П'єзоелектричні перетворювачі гідродинамічних тисків витратомірів рідких та газоподібних середовищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

П'ЄЗОЕЛЕКТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ГІДРОДИНАМІЧНИХ ТИСКІВ ВИТРАТОМІРІВ РІДКИХ ТА ГАЗОПОДІБНИХ СЕРЕДОВИЩ

Спеціальність - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

ГЛАЗЄВА Оксана ВОлОдимИрІвна

Одеса - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електротехніки та електронних пристроїв в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор ДЖАГУПОВ Рафаїл Григорович , доктор технічних наук, професор ВЛАСЕНКО Віктор Олексійович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри інформаційних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор КУЦЕНКО Альфред Миколайович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри фізики

кандидат технічних наук БАГДАСАРЯН Левон Борисович, ЗАТ “Харчопромавтоматика”, завідувач лабораторії аналітичних спектральних пристроїв

Провідна установа Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “ 26 ” вересня 2002 р. о 13 30 годині в ауд. 400А

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: ауд. 400А, ОНПУ, пр. Шевченка, 1, м. Одеса, 65044.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: пр. Шевченка, 1, м. Одеса, 65044.

Автореферат розісланий “ 20 ” серпня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, професор Ямпольський Ю. С.

АННОТАЦИЯ

Глазева О.В. Пьезоэлектрические преобразователи гидродинамических давлений расходомеров жидких и газообразных сред. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2002.

Диссертационная работа посвящена разработке методов и пьезоэлектрических средств измерений гидродинамического давления и созданию на их основе расходомеров автоматизированных систем контроля и управления.

Разработаны математические модели мономорфных и биморфных пьезоэлектрических преобразователей и отдельных узлов датчиков давлений, которые позволяют оценивать статические и динамические характеристики пьезопреобразователей при их проектировании и эксплуатации. Установлено, что динамические свойства гидравлического узла пьезопреобразователя давления существенно зависят от физико-химических свойств жидкости и конструктивного исполнения датчика. Предложены аналитические выражения для передаточной функции биморфного пьезопреобразователя гидродинамического давления, работающего в трансформаторном режиме. Проведенные экспериментальные исследования пьезоэлектрических преобразователей гидродинамического давления позволили обосновать метод и средства измерения расхода жидких сред с погрешностью не более одного процента. Предложены конструкции пьезоэлектронных расходомеров жидких и газообразных сред.

Основные результаты работы нашли промышленное применение и используются в учебном процессе.

Ключевые слова: пьезоэлемент, пьезоэлектрический преобразователь, гидродинамическое давление, чувствительность, динамические характеристики, расходомер.

ABSTRACT

Glazeva O.V. Piezoelectric transducers of hydrodynamic pressures for flow meters of liquid and gaseous substances. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical science on a specialty 05.13.05 - Elements and devices of computer facilities and control systems. The Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2002.

Dissertation work is devoted to the development of methods and piezoelectric devices for measurements of hydrodynamic pressure and design on their basis flow meters for automated monitoring and control systems.

One of the main goals in modern flow metering techniques is measurement the hydrodynamic pressure within streams of gases and liquids.

This goal could be achieved on the basis of usage of information taken from piezoelectric transducers of pressures. Reliability and accuracy of measurements of hydrodynamic pressure, well then velocities and flow rates of liquids and gases, complicatedly depended on design data of transducers, electrical and hydrodynamic regimes of their exploitation, and also on conditions of measurements.

Up to now the question of possible achievable accuracy of measurements by means of piezoelectric pressure transducers placed directly within a stream has not studied. Therefore, works on design effective piezoelectric pressure transducers for flow metering technique devices are actual.

The mathematical model describing the shape of bending consol fixed piezoelement taking into account displacement deformations has been built. On the basis of suggested description of bimorph piezoelement bending mechanism, the analytical dependence for coefficient of electromechanical transformation in bimorph transducer with galvanically isolated electrodes is obtained.

The obtained formula could be used in practice because similar types of transducers have higher accuracy compare to other types of transducers so far as the transformer coefficient is less influent from destabilizing factors.

The mathematical model describing the dynamic properties of piezoelectric transducers and based on them sensors of hydrodynamic pressure have been suggested and composed.

The models could be used for compensation of dynamic inaccuracies of measurement. The cavity is an element of piezoelectric sensor for flow measurement, and may act as which one pipeline, a nipple or capillary tube. The solution of wave type parabolic differential equation in partial derivatives gaves an expression of transfer function.

The method of structural parametrical identification of piezoelectric pressure transducers as a result of its component transfer functions multiplication is offered.

The analytical dependence for a dynamic signal of quartz pressure transducers is determined.

Since quartz piezoelements are too expensive, so piezoceramics transducers are widely in use. The dynamic structure of piezoceramic transducer of hydrodynamic pressure running in transformer regime is offered. It allows to optimize the dynamic regime of the device.

The characteristics of piezoelectric pressure transducers of various designs for flow meters of gases and liquids are experimentally investigated. For studies and tests of piezoelectric pressure transducers, special stands, including frequency adjustable electrical motor drive have been developed.

The study of piezo transducers has showed that the amplitude method is the simplest in circuitry realization of a flow measurement method on the basis of piezoelectric transducers of pressure.

Errors of liquids flow measurements with the help of designed piezo transducers have not exceeded 1 %.

It is established that low voltage electronic devices may be applied be excitation of oscillation in piezoelectric transducers of hydrodynamic pressure, also for reliable registration of information signal.

The constructions of piezoelectrical flow meters, are offered have been protected by patents of Ukraine. These meters allow to eliminate of inaccuracies of flow measurements of liquids and gases caused by effects of influence of ambient and measured substances parameters.

Key words: piezoelectric element, piezoelectric pressure transducers, hydrodynamic pressures, sensitivity, dynamic characteristics and flow meter.

АНОТАЦІЯ

Глазєва О.В. П'єзоелектричні перетворювачі гідродинамічних тисків витратомірів рідких та газоподібних середовищ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки і систем управління. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2002.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів і п'єзоелектричних засобів вимірювань гідродинамічного тиску та створенню на їх основі витратомірів автоматизованих систем контролю і управління.

Розроблено математичні моделі мономорфних і біморфних п'єзоелектричних перетворювачів та окремих вузлів датчиків тисків, які дозволяють оцінювати статичні і динамічні характеристики п'єзоперетворювачів при їх проектуванні та експлуатації. Встановлено, що динамічні властивості гідравлічного вузла п'єзоперетворювача тиску істотно залежать від фізико-хімічних властивостей рідини та конструктивного виконання датчика. Запропоновано аналітичний вираз для передавальної функції біморфного п'єзоперетворювача гідродинамічного тиску, що працює у трансформаторному режимі. Проведені експериментальні дослідження п'єзоелектричних п'єзоперетворювачів гідродинамічного тиску дозволили обґрунтувати метод та засоби вимірювання витрати рідких середовищ з похибкою не більше за один відсоток. Запропоновано конструкції п'єзоелектричних витратомірів рідких та газоподібних середовищ.

Головні результати роботи знайшли промислове застосування та використовуються у процесі навчання.

Ключові слова: п'езоелемент, п'єзоелектричний перетворювач, гідродинамічний тиск, чутливість, динамічні характеристики, витратомір.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Робота присвячена вдосконаленню існуючих і створенню нових пўєзоелектричних перетворювачів гідродинамічного тиску як елементів систем керування, обчислювальної техніки та приладобудування, зокрема компўютеризованих систем контролю та вимірювання витрат рідких та газоподібних середовищ.

Необхідність автоматичного вимірювання тиску та витрат аґресивних, токсичних, радіоактивних та кріогенних рідин і газів у промисловості, а також контролю витрати води в комунальному господарстві вимагає вдосконалення первинних вимірювальних перетворювачів.

Надійність і точність вимірювань гідродинамічного тиску, а саме, швидкості та витрати рідких та газоподібних середовищ, складним чином залежать від електричних та гідродинамічних режимів роботи і від конструктивних параметрів перетворювача. За останнє десятиріччя вченими та інженерами створена велика кількість пўєзоелектричних перетворювачів тиску, які використовуються в авіакосмічній техніці, атомній і тепловій енергетиці, хімічній та металургійній промисловості, але для потреб вимірювання витрат рідин та газів пўєзоелекричні перетворювачі практично не застосовуються.

Від точності перетворювачів тиску значною мірою залежить похибка приладів, установок, систем контролю та управління технологічними процесами в промисловості, тому роботи, пов'язані із створенням та вдосконаленням таких пўєзоперетворювачів гідродинамічного тиску, є актуальними.

Дисертація виконувалася відповідно до завдань фундаментальної держбюджетної науково-дослідної роботи № 0100U003732 “Теоретичні, експериментальні і технологічні основи створення нових матеріалів (напівпровідників, надпровідників, суперіонних провідників та гетеросистем на їх основі) із заданими властивостями для технологій надпровідності, газового аналізу та інфрачервоної техніки”, а також держбюджетної науково-дослідної роботи №379-145 “Розробка і дослідження сучасних методів та інформаційних технологій обробки сиґналів у системах вимірювань”.

Метою дисертаційних досліджень є підвищення точності та розширення діапазону вимірювань шляхом створення нових і вдосконалення існуючих конструкцій пўєзоелектричних перетворювачів тиску витратомірів рідких та газоподібних середовищ за рахунок зміни конструкцій та режимів роботи пўєзоперетворювачів.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були розв'язані такі задачі:

- отримані аналітичні залежності чутливості пўєзоперетворювачів для датчиків тисків різних конструкцій ;

- побудовані передавальні функції пўєзоперетворювача з гальванічно відокремленими електродами ;

- виконано структурно-параметричну ідентифікацію пўєзоелектричних датчиків тиску ;

- експериментально досліджені пўєзоперетворювачі тиску в пўєзовитратомірах рідких та газоподібних середовищ.

Обўєкт дослідження - процес перетворення фізичних параметрів в пўєзоелектричних датчиках тиску.

Предмет дослідження - пўєзокерамічні перетворювачі тиску витратомірів рідин і газів.

Методи дослідження. Для побудови аналітичних залежностей коефіцієнтів чутливості пластинчастих пўєзоперетворювачів від різних способів їх закріплення використано методи лінійної теорії електропружності. Для побудови динамічних моделей датчиків використано теорію автоматичного реґулювання та теорію функції комплексної змінної. Обробка експериментальних даних і моделювання характеристик вузлів перетворювачів проводилися за допомогою методів теорії ймовірності, математичної статистики і оптимізації. Адекватність запропонованих моделей підтверджено експериментальним шляхом та виробничними випробуваннями дослідних зразків перетворювачів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:

· одержані аналітичні залежності для розрахунків статичних коефіцієнтів чутливості жорстко та консольно закріплених пластинчастих пўєзоперетворювачів ;

· обґрунтовані необхідність урахування зсувових деформацій при згині біморфного пўєзоелемента ;

· запропоновано математичну модель процесу електричної трансформації у біморфному пўєзоперетворювачі з гальванічно відокремленими електродами, яка враховує запропонований механізм згинання біморфного пўєзоелемента ;

· запропоновано математичну модель біморфного пўєзоперетворювача гідродинамічних тисків, який працює в трансформаторному режимі.

Практичне значення одержаних результатів

1. Одержані аналітичні залежності для коефіцієнтів чутливості пўєзо-перетворювачів та форм їх згину дозволяють точніше розрахувати їх чутливість.

2. Аналітичний вираз для передавальної функції біморфного пўєзоперетворювача тиску з гальванічно відокремленими електродами дозволяє оцінювати й оптимізувати динамічні характеристики пўєзоперетворювачів при їх проектуванні та експлуатації.

3. Розроблені конструкції пўєзоелектричних витратомірів на основі біморфних пўєзоперетворювачів гідродинамічного тиску, які є прототипами промислових приладів.

Запропоновані методики розрахунку та принципи побудови пўєзоелектричних витратомірів на основі біморфних пўєзоперетворювачів гідродинамічного тиску впроваджені у промисловості в НДІ “Шторм”, в навчальний процес на кафедрі електротехніки та електронних пристроїв Одеської державної академії холоду при вивченні дисципліни “Механотронні системи”, а також у дипломному проектуванні.

Особистий внесок пошукача на здобуття наукового ступеня полягає у пропозиції та обґрунтуванні нового методу вимірювання тиску та витрати рідких і газоподібних середовищ за допомогою пўєзоперетворювачів гідродинамічного тиску, розташованих уздовж потоку безпосередньо в трубопроводі [1, 2, 11, 13]. Автор запропонувала і розробила методику визначення чутливості пўєзоперетворювачів тиску різних конструкцій [3, 4, 14], побудувала передавальну функцію гідравлічного вузла і в цілому датчика тиску й передавальну функцію пўєзоперетворювача тиску з гальванічно відокремленими електродами [5-7, 15]. Крім того, автор розробила та експериментально дослідила біморфні пўєзоперетворювачі тисків витратомірів газів та рідин на створених їй аерогідравлічних стендах [8-10, 16] і запропонувала конструкції пўєзоелектричних витратомірів [11, 12, 17, 18].

Апробація результатів дисертації

Головні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались:

- на ІІІ Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика - 96”, (Севастополь, 1996 р.) ;

- на І Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми енергозбереження та екології в суднобудуванні”, (Миколаїв, 1996 р.) ;

- на науково-методичній конференції “Людина та навколишнє середовище - проблеми безперевної екологічної освіти у вузах”, (Одеса, 1996 р.) ;

- на Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційна техніка та електромеханіка на порозі XXІ-го століття ІТЕМ - 2001”, (Луганськ, 2001 р.) ;

- на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та електронні технології СІЕТ -2001”, (Одеса, 2001) ;

- на Міжнародній конференції з управління “Автоматика - 2001”, (Одеса, 2001).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 18 основних наукових працях, у тому числі у 14 статтях, які вміщено в журнали, збірники наукових праць, що затверджені ВАК-ом України, 2 патентах України на винаходи і матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Обсяг дисертації - 158 сторінок, додатків - 8 сторінок. Дисертація містить 73 рисунки, 4 таблиці, і посилання до 110 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну та практичну значимість, позначені об'єкт і предмет дослідження, сформульовані його мета і задачі.

У першому розділі проведено аналіз робіт у галузі розробки витратомірів рідких та газоподібних середовищ, де використовуються пўєзоелектричні перетворювачі тиску. Зазначено особливості застосування існуючих пристроїв та показано їх недоліки, а також шляхи усунення недоліків. П'єзоелектричні перетворювачі у витратомірах рідин і газів можливо використовувати як у датчиках тиску при вимірюваннях витрат методом змінного перепаду тиску, так і у датчиках гідродинамічного тиску, що безпосередньо розташовані у потоці. Для розширення динамічного діапазону і підвищення точності вимірювання витрати необхідна зміна конструкцій пўєзоперетворювачів та режимів їх роботи. Розміщення пўєзоперетворювачів безпосередньо у потоці дозволяє збільшити чутливість і підвищити надійність вимірювань тиску та витрат рідких і газоподібних середовищ.

Використання п'єзоелектричних перетворювачів тиску в якості датчиків статичного тиску та перепаду тиску у витратомірах викликає необхідність теоретичного аналізу процесів перетворення таких фізичних величин, як сила, тиск та момент у датчиках витратомірів, а також розробки і експериментальне дослідження нових конструкцій датчиків.

У другому розділі проведена побудова та дослідження математичних моделей пўєзоперетворювачів тиску, одержані аналітичні вирази для чутливостей пўєзоперетворювачів різноманітних геометричних форм.

Для консольно закріпленого пўєзокерамічного стрижневого пўєзоперетворювача на підставі рівнянь пўєзоефекту та лінійної теорії електропружності здобуто вираз для чутливості перетворювача у вигляді відношення вихідного сиґналу U до сили F:

, (1)

де U - електрична напруга, В ; F - сила, Н ; d31 - пўєзомодуль, Кл/Н ; l, b, d- відповідно, довжина, ширина і товщина пўєзострижня, м ; - абсолютна діелектрична проникність пўєзокераміки, Ф/м.

Для жорстко закріпленої по всіх гранях п'єзопластини у перетворювачі аналітичний вираз для коефіцієнта чутливості матиме вигляд:

, (2)

де Q - електричний заряд, Кл ; р - тиск, Па ; s11, s12 - пружноелектричні сталі пўєзокераміки при постійній напруженості електричного поля, м2/Н ; l1, l2, l3 - довжина, ширина і товщина пўєзопластини, м ; x, z - поточні довжина та ширина пўєзопластини, м.

Найскладнішою є математична модель перетворення механічних величин в електричну напругу у пўєзоперетворювачі на основі консольно закріпленої пўєзопластини

Для коефіцієнта чутливості подібного пўєзоперетворювача одержано такий вираз:

, (3)

де м - коефіцієнт Пуассона пўєзокераміки ; l1 - довжина пластини, м ; l2 - ширина пластини, м ; l3 - товщина пластини, м ; z - поточна координата за шириною пластини, м ; l - поточна координата за довжиною пластини, м.

Оскільки при використанні теорії коливань пўєзоелектричних тіл важливе знання форми згину, то для консольно закріпленого біморфного пўєзоелемента (БПЕ), що складено з двох пўєзостержнів, визначено величину прогину з урахуванням поздовжніх, поперечних та зсувних деформацій.

Величина прогину описується одержаною залежністю :

, (4)

Де ; ;

- поперечна сила, Н ; - поздовжня сила, Н ; е - діелектрична стала пўєзокераміки ; - площа електродованої поверхні стрижня, м2 ; - напруженість електричного поля залишкової поляризації, В/м ; - напруженість електричного поля, створюваного між електродами від джерела напруги, В/м ; - площа торця стрижня, перпендикулярна діючій поздовжній силі м2 ; - модуль пружності пўєзокераміки, Н/м2 ; J - момент інерції, кгЧм2 ; l - довжина пўєзоелемента, м ; х - поточна координата за довжиною пўєзоелемента, м ; h - товщина пўєзоелемента, м.

При проектуванні пўєзоперетворювачів тиску важливо знати характеристики згину пўєзоелементів, у звўязку з чим для біморфного пўєзоелемента з гальванічно розділеними електродами (рис. 2) знайдено вирази для радіуса кривини у вигляді

, (5)

де - електрична напруга, що подається на пўєзопластину, В.

Використання у біморфних пўєзоперетворювачах трансформаторного режиму дозволяє збільшити точність вимірювань, бо коефіцієнт трансформації меншою мірою зазнає впливу дестабілізуючих чинників. Для коефіцієнта трансформації здобуто аналітичну залежність:

, (6)

де = , - електрична стала, Ф/м ; U1, U2 - електричні напруги, що подаються на першу та другу пўєзопластини, В.

Ця залежність показує, що електромеханічне перетворення у біморфному пўєзоелементі визначається в основному фізичними параметрами пўєзокераміки.

Наведені аналітичні вирази дозволяють розрахувати параметри пўєзоперетворювачів тиску при їх проектуванні.

У третьому розділі наведено дослідження динамічних властивостей пўєзоперетворювачів і датчиків тиску. Оскільки динаміку засобів вимірювань найпростіше описують за допомогою передавальних функцій, нами визначені передавальні функції окремих вузлів та датчиків в цілому. Одним з важливих гідравлічних вузлів пўєзодатчика є трубка і патрубок, які можуть являти собою порожнину. На підставі аналізу та розвўязання диференційного рівняння вигляду

, (7)

Де , м2/с ; r - радіус трубки, м ; h - динамічна вўязкість рідини, ПаЧс ; p - тиск, Па ; t - час, с ; x - поточна координата, одержано передавальну функцію порожнини у вигляді:

, (8)

де - комплексна змінна ; - постійна часу, с.

Окремо знайдено передавальну функцію капіляра для випадку, коли на його вхід подано одиничний стрибок тиску. Тоді,

. (9)

Таким чином, вигляд передавальної функції гідравлічного вузла пўєзодатчика тиску залежить від його конструктивного виконання.

Швидкість руху рідини у трубці можна визначити так:

, (10)

де - швидкість на вході до капіляру, м/с.

У роботі проведена структурно-параметрична ідентифікація пўєзоелектричного датчика тиску у вигляді добутку передавальних функцій його вузлів.

Динаміка пўєзоелектричного перетворювача тиску на основі кварцового пўєзоелемента описується рівнянням:

, (11)

де - деформація, м ; - пўєзоелектричний модуль, Кл/Н ; Ey - модуль пружності, Н/м2 ; b - ширина п'єзоелементу, м ; С - пружність кристала, Н/м2 ; - опір витоку струму через ємність кристала, Ом ; - опір навантаження, Ом ; - амплітудне значення тиску, Па.

Якщо внесений механічний опір, внаслідок зворотної дії електричного кола на деформацію кристала, малий, то

, (12)

і струм у зовнішньому колі дорівнюватиме:

. (13)

Цей вираз дозволяє розрахувати значення сиґналу пўєзоперетворювача залежно від частоти зміни тиску та фізичних, геометричних параметрів кристала кварцу.

Динамічну структуру пўєзоелектричного перетворювача тиску на основі пўєзокерамічного БПЕ подано на рис. 3. А рівняння системи матиме вигляд:

, (14)

де - задаюча дія, - збурювальна дія.

Задаючою дією є - величина електричної напруги, що подається на першу пўєзопластину, а збурювальною дією - - величина гідродинамічного тиску.

Тоді передавальна функція за завданням матиме вигляд:

, (15)

і може бути записана у вигляді дробово-раціональної функції p:

.

Передавальна функція по каналу збурення

. (16)

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) для каналу завдання має вигляд:

, (17)

фазочастотна характеристика (ФЧХ):

. (18)

АЧХ каналу збурення виражається як

, (19)

а ФЧХ матиме вигляд

.(20)

Знайдені аналітичні вирази для динамічних характеристик пўєзоперетворювачів тиску є методичною основою для корекції динамічних властивостей пўєзоперетворювачів у процесі вимірювань.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень виготовлених пўєзоперетворювачів гідродинамічного тиску в газових та рідинних потоках. На підставі одержаних експериментальних даних побудовано АЧХ та ФЧХ і визначено параметри функцій перетворення датчиків, виконаних на основі пўєзоперетворювачів разноманітних конструкцій.

Дослідження пўєзоелектричних перетворювачів з метою використання їх у витратомірах газових потоків проводилося за допомогою стенда, схема якого подана на рис. 4.

Інформативними параметрами вихідного сиґналу пўєзоперетворювача тиску трансформаторного типу з гальванічно роз'єднаними електродами можуть бути амплітуда, частота і фаза.

У таблицях 1 і 2 наведено результати досліджень біморфного пўєзоперетворювача, виконаного на основі пўєзокераміки ЦТС-19 (0,07ґ0,012ґ0,0015 м) при температурі навколишнього середовища Т0=20оС на різних резонансних частотах коливань.

Таблиця 1. Вимірювання витрати повітря (fрез = 596 Гц)

Q, м3/с	Uвх, В	Uвих, мВ	fвих, Гц	j, о
0	1,5	30	596	0
8,6Ч10-4	1,5	37	596	0
0,10	1,5	320	593	10

Таблиця 2. Вимірювання витрати повітря (fрез = 22 кГц)

Q, м3/с	Uвх, В	Uвих, мВ	fвих, Гц	j, о
0	1,5	26	24784	0
8,6Ч10-4	1,5	34	24784	0
0,10	1,5	270	24480	8

У таблицях прийняті такі позначення: Q - витрата газу, Uвх - величина електричної напруги, що подається на першу пўєзопластину, Uвих - величина напруги, що знімається з другої пўєзопластини, j - зсув фази, fвих - частота сиґналу при ввімкненні пўєзоелемента у зворотний звўязок підсилювача постійного струму.

Як свідчать дані таблиць, найбільш інформативним є амплітудний метод вимірювань, що є найпростішим і у схемотехнічній реалізації. Амплітуда сиґналу зростає із збільшенням витрати, що можна пояснити ефектом додаткового згину перетворювача гідродинамічним тиском при русі потоку назустріч площині коливань пластинки.

За допомогою створеного експериментального стенда було проведено випробування та дослідження пўєзоперетворювачів витрати рідких середовищ.

Реґулювання витрати рідини на стенді проводилося за допомогою спеціально розробленого мікропроцесорного частотнореґульованого електропривода.

Проведені дослідження показали, що приведені похибки змін витрати рідини амплітудним методом не перевищили 1,0%. Експериментальне вивчення створених пўєзокерамічних перетворювачів дозволило обґрунтувати конструкції пўєзовитратомірів газів та рідин, що дозволяють підвищити достовірність вимірів витрат. На рис. 9 представлена структурна схема витратоміра газових потоків. У витратомірі передбачена корекція температурної погрішності шляхом внесення відповідного виправлення в результаті вимірів на основі бази даних про зміни амплітуди сигналу БПЕ в залежності від температури середовища.

Погрішність п'єзоелектричного витратоміра можна знизити, якщо розмістити два БПЕ в одній площині, наприклад, у вертикальній, уздовж потоку в трубопроводі (рис. 10). Оскільки амплітуда коливань залежить від напрямку обтікання середовищем біморфної коливної пластини, то вихідний сигнал для першого БПЕ буде збільшуватися, а для другого - зменшуватися. Якщо вихідні сигнали подати на диференціальний підсилювач, то вплив неінформативних параметрів, таких як температура, щільність і в'язкість середовища на показання витратоміра можна зменшити.

Якщо поле швидкостей потоку неоднорідно, то два БПЕ можна розмістити в двох взаємно перпендикулярних площинах. Подані схеми рекомендовано використовувати при проектуванні промислових приладів.

п'єзоелектричний гідродинамічний тиск витратомір

ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення пўєзоелектричних перетворювачів гідродинамічного тиску, виявили ряд нових закономірностей, що дозволило розробити новий метод та пристрої вимірювання витрати рідких та газоподібних середовищ.

Результати роботи використовуються у промисловості та навчальному процесі.

2. При розрахунку чутливості перетворювачів тиску, виконаних на основі кварцових моноелементів, стержневих і пластинчастих пўєзокерамічних елементів, необхідно враховувати фізичні та геометричні параметри, і, в першу чергу, пўєзоелектричні константи та товщину пўєзоелемента. Отримані аналітичні вирази для чутливостей перетворювачів можна використати на практиці при проектуванні пўєзоперетворювачів фізичних величин.

3. Внаслідок розробки математичної моделі, що описує форму згину консольно закріпленого пўєзоелемента, показано, що потрібно враховувати дотичні напруги від деформації зсуву пўєзоелемента. Математичні моделі, що описують форму та механізм згину біморфного пўєзоелемента, можна застосувати у теорії коливань пўєзоелектричних тіл.

4. У результаті аналізу одержаної аналітичної залежності коефіцієнта трансформації у біморфному пўєзоперетворювачі з гальванічно роз'єднаними електродами встановлено, що електромеханічні перетворення у ньому суттєво залежать від величини пўєзомодуля, залишкової поляризації та діелектричної сталої пўєзоелементів перетворювача.

5. Аналіз математичної моделі порожнини як гідравлічного вузла засобів вимірювань тиску та витрат показує, що динамічні властивості порожнини істотно залежать від фізично-хімічних властивостей рідини та геометричних форм і розмірів та конструктивного виконання порожнини.

6. Для зменшення динамічних похибок вимірювання тиску у процесі вимірювання слід використовувати корекцію показань, основану на використанні передавальної функції, здобутої в результаті структурно-параметричної ідентифікації пўєзоперетворювача тиску.

7. Запропоновано аналітичний вираз для передавальної функції біморфного пўєзоперетворювача гідродинамічного тиску, який працює у трансформаторному режимі, що дозволяє оптимізувати в динаміці режим роботи пристрою.

8. Проведені експериментальні дослідження пўєзоелектричних перетворювачів гідродинамічного тиску витратомірів рідких та газоподібних середовищ свідчать, що найпростішим, з погляду апаратної реалізації, є амплітудний метод обробки інформативного сиґналу пўєзоперетворювачів на частотах, що передують першому резонансу. Приведена похибка вимірювань витрати не перевищила одного відсотку.

9. Встановлено, що для збудження коливань у пўєзоперетворювачі, який виконано на основі пўєзокераміки ЦТС-19, та отримання надійно реєструємого інформативного сигналу, достатньо величини електричної напруги 2 В. Це відкриває перспективу застосування низьковольтної електроніки у пўєзоперетворювачах гідродинамічного тиску витратомірів рідини та газу, як елементів систем керування.

Запропоновані конструкції пўєзоелектричних витратомірів захищено патентами України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Джагупов Р.Г., Глазева О.В. О возможностях применения пьезокерамики для измерения расходов жидкости и газа. // Придніпровський науковий вісник, сер. фізико-математичні науки, “Наука і освіта”.- 1998. - №6 (73). - С. 24-31.

2. Джагупов Р.Г., Глазева О.В., Никольский В.В. Современные элементы и устройства пьезоактивной электромеханики // Придніпровський науковий вісник, сер. фізико-математичні науки, - 1998 . - №6 (73). - С. 31-48.

3. Плавинский Е.Б., Глазева О.В. Форма изгиба и свободные колебания консольно закрепленных пьезопластин // Труды ОГПУ - 2001. - вып. 2 (14). - С. 142 - 145.

4. Плавинский Е.Б., Никитенко И.В., Глазева О.В., Пичугин А.Е. Определение статического коэффициента чувствительности пьезопреобразователей, выполненных на основе консольно закрепленных прямоугольных пьезопластин // Вісник ЧІТІ - 2001 - №4. - С. 54-57.

5. Плавинский Е.Б., Глазева О.В. Динамические свойства полости как гидравлического узла средств измерений параметров жидких и газообразных сред // Труды ОГПУ - 2000. - вып. 1 (10). - С. 110 - 115.

6. Глазева О.В., Онищенко О.А., Плавинский Е.Б. Структурно-параметрическая идентификация пьезоэлектрического датчика давления // Холодильная техника и технология - 2000, - вып. 64. - С. 116 - 120.

7. Глазева О.В., Онищенко О.А., Плавинский Е.Б. Динамические режимы работы пьезоэлектрических преобразователей давления // Холодильная техника и технология - 2002 - №1 (75). - С. 67-70.

8. Глазева О.В., Плавинский Е.Б. Моделирование функции преобразования пьезоэлектрических датчиков гидродинамических давлений // Холодильная техника и технология - 1999 - вып. 61. - С. 17-20.

9. Глазева О.В., Белокопытный А.С., Плавинский Е.Б. Пьезоэлектронный расходомер газовых потоков // Холодильная техника и технология - 2000 - вып. 68. - С. 65-66.

10. Глазева О.В., Онищенко О.А., Радимов И.Н. Исследование пьезопреобразователей на стенде с регулируемыми гидравлическими характеристиками // Холодильная техника и технология - 2001 - №5 (74). - С. 59-63 .

11. Глазева О.В. Пьезоэлектронный расходомер жидких сред / В кн.: Труды второй международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. Одесса, - 2001 - С. 235.

12. Плавинский Е.Б., Никольский В.В., Глазева О.В. Пьезоэлектронные преобразователи физико-химических величин. / В кн.: Матеріали Міжнародної конференції з управління “Автоматика-2001 р.”, м. Одеса, Україна: в 2-х т. - Одеса, 2001. -Т.1 - С. 171-172.

13. Глазева О.В. Гидродинамические пьезоэлектрические расходомеры. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля - 2002 - № 4 (50). - С. 192-195.

14. Плавинский Е.Б., Глазева О.В. Чувствительность пьезопреобразователя давления, выполненного на основе жестко закрепленной пьезопластины // Труды ОНПУ - 2002. - № 1 (17). - С. 86 - 88.

15. Плавинський Є.Б., Глазєва О.В. Визначення коефіцієнту трансформації в гальванічно розділеному п'єзоперетворювачі // Труды ОНПУ - 2002. - № 1 (17). - С. 90 - 95.

16. Плавинский Е.Б., Никитенко И.В., Глазева О.В., Поповский А.Ю., Крохмаль Д.Ю., Никольский В.В. Измерение вязкости жидких сред пьезоэлектрическим вискозиметром // Судовые энергетические установки . Науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 6. - Одесса.. ОГМА. - С. 61-62.

17. Пат. 34149А Україна, МПК7 G 01 F 3/12 П'єзоелектронний витратомір рідких та газоподібних середовищ / Глазєва О.В., Плавинський Є.Б. ; ОДПУ - № 99063/64. Заявл. 09.06.1999. Опубл. 15.02.2001, Бюл. №1.

18. Пат. 41109А Україна, МПК7 G 01 F 3/12 П'єзоелектронний витратомір рідких та газоподібних середовищ / Глазєва О.В., Плавинський Є.Б. ; ОДПУ - № 2001020966. Заявл. 13.02.2001. Опубл. 15.08.2001, Бюл. №7.

Размещено на Allbest.ru

...