Розробка методів і п"єзоелектричних засобів вимірювань гідродинамічного тиску. Створення на витратомірів автоматизованих систем контролю і управління. Аналітичний вираз для передавальної функції біморфного п"єзоперетворювача гідродинамічного тиску.
При низкой оригинальности работы "П"єзоелектричні перетворювачі гідродинамічних тисків витратомірів рідких та газоподібних середовищ", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
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 пуєзоелектричних перетворювачів тиску, які використовуються в авіакосмічній техніці, атомній і тепловій енергетиці, хімічній та металургійній промисловості, але для потреб вимірювання витрат рідин та газів пуєзоелекричні перетворювачі практично не застосовуються. Від точності перетворювачів тиску значною мірою залежить похибка приладів, установок, систем контролю та управління технологічними процесами в промисловості, тому роботи, повязані із створенням та вдосконаленням таких пуєзоперетворювачів 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”.Пєзоелектричні 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. Розміщення пуєзоперетворювачів безпосередньо у потоці дозволяє збільшити чутливість і підвищити надійність вимірювань тиску та витрат рідких і газоподібних середовищ. Використання пєзоелектричних 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. Для консольно закріпленого пуєзокерамічного стрижневого пуєзоперетворювача на підставі рівнянь пуєзоефекту 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 - пуєзомодуль, Кл/Н ; l, b, d-відповідно, довжина, ширина і товщина пуєзострижня, м ; - абсолютна діелектрична проникність пуєзокераміки, Ф/м. Для жорстко закріпленої по всіх гранях пєзопластини у перетворювачі аналітичний вираз для коефіцієнта чутливості матиме вигляд: , (2) де Q - електричний заряд, Кл ; р - тиск, Па ; s11, s12 - пружноелектричні сталі пуєзокераміки при постійній напруженості електричного поля, м2/Н ; l1, l2, l3 - довжина, ширина і товщина пуєзопластини, м ; x, z - поточні довжина та ширина пуєзопластини, м.Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення пуєзоелектричних перетворювачів гідродинамічного тиску, виявили ряд нових закономірностей, що дозволило розробити новий метод та пристрої вимірювання витрати рідких та газоподібних середовищ. При розрахунку чутливості перетворювачів тиску, виконаних на основі кварцових моноелементів, стержневих і пластинчастих пуєзокерамічних елементів, необхідно враховувати фізичні та геометричні параметри, і, в першу чергу, пуєзоелектричні константи та товщину пуєзоелемента. Внаслідок розробки математичної моделі, що описує форму згину консольно закріпленого пуєзоелемента, показано, що потрібно враховувати дотичні напруги від деформації зсуву пуєзоелемента. У результаті аналізу одержаної аналітичної залежності коефіцієнта трансформації у біморфному пуєзоперетворювачі з гальванічно розєднаними електродами встановлено, що електромеханічні перетворення у ньому суттєво залежать від величини пуєзомодуля, залишкової поляризації та діелектричної сталої пуєзоелементів перетворювача. 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.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
1. Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення пуєзоелектричних 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 пуєзокерамічних елементів, необхідно враховувати фізичні та геометричні параметри, і, в першу чергу, пуєзоелектричні константи та товщину пуєзоелемента. Отримані аналітичні вирази для чутливостей перетворювачів можна використати на практиці при проектуванні пуєзоперетворювачів фізичних величин.
3. Внаслідок розробки математичної моделі, що описує форму згину консольно закріпленого пуєзоелемента, показано, що потрібно враховувати дотичні напруги від деформації зсуву пуєзоелемента. Математичні моделі, що описують форму та механізм згину біморфного пуєзоелемента, можна застосувати у теорії коливань пуєзоелектричних тіл.
4. У результаті аналізу одержаної аналітичної залежності коефіцієнта трансформації у біморфному пуєзоперетворювачі з гальванічно розєднаними електродами встановлено, що електромеханічні перетворення у ньому суттєво залежать від величини пуєзомодуля, залишкової поляризації та діелектричної сталої пуєзоелементів 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 пуєзоперетворювача тиску.
7. Запропоновано аналітичний вираз для передавальної функції біморфного пуєзоперетворювача гідродинамічного тиску, який працює у трансформаторному режимі, що дозволяє оптимізувати в динаміці режим роботи пристрою.
8. Проведені експериментальні дослідження пуєзоелектричних перетворювачів гідродинамічного тиску витратомірів рідких та газоподібних середовищ свідчать, що найпростішим, з погляду апаратної реалізації, є амплітудний метод обробки інформативного сиґналу пуєзоперетворювачів на частотах, що передують першому резонансу. Приведена похибка вимірювань витрати не перевищила одного відсотку.
9. Встановлено, що для збудження коливань у пуєзоперетворювачі, який виконано на основі пуєзокераміки ЦТС-19, та отримання надійно реєструємого інформативного сигналу, достатньо величини електричної напруги 2 В. Це відкриває перспективу застосування низьковольтної електроніки у пуєзоперетворювачах гідродинамічного тиску витратомірів рідини та газу, як елементів систем керування.
Запропоновані конструкції пуєзоелектричних витратомірів захищено патентами України.
Список литературы
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 пєзоперетворювачі // Труды ОНПУ - 2002. - № 1 (17). - С. 90 - 95.
