опорной частей соответственно; L - длина опорной части.

2. Датчик импульсных давлений по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент расположен у основания приемной части волновода и охлаждается жидким или газообразным хладоагентом.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый датчик относится к измерительной технике и предназначен для регистрации быстропеременных и импульсных давлений, в том числе параметров удара твердых, жидких и газообразных сред.

Известен датчик давления для измерения параметров волн давления, в котором для увеличения полезной длительности регистрации процесса чувствительный элемент соединен со стержневым акустическим волноводом, имеющим постоянное сечение и акустическое сопротивление по длине (а.с. СССР №391428, МПК G01L 9/08, 1975 г).

Недостатки датчика: полезная длительность регистрации ударного процесса ограничивается моментом прихода отраженной волны от свободного конца акустического волновода. При регистрации длительных импульсов значительно возрастают габариты датчика, что приводит к усложнению условий эксплуатации и ограничивает область применения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является датчик давления, в котором акустический волновод выполнен в виде набора коаксиальных цилиндров, соединенных со стержневой частью волновода на свободном конце (а.с. СССР №737798, МПК G01L 9/08, 1980 г). Расширение длительности регистрируемого сигнала и уменьшение габаритов датчика по длине достигается изменением направления распространения волн в акустическом волноводе при переходе от стержневой части к системе коаксиальных цилиндров.

Недостатками датчика являются внутренние отражения волн давления в местах соединения коаксиальных цилиндров по торцам, так как в конструкции датчика не предусмотрены меры для прохода волн через область соединений без отражения. Кроме того, при увеличении числа коаксиальных цилиндров значительно возрастают поперечные размеры датчика.

В основу изобретения поставлены следующие задачи: упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение универсальности датчика и точности измерений за счет уменьшения помех от отраженных волн.

Данные задачи достигаются тем, что в датчике импульсных давлений акустический волновод выполнен из однородного материала, имеющего постоянное акустическое сопротивление по длине, и состоит из двух участков разного сечения, причем приемная часть волновода с размещенным на нем чувствительным элементом имеет меньшее сечение относительно опорной части. Для регистрации импульсных давлений в среде с повышенной температурой чувствительный элемент расположен у основания приемной части волновода и охлаждается хладагентом.

На фиг.1 представлена конструкция датчика импульсных давлений. На фиг.2 - вариант конструкции для измерения импульсных давлений в труднодоступном месте. На фиг.3 - вариант конструкции датчика импульсных давлений для регистрации в условиях повышенной температуры измеряемой среды.

Уменьшение габаритов и погрешности при регистрации импульсов давления в широком диапазоне длительности процесса достигается за счет замыкания основного потока отраженных волн в опорной части волновода большего сечения. Участки волновода выполнены из цельного материала при отсутствии контактных соединений между ними, что препятствует возникновению внутренних отраженных волн в приемной части, на которой расположен чувствительный элемент.

Датчик импульсных давлений содержит акустический волновод, состоящий из приемного стержня 1 и опорной части 2. Чувствительный элемент 3 располагается на приемном стержне. Волновод изолирован демпфирующими прокладками или заливкой эластичным компаундом 4.

Работа датчика импульсных давлений.

Волна давления воздействует на чувствительный элемент 3 и проходит через приемную часть 1 волновода в опорную 2. Благодаря тому что волновод выполнен из однородного материала с постоянным акустическим сопротивлением, в месте сочленения приемной и опорной частей отсутствуют внутренние отражения волн давления. Волна давления, проходя из приемной части меньшего сечения d₁, распространяется вдоль опорной части большего сечения d₂ и преобразуется из сферической формы в плоскую. В результате плотность энергии падающей волны на свободный конец опорной части 2 волновода меньше, чем в приемной части 1 во столько раз, во сколько площадь поперечного сечения приемной части меньше площади опорной. Далее основной поток волны давления замыкается в опорной части волновода, отражаясь от торцевых плоскостей концов стержня.

Таким образом, в приемную часть попадает часть отраженной волны, уменьшенной на величину k=(d₁/d₂ )². Для эффективного уменьшения плотности энергии отраженной волны необходимо, чтобы длина опорной части волновода была: L (5...10)d₂. В этом случае соблюдается условие преобразования сферической волны в стержне опорной части в плоскую форму.

Для расширения универсальности датчика и обеспечения возможности регистрации импульсов давления в труднодоступных местах приемная часть волновода может быть выполнена с криволинейным участком (фиг.2). В этом случае волна давления также распространяется в приемной части волновода без внутренних отражений в месте сочленения криволинейного участка 1 с опорной частью 2.

На фиг.3 представлен вариант конструкции датчика импульсных давлений для регистрации в среде с повышенной температурой. Чувствительный элемент 3 (например, тензопреобразователь) расположен у основания приемной части волновода 1. Чувствительный элемент изолирован крышкой с демпфирующими прокладками 5. Зона с чувствительным элементом охлаждается газообразным или жидким хладагентом 6, например трансформаторным маслом.

Поверхность опорной части, примыкающая к приемной части волновода, может быть использована для монтажа элементов измерительной схемы (например, нормирующих усилителей) и выводов чувствительного элемента.

При реализации предлагаемого датчика импульсного давления существенно уменьшаются затраты на его изготовление и монтаж за счет упрощения конструкции и технологичности по сравнению с известными аналогами.

Примеры практической реализации датчика импульсных давлений:

1. Датчик давления, выполненный аналогично конструкции на фиг.1, используется для регистрации параметров удара электромагнитного привода при отработке технологии импульсной клепки листовых материалов;

2. Датчик давления, выполненный аналогично конструкции на фиг.2, используется для регистрации параметров ударных волн, возникающих при электрическом разряде в воде в технологии электрогидроимпульсной обработки материалов;

3. Датчик давления, выполненный аналогично конструкции на фиг.3, используется для измерения параметров ударных волн при магнитно-импульсной обработке сплавов жидкого металла.

Например, датчик давления, имеющий отношение диаметров опорной и приемной частей волновода d₂:d ₁=50:10 мм при длине опорной части 150 мм, позволяет регистрировать импульсы длительностью 10...300 микросекунд, обеспечивая отношение сигнал/шум более 20.