Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

БОГУШ МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ НА ОСНОВЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОТЕРМОУПРУГИХ МОДЕЛЕЙ Специальности

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону - 2008

Работа выполнена в НКТБ Пьезоприбор Южного Федерального университета Научный консультант доктор технических наук, профессор Панич Анатолий Евгеньевич Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор (проект) Крутчинский Сергей Георгиевич, доктор технических наук, профессор Заковоротный Вилор Лаврентьевич доктор технических наук, профессор Горбатенко Николай Иванович,

Ведущая организация: ФГУП НПО Измерительной техники

Защита состоится 23.01.2009 г. в 14-20 на заседании диссертационного совета Д 212.208.21 в Южном Федеральном Университете по адресу: Ростовская область, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан У___Ф ______________2008 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.208.21, Н.И. Чернов доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В мировой практике для контроля динамических процессов в качестве первичных преобразователей информации приборов, измерительных и управляющих систем широко применяются пьезоэлектрические датчики. Эти датчики используются для контроля акустического и быстропеременного давления, ускорения, усилия, вибрации, ударов, объемного и массового расхода, уровня и других физических величин. В настоящее время датчики на основе пьезоэлектрических элементов выпускаются более, чем 30 фирмами в мире.

Как правило, пьезоэлектрические датчики работают в экстремальных условиях эксплуатации: высокие и низкие температуры, квазистатические и динамические давления, линейные ускорения, акустические шумы, механические и гидравлические удары, агрессивные и криогенные среды. При этом датчик должен иметь механическую прочность и действовать дольше, чем агрегат, в котором он установлен и одновременно, как измерительное устройство, должен обладать гарантированными метрологическими характеристиками при действии всех дестабилизирующих факторов.

Большой вклад в теорию и практику проектирования пьезоэлектрических датчиков, внесли российские и зарубежные ученые Н.А. Бойков, И.А. Глозман, И.П. Голямина, А.В. Гориш, Р.Г. Джагупов, В.Домаркас, В.П. Дунаевский В.П. А.А. Ерофеев, Ю.А. Иориш, Р. Кажис, О.П. Крамаров, Б.В.Малов, Е.А. Мокров, И.В. Новицкий, А.Е.

Панич, С.И. Пугачев, А.И. Трофимов, А.М. Туричин, Ю.А.Устинов, Р.К. Цеханский, В.М. Шарапов, Э.Бауман, Д. Берлинкур, Е. Кекучи, У. Кук, У. Кэди, Д. Керран, У. Мэзон, Дж. Най, Н. Нуберт, Б. Яффе, Г. Яффе и др.

Вопросы проектирования датчиковой аппаратуры для специальных условий эксплуатации являются исключительно сложными. Имеется значительное число публикаций, в которых рассматриваются методы проектирования пьезоэлектрических датчиков, которые основываются, как правило, на одномерных моделях и ограничиваются нормальными условиями. В тех же случаях, когда требуется обеспечить работу датчика в заданном диапазоне температуры и давления, рекомендации имеют качественный характер. Поэтому принимаемые технические решения часто базируются только на опыте и интуиции разработчика и не являются оптимальными, особенно в тех случаях, когда необходимо создание принципиально новых изделии, а требуемые технические характеристики или вообще не достигаются, или обеспечиваются за счет снижения информативности или надежности приборов.

Внедрение энергосберегающих технологий поставило задачу оснащения промышленности системами учета расхода воды, тепла, газа, пара. Несмотря на то, что известны десятки методов измерения расхода вещества, продолжается поиск и освоение новых способов, которые могли бы конкурировать по универсальности с методом измерения перепада давления на сужающем устройстве, но превосходили бы его по диапазонам измерений и точности.

Перспективными для решения этой задачи являются вихревые расходомеры, основанные на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Однако, для создания конкурентоспособных приборов этого типа, универсальных относительно свойств контролируемой среды, необходимы преобразователи энергии потока в электрический сигнал, обладающие определенной совокупностью свойств: широкими динамическими и частотными диапазонами, значительными интервалами рабочих температур и давлений, высокой надежностью и ресурсом, малыми габаритами и низкой себестоимостью.

Для создания пьезоэлектрических датчиков, отвечающих этим требованиям, важной задачей является совершенствование методов их проектирования с учетом требований к информативности и надежности в рабочих условиях. В связи с вышеизложенным данная тема является актуальной.

Цель диссертационной работы. Разработка новых методов анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей, обеспечивающих улучшение их технических характеристик Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) Разработаны математические модели, рассматривающие датчики как единое пространственное электротермоупругое тело (а не набор конструктивных элементов), испытывающее действие информационного параметра и комплекса влияющих факторов в заданных условиях эксплуатации.

2) Разработаны новые методы испытаний и проведены исследования характеристик пьезокерамических материалов, необходимых для расчетов в рамках созданных математических моделей.

3) Разработаны новые методы оценки метрологических характеристик и механической надежности пьезоэлектрических датчиков с учетом влияния наиболее критичных дестабилизирующих факторов.

4) Разработана серия пьезоэлектрических датчиков с уникальными свойствами, нашедших широкое применение в вихревых расходомерах и других приборах.

Объектом исследования являются: пьезоэлектрические датчики как первичные преобразователи информации измерительных и управляющих систем, испытывающие действие информационного параметра и комплекса влияющих факторов.

Предметом исследования являются: методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на стадии проектирования.

Методы исследований. Результаты и выводы, представленные в диссертации базируются на теории преобразователей, пьезо- и пироэлектричества, упругости, электродинамики, теплопроводности, прочности, надежности, вероятностей, обоснованы математическим моделированием и экспериментальными исследованиями.

Достоверность научных результатов подтверждена корректной постановкой, строгим обоснованием и решением поставленных задач, сравнением результатов аналитического и численного моделирования с использованием современного программного обеспечения, соответствием результатов расчета опытным данным и результатам других авторов, экспериментальными исследованиями, выполненными для различных типов пьезоэлектрических датчиков, а также многолетним опытом их производства и эксплуатации в реальных условиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана и исследована аналитическая модель чувствительного элемента пьезоэлектрического датчика генераторного типа с деформацией растяжение-сжатие как кусочно-однородное пространственное электротермоупругое тело, содержащего пьезоэлемент и силопередающие элементы из различных материалов. Выявлены основные закономерности, связывающие функцию преобразования и прочность чувствительного элемента при действии осевой силы и изменении температуры с упругими модулями материалов и толщиной деталей. Найдены новые пути повышения чувствительности к информационному параметру (а.с. 947768, 1120245) и снижения аддитивной погрешности пьезоэлектрических датчиков при изменении температуры (а.с. 1353235) с помощью силопередающих элементов с заданными упругими свойствами.

2. Разработаны новые методы и устройства для измерения характеристик пьезокерамических материалов, в том числе упругих (а.с.1253296) и пьезоэлектрических (а.с.1187078) модулей, прочности на растяжение (а.с. 1250904), коэффициентов теплового расширения и проведены комплексные исследования параметров пьезокерамики.

3. Усовершенствованы методы оценки механической надежности пьезоэлектрических датчиков при проектировании с учетом пространственного напряженного состояния чувствительного элемента при действии давления и изменении температуры.

Предложены эффективные конструктивные и технологические приемы, позволяющие повысить механическую надежность пьезоэлектрических датчиков в условиях эксплуатации и заключающиеся в рациональном выборе материалов силопередающих элементов и температуры сборки чувствительного элемента. Предложен новый критерий выбора материалов силопередающих элементов.

4. Впервые разработана пространственная электротермоупругая модель пьезоэлектрического чувствительного элемента при действии всестороннего давления с учетом адиабатического изменения температуры окружающей среды. Выявлены новые закономерности, связывающие его коэффициент преобразования с характеристиками материалов, геометрией деталей, свойствами внешней среды и частотой процесса. Предложены эффективные приемы защиты пьезоэлемента от негативного влияния пироэффекта путем его теплоизоляции, а также снижения виброэквивалента (а.с.1262314).

5. Разработаны новые методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе универсальных относительно геометрии изделия и способов приложения нагрузки численных пространственных электротермоупругих моделей, отличающиеся комплексным учетом требований к динамическим характеристикам, чувствительности к информационному параметру и влияющим механическим факторам, прочности в условиях эксплуатации при действии давления и изменении температуры.

6. Разработаны конечно-элементные модели различных типов пьезоэлектрических датчиков давления и экспериментально подтверждена их достоверность для расчета коэффициента преобразования, собственных частот, вибрационной чувствительности и прочности. Выявлены новые закономерности, связывающие характеристики датчиков давления с геометрией его конструктивных элементов.

7. Научно обоснован обобщенный показатель качества пьезоэлектрических датчиков давления, характеризующий объем возможностей в виде плоскости давлениечастота, нормированный на площадь, связывающую датчик с объектом измерений.

8. Разработаны конечно-элементные пространственные электротермоупругие модели различных типов пьезоэлектрических датчиков, включая датчиков изгибающего момента, излучателей-приемников ультразвуковых волн, вибрационных сигнализаторов уровня, которые охватывают все типы пьезоэлектрических измерительных преобразователей с точки зрения физического принципа действия и хорошо согласуются с опытными данными.

9. Разработана серия пьезоэлектрических датчиков с уникальными свойствами для вихревых расходомеров энергоносителей, систем управления транспортировкой углеводородов, отработки изделий ракетно-космической Практическая значимость работы Полученные в настоящей работе теоретические и экспериментальные результаты позволяют улучшить технические характеристики пьезоэлектрических датчиков за счет повышения достоверности оценок и оптимизации параметров при проектировании, сократить количество натурных испытаний, ускорить доводку опытных образцов.

ичный вклад автора В диссертации использованы материалы, в которых лично автору принадлежит постановка задач, выбор методов теоретических и экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, предложения по практическому их применению при разработке новых датчиков.

Реализация результатов работы На основании теоретических и экспериментальных результатов настоящей работы созданы пьезоэлектрические датчики 014М, 018, 019, 021, 108М (ООО Пьезоэлектрик г. Ростов-на-Дону), с использованием которых разработаны 11 типов вихревых расходомеров воды, газа и пара, включенных в государственный реестр средств измерения РФ и серийно выпускаемых на 7 предприятиях страны, в том числе СВГ.М, СВГ.З и СВП.М (ОАО Сибнефтеавтоматика г. Тюмень), Dymetiс 9412, Dymetiс 9421, Dymetiс 9431 (ЗАО Даймет и ОАО Опытный завод Электрон г. Тюмень), Ирга РВ (ООО Глобус, г. Белгород), Взлет ВРС (ЗАО Взлет, г. Санкт-Петербург), Ирвис РС4 (ООО Ирвис, г. Казань), Метран 331 и Метран 332 (ЗАО Метран, г. Челябинск).

Эти приборы по техническому уровню не уступают аналогам ведущих зарубежных фирм, а по некоторым характеристикам превосходят их; обеспечивают около 90% российского рынка вихревых средств учета газа и пара среди отечественных производителей, успешно конкурируют с традиционными приборами, основанными на измерении перепада давления на сужающем устройстве, а также турбинного и ротационного типа, занимая на российском рынке более 23% среди промышленных приборов учета газа и 60% среди приборов учета пара.

В результате проведенных исследований создана элементная база для успешного развития вихревой расходометрии в России и другие востребованные промышленностью пьезоэлектрические устройства для измерительных и управляющих систем, в том числе:

- сверхминиатюрные объемно-чувствительные датчики давления ДПС-008 для отработки изделий ракетно-космической техники (ФГУП НИИ Физических измерений г. Пенза);

- пьезоэлектрические преобразователи 223 к первым отечественным промышленным ультразвуковым расходомерам газа Dymetiс 1222, применяемых в системах учета попутного газа на нефтепромыслах (ЗАО Даймет, г. Тюмень);

- вибрационные сигнализаторы уровня СУ-802 (НКТБ Пьезоприбор ЮФУ, г. Ростов-на-Дону), превосходящие по предельным рабочим давлениям (до 10 МПа) лучшие отечественные образцы, применяемые в системах управления магистральных газопроводов высокого давления (ЗАО Ставгазсервис, г. Ставрополь).

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках: 1 Всесоюзной конференции Влияние внешних воздействий на реальную структуру сегнетоэлектриков.- Черноголовка, 1981. Межотраслевых семинаров Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. - Белая Речка 1981, 1985. 7 Всесоюзной конференции Методы получения и анализа ферритовых, сегнето-, пьезоэлектрических, резистивных, конденсаторных материалов и сырья для них. - Донецк, 1983. Всесоюзного семинара Применение пьезоактивных материалов в промышленности. - Ленинград, 1985. Всесоюзного научного семинара Керамические, конденсаторные, сегнето- и пьезоэлектрические материалы. - Рига, 1986. Всесоюзных конференций Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления. - Пенза, 1986, 1999. Всесоюзной конференции по актуальным проблемам получения и применения сегнето- и пьезоматериалов. - Москва, 1987. The Ninth International Symposium on the Applications of Ferroelectrics,- Penn State Scanticon Conference Center, Pennsylvania, USA, 1994. Всероссийской научной конференции Фундаментальные проблемы пьезоэлектроники - Азов, 1995. Международной научно-практической конференции Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения. - Ростов-на-Дону, 1999. Всероссийских конференций Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения. - 1998, 2000, 2002. Всероссийской конференции Коммерческий учет энергоносителей.- Санкт-Петербург, 2000.

The Tenth International Congress on Sound and Vibration, - Stockholm, Sweden, 2003.

Всероссийской конференции Датчики и детекторы ВВТ.Ц Пенза, 2004.

Четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL.- Москва, 2004. Всероссийских конференций Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. - 2004, 2006, 2008. Международной научно-практической конференция ПЬЕЗОТЕХНИКАЦ2005. Ростов-на-Дону, Азов, 2005, Научно-технической конференции с международным участием Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении. - Таганрог, 2007.

Третьей Всероссийской научно-практической конференции Перспективные системы и задачи управления. - Домбай, 2008.

На защиту выносятся:

- аналитическая модель чувствительного элемента пьезоэлектрического датчика с деформацией растяжение-сжатие в виде кусочно-однородного пространственного электротермоупругого тела и выявленные на основании анализа модели закономерности, связывающие функцию преобразования и прочность чувствительного элемента при действии осевой силы и изменении температуры с упругими модулями материалов и толщиной деталей;

- новые методы и средства испытания параметров пьезокерамических материалов, в том числе упругих и пьезоэлектрических модулей, теплового расширения, прочности на растяжение; результаты комплексных исследований их характеристик;

- методы оценки механической надежности пьезоэлектрических датчиков с учетом пространственного напряженного состояния чувствительного элемента в условиях эксплуатации при действии давления и изменении температуры; способы повышения надежности пьезоэлектрических датчиков, заключающиеся в рациональном выборе материалов силопередающих элементов и температуры сборки чувствительного элемента;

- критерий выбора материалов силопередающих элементов заключающийся в следующем: материалы должны быть таковы, чтобы оценка вероятности неразрушения чувствительного элемента в условиях эксплуатации, определенная в рамках пространственной модели напряженного состояния, соответствовала заданным требованиям, вытекающим из структурно-функционального анализа надежности датчика;

- аналитическая пространственная электротермоупругая модель пьезоэлектрического чувствительного элемента при действии всестороннего давления с учетом адиабатического изменения температуры окружающей среды и выявленные новые закономерности, связывающие его коэффициент преобразования с характеристиками материалов, геометрией деталей, свойствами внешней среды и частотой процесса;

способы защиты пьезоэлемента от негативного влияния пироэффекта путем его теплоизоляции, а также снижения виброэквивалента;

- методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе конечноэлементных пространственных электротермоупругих моделей инвариантных относительно геометрии изделия и способов приложения нагрузки, отличающиеся комплексным учетом требований к диапазону рабочих частот, чувствительности к информационному параметру и влияющим механическим факторам, прочности в условиях эксплуатации при действии механических нагрузок и изменении температуры;

- конечно-элементные пространственные электротермоупругие модели пьезоэлектрических датчиков, включая датчики давления различных типов, датчики изгибающего момента для вихревых расходомеров, излучатели-приемники ультразвуковых волн, вибрационные сигнализаторы уровня;

- обобщенный показатель качества пьезоэлектрических датчиков давления, характеризующий объем возможностей в виде плоскости давление-частота, нормированный на площадь, связывающую датчик с объектом измерений.

Публикации По теме диссертации опубликовано 53 научные работы, в том числе: 1 монография, 14 статей в рецензируемых периодических изданиях по списку ВАК, 8 авторских свидетельств СССР, 1 патент РФ, 2 работы в трудах международных научных конгрессов и симпозиумов, 15 статей в научно-технических сборниках и журналах, работ в трудах Всесоюзных, Всероссийских и межотраслевых научно-технических конференций и семинаров Общая характеристика диссертации Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и приложения. Объем диссертации составляет 360 страниц, содержит 112 рисунков, 39 таблиц, библиография - 236 наименований. В приложении приведены 11 актов внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, описаны научная новизна, практическая значимость и реализация результатов, личный вклад автора, положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе дан аналитический обзор состояния направлений исследования.

Отмечается, что развитие вихревых расходомеров жидкости, началось в 60-е годы в США, Японии и СССР. Первые вихревые расходомеры газа и пара появились в России в 90-х годах прошлого века. Достоинством вихревых расходомеров является универсальность относительно свойств контролируемой среды, высокая линейность и точность в широком диапазоне измерений, частотный выходной сигнал.

Одним из важнейших элементов вихревых расходомеров являются преобразователи энергии потока в электрический сигнал, во многом определяющий эксплуатационные возможности и технический уровень приборов. В документации приборов как отечественных, так и ведущих зарубежных фирм содержится крайне скупая информации относительно принципа действия и конструкции этих устройств. Так корпорация EMCO (США) сообщает лишь, что сенсором является полупроводниковая тензорезистивная матрица. В документации немецких фирм информация о принципе работы сенсора вообще отсутствует, хотя в одном из патентов Endress+Hauser (Германия) описан вихревой расходомер с унифицированным емкостным датчиком в виде крыла, установленным за телом обтекания. Лишь YOKOGAVA (Япония) подробно описывает преобразователь, состоящий из набора пьезоэлементов (ПЭ) в виде шайб, установленный в торце тела обтекания.

Анализ алгоритмов работы вихревых расходомеров показывает, что для создания конкурентоспособных приборов этого типа универсальных относительно свойств измеряемой среды необходимы преобразователи с определенной совокупностью свойств. Если использовать в качестве преобразователей энергии потока датчики давления, то их диапазон измерений должен охватывать 5-6 порядков, начиная с единиц Па с учетом квадратичной зависимости давления от скорости потока и вариации плотности вещества. Частотный диапазон должен быть не менее 4 порядков, начиная от единиц Гц, интервалы рабочих температур от + 50оС для измерения расхода газа, 0150оС - для холодной и горячей воды, от 100 до 250 -300оС - для потребителей пара и до 500-600оС - для систем управления парогенераторов крупных энергетических станций. Избыточные давления до 2,5 МПа - для жилищно-коммунального хозяйства, до 6,3 МПа для газораспределительных станций, 16-32 МПа - для крупных парогенераторов. Ресурс должен исчисляться десятками тысяч часов, а долговечность 8-12 лет.

При этом датчики должны иметь малые габариты и низкую себестоимость.

Показано, что выпускаемые промышленностью пьезоэлектрические датчики давления (ПДД) не соответствуют этим требованиям: датчики быстропеременных давлений не обладают достаточной чувствительностью, а датчики акустических давлений не обеспечивают необходимых условий эксплуатации. Малопригодны для решения этой задачи также ПДД ведущих зарубежных фирм, приоритетом которых является точность измерений, обеспечиваемая дорогими сенсорами на основе малочувствительных кристаллов кварца и турмалина.

Существующие методы проектирования (анализа и синтеза) пьезоэлектрических датчиков основываются на том, что изделие рассматривается как совокупность конструктивных элементов, а каждый элемент анализируется в рамках приближенных моделей напряженного состояния и без учета изменения взаимосвязей между ними при внешних воздействиях. Так в датчиках быстропеременных давлений мембрану рассматривают как пластину, корпус - как оболочку, а чувствительный элемент (ЧЭ) - в виде стержня. Такой подход нередко приводит к грубым ошибкам, особенно, когда рассматриваются датчики с тонкими ПЭ, работающие в широких интервалах температур и давлений.

Сложность анализа пьезоэлектрических датчиков связана с их принципиальной неоднородностью, анизотропией свойств и связностью механического, электрического и теплового состояний. Несмотря на бурное развитие в последние годы численных методов анализа пьезоэлектрических устройств, основное число публикаций относится к электроупругим задачам и исследованиям амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). В работах, посвященных электротермоупругим задачам, рассматриваются лишь общие подходы к их решению численными методами без анализа каких либо геометрических моделей и количественных оценок. Во многом это связано с отсутствием в нормативной и справочной литературе сведений о таких характеристиках пьезокерамических материалов (ПКМ), применяемых в измерительной технике, как полный набор электроупругих модулей, тепловое расширение, прочность на растяжение и сжатие, а для их измерения непригодны методы, используемые для металлов и других изотропных материалов.

Из аналитического обзора следуют задачи исследований, решения которых дано в 4 модулях. Первый из них посвящен моделированию пьезоэлектрических ЧЭ и датчиков в целом; при этом используются как аналитические модели, позволяющие определить основные закономерности явлений, так и численные модели для расчетов реальных датчиков. Во втором модуле описаны новые методы испытаний и результаты исследований характеристик ПКМ. В третьем модуле дано обоснование новых методов анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков с учетом требований к метрологическим характеристикам и прочности в условиях эксплуатации. В четвертом модуле приводятся примеры проектирования пьезоэлектрических датчиков для вихревых расходомеров и других применений.

Во второй главе объектом исследований являz F ется ЧЭ - узел датчика, фактически определяющий его информативность и надежность. Разработана и исслеL дована аналитическая модель ЧЭ наиболее распространенного типа пьезоэлектрических датчиков с деформацией растяжения-сжатия в виде кусочно однородного пространственного электротермоупругого тела (пакета), рис.1. Один из элементов пакета (ПЭ) является поляризованной по толщине керамиr кой, остальные (мембрана, токосъемники, тепло- и электроизоляторы, основание корпуса) - обеспечивающие одновременно функцию силопередающих F элементов (СПЭ) - выполнены из изотропных матеРис.риалов. Поперечные размеры всех деталей совпадают, толщины и упругие свойства произвольны. На торцы пакета действует равномерно распределенная нормальная квазистатическая сила F = Fo + F1sint, где - круговая частота, t - время. На боковых поверхностях внешние силы отсутствуют. Температура является произвольной функцией толщины пакета. Между слоями предполагается идеальный жесткий контакт, при котором выполняются условия непрерывности вектора механических смещений ul, компонент механический напряжений zl (l = r,,z), электрического потенциала и температуры Т. Электроды ПЭ подключены к усилителю с известными входными характеристиками (емкостью С и сопротивлением R).

Напряженно-деформированное состояние каждого элемента описывается уравнениями равновесия. Изотропные слои описываются также соотношениями Дюгамеля-Неймана и Коши, а пьезоэлектрический слой - уравнениям прямого и обратного пьезо- и пироэффекта и вынужденной электростатики.

Решения краевой задачи в линейном квазистатическом приближении и предположении, что толщина пакета Н мала по сравнению с его диаметром d, получены с помощью полуобратимого метода Сен-Венана в следующем виде:

- для изотропных слоев:

(k) = P, (k) = 0, (k) = (k) = [Ek (a + bz) + k P -kT], (1) zz rz rr 1- k - для пьезокерамического слоя (индекс слоя n опущен):

1 (a + bz - s13P - T + d31 ) + zz = P, rz = 0, rr = = s11 + s12 hn k s11 + sp + (2) (z - h)b + ( - 2d31 )(Tn - Tn ), (s11 + s12)(1- k2) p s11 + s2d31[(z - h)b + ( - )(Tn - T )] n 2d31 = - +, = = 0, z r 33(1- k2)(s11 + s12) hn p 330 2dDr = D = 0, Dz = d33P + T + (1- k2) + (a + bh - s13P), n p hn s11 + szk z 1 hn + hn- = dz, T = h =.

k z T(z,t)dz, hk zk-1 zn- Коэффициенты a и b, зависящие в виде рядов от упругих модулей и толщин элементов пакета, определяются из условий его самоуравновешенности на боковых поверхностях:

, (3) dГ = [ r ]dГ = 0, Г Г где - вектор-функция с компонентами {rr,r,rz}.

Dl В (1,2) l, (l = r,,z) - компоненты векторов электрического поля и индукции в ПЭ, Ек, к, к - модули Юнга, коэффициенты Пуассона и коэффициенты линейного теплового расширения (КЛТР) материала к-го слоя при к n, к = 1,2..n..N, n - индекс пьезокерамического слоя, N - количество слоев; hк и zк - толщина и координата каждого слоя; s11, s12, s13, d33, d13, *, Кр, - упругие и пьезоэлектрические модули, КЛТР в плоскости изотропии, коэффициент электромеханической связи и пирокоэффициент ПКМ, Р - сила F, отнесенная к единице площади, T- изменение температуры.

Решения в виде (1) - (3) характеризуют пространственное напряженное состояние ЧЭ и имеют следующие отличия от одномерной модели:

1. В элементах пакета кроме осевых zz действуют планарные компоненты механических напряжений rr и , появляющиеся как при действии осевой силы, так и изменении температуры 2. Даже в закороченном ПЭ (при o=0) действует электрическое поле, которое вносит коррекцию в величину rr.

3. Следствием планарных механических напряжений является определенный вклад поперечного пьезоэффекта в вектор электрической индукции.

Если упругие модули и КЛТР всех элементов совпадают, то решения сводятся к одномерной (стержневой) модели.

Отметим, что в решениях (1)-(3) отсутствуют члены, связанные с краевыми эффектами на боковой поверхности. Это обусловлено интегральной постановкой граничных условий на боковой поверхности Г. Однако, исходя из принципа Сен-Венана, решения являются точными для внутренних областей пакета, отстоящих от боковой поверхности на его толщину.

В некоторых частных случаях формулы (1)-(3) упрощаются и поддаются физической интерпретации. Например, для 3-х слойного симметричного ЧЭ (N=3, n=2, b=0) - функция преобразования переменной силы в заряд на электродах ПЭ q(F1) для частот низких по сравнению с его механическим резонансом будет иметь вид:

s13 Eq(F1)R q(F1) = d33 + 2d31 F1.(4) 0(F1) =, 1-1 h2 1+ R2C2(s11 + s12) + E1 2h1 Новизна решений заключается в том, что коэффициент преобразования (КП = q/F1) зависит не только от продольного (d33), но и поперечного (d31) пьезомодулей, а также упругих модулей материалов и толщин деталей. В зависимости от соотношения упругих модулей материалов ПЭ и СПЭ добавка может быть как положительной, так и отрицательной. Эффект изменения КП возрастает с уменьшением толщины ПЭ.

Общее изменение чувствительности может достигать от минус 40 до + 60% и более.

Для проверки достоверности модели проведено сравнение результатов расчета по формуле (4) с экспериментом и расчетами по более точной численной модели методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программного пакета ANSYS.

На рис.2 показаны изменения КП ЧЭ в зависимости от толщины ПЭ из керамики ЦТС-19 с накладками из стали 12Х18Н10Т(1), латуни ЛА77-2(2) и графита ЭГ8(3). Кривые с точками соответствуют расчету по формуле (4), Рис. сплошные кривые - по МКЭ, точки с допусками - эксперименту. Отличие опытных и расчетных данных, полученных в рамках аналитической и численной модели, для КП при вариации в широких пределах материала СПЭ и геометрии ПЭ составляет от 5 до 15% для ЧЭ с Н/d < 1,0.

Формулу (4) можно использовать для более точной оценки КП пьезоэлектрических датчиков механических величин, так как F1 связано с информационными параметрами известными соотношениями: для датчика давления F1= LэфмР, для датчика силы F1= F, для акселерометра F1= mиa (P, F, a - соответственно измеряемое давление, усилие или ускорение, Lэфм - эффективная площадь мембраны, mи - инерционная масса, R и С - сопротивление и емкость электрических цепей датчика).

Изменение чувствительности неоднородного ЧЭ связано с тем, что в ПЭ наряду с продольными появляются планарные компоненты механических напряжений, обусловленные различием упругих модулей материалов. Планарные механические напряжения могут быть как сжимающими, так и растягивающими. Учитывая то, что прочность ПКМ на растяжение на порядок ниже, чем при сжатии, то планарные растягивающие напряжения при определенных сочетаниях упругих модулей материалов могут привести к разрушения ПЭ и снижению в 5-7 раз несущей способности неоднородного ЧЭ по сравнению с оценками в рамках одномерных моделей.

Уточнено математическое ожидание несущей способности (прочности на сжатие) деталей ЧЭ Ррк с учетом пространственного напряженного состояния (1)-(3), которое, например, для ПЭ имеет вид:

( s13 - )P EPp =min+ , zz = P, = = = P rr 1-1 h2 p, (5) (s11 + s12) + p E1 2h где - и + - пределы механической прочности ПКМ на сжатие и растяжение + 0,(для ПКМ ), р - коэффициент пропорциональности между планарными и осевыми компонентами механических напряжений. На рис.3 показаны расчетные по формулам (5) (кривая) и экспериментальные (точки) зависимости несущей способности неоднородных ЧЭ, состоящих из ПЭ из ПКМ ЦТС-83Г (1) и ТВ-3 (2) от поперечной жесткости материала СПЭ. Точки (слева направо) относятся к СПЭ из оргстекла марки СОЛ, дюралюминия Д16Т, латуни ЛА77-2, титана ВТ-6, стали 12Х18Н10Т. Доверительные интервалы даны с вероятностью 0,95.

Соответствие расчетов эксперименту подтверждает гипотезу о том, что снижение несущей способности неоднородного ЧЭ связано с растягивающими планарными механическими напряжениями в ПЭ.

Условием отсутствия в ПЭ растягивающих напряжений при сжатии, как следует из формулы (5), является следующее соотношение между упругими модулями ПКМ и СПЭ: |s13 | / Е. По Рис. отношению к керамике ЦТС- этому условию (s13 = -5,310-12Па-1) удовлетворяют большинство конструкционных материалов, применяемых в приборостроении. В то же время по отношению к керамике ТВ-3 (s13 =-1,910-12 Па-1) или кристаллам кварца (s12 =-1,610-12 Па-1) этому условию не соответствуют такие материалы, как латунь, дюралюминий, титан, а по отношению к кристаллам ниобата лития - даже сталь.

(s13 = -0,4310-12 Па-1) При изменении температуры в неоднородном ЧЭ также появляются планарные механические напряжения, которые по условиям прочности могут накладывать более жесткие ограничения на диапазон его рабочих температур, чем точка Кюри или другие известные факторы.

(1 - )(T -Tc ) rr = = = T (T -Tc ), (6) 1-1 h(s11 + s12) + E1 2h rr = T (TH -TC ) , = (TB - TC ) rr T, где Тв и Тн - верхняя и нижняя граница рабочего диапазона температуры, - коэффициент запаса, + - предел прочности ПКМ на растяжение или сжатие, применяемый в зависимости от знака rr.

Показано, что важным технологическим параметром неоднородного ЧЭ является температура его сборки Тс - температура соединения деталей в пакет. При изготовлении датчиков широко применяются различные технологические приемы изготовления ЧЭ: склейка, пайка, поджатие болтом или пружиной. Поэтому Тс может принимать самые различные значения. Для повышения термостойкости неоднородного ЧЭ наряду с подбором материалов с близким тепловым расширением важно обеспечить, чтобы в рабочем диапазоне температуры в ПЭ, - как правило, наименее прочном звене конструкции, - действовали преимущественно сжимающие механические напряжения.

Это можно сделать путем рационального выбора температуры сборки ЧЭ. Как следует из формулы (6) это достигается следующим образом: если КЛТР СПЭ больше чем ПКМ, то Тс должна быть вблизи верхней границы рабочего диапазона температуры, если наоборот, то Тс должна быть вблизи нижней границы рабочего диапазона температуры.

Выполненные исследования показали, что за счет рационального выбора материалов СПЭ возможно не только обеспечение прочности неоднородного ЧЭ в более жестких условиях эксплуатации, но и улучшение некоторых характеристик пьезоэлектрических датчиков, непосредственно связанных с их информативностью. При выполнении СПЭ из материала, упругие модули которого удовлетворяют соотношению / Е |s13 |, возможно повышение КП датчика к информационному параметру в 1,5-2 раза за счет одновременного синфазного возбуждения продольного и поперечного пьезоэффекта. При выполнении СПЭ из материала, КЛТР которых меньше, чем у ПКМ, возможно снижение в 3-5 раз аддитивной погрешности датчиков при изменении температуры за счет компенсации пироэффекта поперечным пьезоэффектом, индуцированным планарными компонентами термоупругих напряжений.

Анализ модели неоднородного ЧЭ показал, насколько велико влияние взаимосвязей между деталями пьезоэлектрических датчиков на их технические характеристики, особенно при сильных внешних воздействиях. В последующих главах выявленные закономерности используются при разработке методов оценки механической надежности, а также методов анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков с помощью численных пространственных электро-термоупругих моделей.

В третьей главе описаны новые методы и устройства для испытания упругих и пьезоэлектрических модулей, теплового расширения, прочности на растяжение ПКМ, позволяющие упростить процедуру и повысить точность измерения, а также результаты комплексных исследований характеристик ПКМ, применяемых в измерительной технике, которые необходимы для расчетов реальных пьезоэлектрических устройств в рамках разработанных моделей.

Известно, что полный набор электроупругих модулей ПКМ содержит 5 независимых упругих, 3 Цпьезоэлектрических и 2 диэлектрических модуля. 9 из них определяются путем прямых измерений 3-х типоразмеров образцов, а s13 рассчитывается по результатам их измерений. С целью упрощения процедуры разработан новый способ определения модуля s13, основанный на учете толщиной поправки к частоте 2Цго обертона радиальных колебаний ПЭ в виде диска, которая зависит от упругого модуля s13.

Способ заключается в том, что наряду с измерениями модулей s11 и s12 по частотам резонанса f0 и первого обертона f01, измеряют частоту второго обертона f02, а модуль s13 рассчитывают по формуле:

s11 + s12 d f02 e0 s13 = - 61(7) e2 h fo e2 , где e0 и e2 Цтабулированные значения корней частотного уравнения Бесселя, h и d - толщина и диаметр ПЭ.

С целью повышения точности предложен способ измерения коэффициент Пуассона или упругой податливости s12 ПКМ, также основанный на учете толщинной поправки к спектру частот образцов в виде диска.

Наряду с динамическими методами в практике широко используются квазистатические методы измерения пьезоэлектрических модулей. Недостатком как отечественных, так и зарубежных устройств, реализующих этот метод, является большая погрешность измерений тонких ПЭ с d/h > 5, достигающая 40%. Проблема заключается в том, что при измерениях в ПЭ не создается однородное поле механических напряжений с отличной от нуля только одной компонентой. Для разрешения этой проблемы предложено переменное усилие на ПЭ передавать через эластичные прокладки заданной толщины, например из графита. Толщина прокладки, определятся на основании анализа пятислойной модели, описанной в главе 2, где внешние слои - стальные держатели установки, центральный слой - ПЭ, а промежуточные слои прокладки. Это позволяет снизить случайную и систематическую погрешность измерений пьезомодуля тонких ПЭ до +5%.

Важными характеристиками любого материала являются КЛТР. К моменту проведения исследований в научной литературе были весьма противоречивые сведения о тепловом расширении поляризованных ПКМ. Либо указывались значения КЛТР со 100% допуском, например, 2,5+2,5, либо приводились значения для 1-го и 2-го циклов нагрева, или обсуждалась зависимость КЛТР от предыстории образца.

Исследования показали, что эти проблемы связаны с электрическими граничными условиями при испытаниях. При нагревании ПЭ с разомкнутыми электродами в нем неизбежно появляется электрическое поле, связанное с пироэффектом, которое за счет пьезоэффекта приводит к дополнительной деформации образца. Причем эта добавка может достигать 200%. А поскольку она является метастабильной из-за проводимости ПКМ, зависящей от температуры, то отсюда и 100% допуски и влияние предыстории. Эти проблемы легко разрешаются, если в образце закоротить электроды, например, завернув его в тонкую металлическую фольгу.

На основании модели, построенной в главе 2, предложен новый бесклеевой способ испытания на растяжение керамических материалов, основанный на создании в образце растягивающих планарных механических напряжений при сжатии. Способ заключается в том, что тонкий ПЭ в виде диска, шайбы или пластины сдавливают через штампы из упругоподатливого материала, например, оргстекла, а предел прочности на растяжение вычисляют по формуле:

Fp d + = 0,11 (8) 1- h Lo, где Fp - разрушающая сжимающая сила, действующая на площадь Lo, d, h - диаметр и толщина образца, - коэффициент Пуассона материала штампа.

Формула (8) получена на основании анализа модели, разработанной в главе 2, и вытекает из (5) при следующих условиях: Р = Fp/L0, |s13| л /E, s11+s12 л (1-)/E (материал штампа значительно эластичнее ПКМ), h1=0,055d, где коэффициент 0,055 определен из эксперимента.

С использованием разработанных способов и устройств исследован полный набор электроупругих модулей, КЛТР вдоль и поперек полярной оси, пироэлектрических коэффициентов и прочности на растяжение и сжатие некоторых ПКМ, применяемых в измерительной технике.

Достоверность предложенных методов подтверждается соответствием результатов измерений новыми и традиционными способами, а также данными других авторов.

В четвертой главе описаны методы оценки механической надежности ЧЭ пьезоэлектрических датчиков в эксплуатационных условиях с учетом пространственного напряженного состояния при действии давления и изменении температуры.

Оценка механической надежности датчиков на стадии проектирования обычно осуществляется с помощью структурно-функционального анализа (СФА) на основании предполагаемой конструкции, принципа действия и условий эксплуатации. В процессе анализа, исходя из принципа равной надежности всех элементов, производят поэлементное распределение допустимой вероятности неразрушения. Если нагрузка и несущая способность элементов распределены по нормальному закону, то вероятность неразрушения каждого элемента определяется через интеграл вероятности Лапласа.

Для определения несущей способности каждого элемента пьезоэлектрических датчиков применяют обычный прочностной расчет в рамках приближенных моделей напряженного состояния и без учета взаимосвязей между ними.

В настоящей работе предложено прочностной расчет ЧЭ осуществлять в рамках пространственной модели напряженного состояния и показано, что такой подход гораздо лучше согласуется с опытными данными. Расчеты выполнялись в рамках модели, разработанной в главе 2, а экспериментальные исследования - с помощью измерительных установок Рубин и Алмаз, разработанных в НКТБ Пьезоприбор ранее, обеспечивающих испытания ПЭ в широком диапазоне температур и давлений. Для оценки вероятности неразрушения ЧЭ выполняются следующие этапы работы:

1) Расчет компонентов механических напряжений в каждой детали с учетом конструкции, свойств материалов и технологических режимов, а также предполагаемых условий эксплуатации.

2) Определение эквивалентных механических напряжений в каждой детали, исходя из существующих для каждого материала критериев прочности.

3) Определение гауссовского уровня надежности и вероятности неразрушения каждой детали при наиболее критичных значениях влияющих факторов с учетом вариации характеристик материалов и их размеров.

4) Оценка общей механической надежности ЧЭ и датчика в целом, исходя из структурно функциональной схемы надежности.

Расчетами и экспериментом показано, что оценки механической надежности с учетом пространственного напряженного состояния, выполненные для ЧЭ из различных материалов и с различной температурой сборки, гораздо лучше согласуются с опытными данными при действии давления и изменении температуры, чем оценки, основанные на одномерных моделях. Причем в некоторых случаях результат расчета оказывается противоположным: одномерная модель дает вероятность неразрушения около 1, а пространственная около 0. Это связано с тем, что одномерные модели не учитывают планарных механических напряжений.

Предложены эффективные конструктивные и технологические приемы позволяющие повысить механическую надежность пьезоэлектрических датчиков в условиях эксплуатации и заключающиеся в рациональном выборе материалов СПЭ и температуры сборки ЧЭ датчика. Предложен критерий для выбора материалов СПЭ, заключающийся в том, что оценка вероятности неразрушения ЧЭ в эксплуатационных условиях, определенная в рамках пространственной модели напряженного состояния, должна соответствовать заданным требованиям, вытекающим из СФА надежности датчика. Этот критерий увязывает выбор материалов СПЭ с прочностью изделия, условиями эксплуатации и требованиями к механической надежности.

Предложены алгоритмы для количественного описания изменения КП пьезоэлектрических датчиков от температуры на основании комплексного учета температурных изменений характеристик ПКМ (пьезоэлектрических модулей, диэлектрической проницаемости и удельного объемного сопротивления) и экспериментально доказана их достоверность при корректных методиках измерения характеристик ПКМ.

Сделан вывод о том, что если изменения КП датчика от температуры не соответствует этим алгоритмам, то в датчике имеются деструктивные факторы: скольжение деталей, пластические деформации клеевого шва и т.п., т.е. не выполняются условия непрерывности механических перемещений и напряжений между деталями. Такая конструкция является ненадежной, нетехнологичной и недолговечной.

Приводится пример повышения надежности и снижения дополнительных погрешностей при изменении температуры датчика акустических давлений с колебаниями изгиба за счет целенаправленного и рационального выбора материала мембраны, к которой приклеен пленочный ПЭ.

Пятая глава посвящена исследованию объемночувствительных пьезопреобразователей (ОЧП), открывающих принципиально новые пути миниатюризации датчиков давления, т.к. для их реализации не требуется корпус и мембрана.

Однако, при исследованиях объемного пьезомодуля dv = d33 + 2d31 ПКМ и КП переменного давления в заряд Кр при всестороннем давлении были обнаружены ряд аномалий, не объяснимых в рамках классических представлений:

- увеличение Кр при уменьшении толщины ПЭ;

- снижение Кр в ПЭ с торцевыми накладками;

- различные значения Кр в газе и жидкости;

- снижение Кр при увеличении статического давления в газовой среде и практическое отсутствие таковой зависимости в жидкости.

Для описания этих явлений была разработана пространственная электротермоупругая модель в виде трехслойного пакета, содержащего пьезо- пироэлектрический слой и отличающаяся от рассмотренной в главе 2 тем, что внешнее давление является всесторонним, т.е. действует не только на торцевые, но и боковые поверхности пакета. Дополнительно задаются уравнение теплопроводности, граничные условия теплообмена с внешней средой по закону Ньютона и условие непрерывности теплового потока на границах между слоями.

Учитывается также и то, что в соответствии с законами термодинамики пульсация давления сопровождается пульсацией температуры.

Решение задачи сводится к определению распределения температуры по толщине каждого элемента пакета с учетом тепловых граничных условий и условий непрерывности, а также заряда, появляющегося на электродах ПЭ при действии всестороннего переменного давления с учетом адиабатического изменения температуры.

В результате анализа модели получено, что, например, для ПЭ без торцевых накладок в газовой среде КП можно представить в следующем виде:

oT2 Rг Kp = (dv + )Lэ (9) P скcokhk, где dv, , k, сk - объемный пьезомодуль, пирокоэффициент, плотность и удельная теплоемкость ПКМ, Lэ и hk - площадь электродов и толщина ПЭ, - частота пульсации давления, Р и Т - абсолютная температура и давление внешней среды, , 0, с0 - молекулярная масса, коэффициент объемного расширения и удельная теплоемкость газа, - коэффициент теплообмена между газом и ПЭ, Rг - универсальная газовая постоянная.

Согласно формуле (9) КП при действии всестороннего давления определяется двумя слагаемыми: первое из них зависит от объемного пьезомодуля, второе - от пирокоэффициента, а также коэффициента теплообмена, толщины ПЭ, тепловых свойств ПКМ и среды, давления и температуры среды, частоты механического процесса.

Достоверность модели подтверждается тем, что все эти явления наблюдаются экспериментально, причем отличие расчетных и опытных данных не превышает +10%.

Добавка, связанная с пироэффектом, является метастабильной, и именно она определяет все упомянутые выше аномалии. Однако, для их устранения достаточно покрыть ОЧП слоем теплоизолятора, например, в виде компаунда толщиной 0,1 мм.

В работе найдены новые пути снижения виброэквивалента датчиков давления за счет выполнении ОЧП в виде радиально поляризованного цилиндра из материала с большим соотношением пьезомодулей d33/d31. Например, виброэквивалент ОЧП такой конструкции из керамики ТС-1 в 10 раз меньше, чем из керамики ЦТС.

На основании полученных результатов в НКТБ Пьезоприбор разработан пьезокерамический модуль ПМ-13, работающий на объемном пьезоэффекте, а в ФГУП НИИ Физических измерений, г. Пенза (НИИФИ) на его основе создан сверхминиатюрный бескорпусной датчик давления ДПС-008, весом менее 0,1 г, для аэродинамических испытаний на лопатках турбин. Миниатюрные размеры модульных ОЧП и бескорпусное исполнение обеспечили этому датчику не только рекордно малые массогабаритные характеристики, низкий виброэквивалент, но и широкий динамический диапазон измерений, высокую линейность и стабильность Кр от квазистатического давления.

В шестой главе рассматриваются методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе инвариантных относительно геометрии изделия и способов приложения нагрузки численных моделей. Исследование пространственных электро- и термоупругих задач осуществляется методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программного пакета ANSYS. В связи с отсутствием в ANSYS пироэлектрических конечных элементов и невозможностью прямого электротермоупругого анализа динамических задач рассматривались модели двух типов: динамические электроупругие модели с учетом вязкоупругих потерь по Релею при исследовании АЧХ датчиков, и статические термоупругие модели при исследовании их напряженного состояния с учетом теплового расширения. Расчеты выполнялись в линейном приближении.

Цель анализа - расчет ожидаемых метрологических и эксплуатационных характеристик датчика выбранной базовой конструкции и поиск путей их оптимизации. Цель синтеза - создание датчика, удовлетворяющего заданным техническим требованиям. Поскольку датчик должен обладать совокупностью технических характеристик, включая метрологические, эксплуатационные, массогабаритные и, как правило, невозможно выделить одну функцию цели, то синтез осуществляется путем перебора возможных базовых вариантов конструкций с учетом их оптимизации. При этом выполнялись этапы работы, показанные на рис.4. :

Рис. 4. Методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков На рис.4 используются следующие обозначения:

1) характеристики конструкционных изотропных материалов (металлов и диэлектриков): к - плотность, Ек- модуль Юнга, к - коэффициент Пуассона, к - КЛТР, Qк добротность, вк, 0,1к - пределы текучести или пропорциональности для металлов, к+, к- - пределы механической прочности на растяжение и сжатие керамических материалов, kЦ номер детали (k = 1,2,3ЕN), N- общее количество деталей.

2) характеристики ПКМ: - плотность, полный набор упругих sij, пьезоэлектрических dij и диэлектрических ii модулей, i - КЛТР в направлении вдоль и поперек полярной оси, Q - добротность, + и - - то же, что и в 1).

3) Характеристики внешней среды (жидкости или газа): - плотность, - молекулярная масса, vзв - скорость звука.

4) Расчетные характеристики датчика: fi - собственные частоты (i -1,2,3Е - все значимые для анализа частоты датчика), Ки - КП информационного параметра, Ррк - несущая способность k-той детали при механических нагрузках, Т - диапазон рабочих температур датчика по условиям прочности, Квj - коэффициенты преобразования влияющих факторов, например, виброэквивалент Wap или деформационный эквивалент Wsp для датчиков давления и др, (j - 1,2,3Е. - все значимые механические влияющие факторы).

Новизна предлагаемых методов заключается в том, что пьезоэлектрический датчик рассматривается как единое целое и анализируется с помощью универсальных относительно геометрии изделия и способов приложения нагрузки численных пространственных электротермоупругих моделей и отличается от известных комплексным учетом требований к диапазону рабочих частот, чувствительности к информационному параметру и влияющим механическим факторам, прочности в условиях эксплуатации при действии избыточного давления и изменении температуры.

При этом для расчетов используется более совершенный математический аппарат (см. этап 6 луравнения), больший объем сведений о характеристиках материалов (см.

этап 5 материалы), анализируются не только АЧХ датчика, но и влияющие на его метрологические характеристики факторы, а также прочность при действии давления и изменении температуры (см. этап 8 расчет).

Комплексный анализ всех перечисленных характеристик позволяет проектировать пьезоэлектрические датчики с учетом требований к их информативности и прочности в предполагаемых условиях эксплуатации.

Несмотря на высокую трудоемкость подготовительных работ, анализ и синтез пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей МКЭ, несомненно, позволяет улучшить их технические характеристики, снизить трудозатраты на разработку новых изделий и сократить сроки их доводки до серийных образцов. Это достигается за счет того, что большая часть работы по поиску путей оптимизации и/или рациональному выбору материалов, силовых схем и размеров конструктивных элементов, проверке различных режимов функционирования выполняется расчетным путем. В последующих разделах 6 главы рассматриваются примеры применения описанных методов для решения практических задач.

Методы анализа иллюстрируются на примере трех типов ПДД, нашедших широкое применение в вихревых расходомерах. Два из них 018, 019 представляют классические датчики, содержащие модульный ПЭ, установленный в корпусе между мембраной и основанием, а третий 014М - новую разновидность датчиков, в которых нет конструктивно выделенных элементарных преобразователей, рис.5. В датчиках 014М ПЭ выполнен в виде радиально поляризованного цилиндра, вмонтирован в цилиндрический корпус и жестко связан с ним по образующей поверхности. Расчеты таких конструкций аналитическими методами в настоящее время не представляются возможными. В датчиках 018 используются ПЭ в виде монолитных многослойных модулей из ПКМ ЦТС-83Г, а в 019 - из НТВ-1, отличающихся термостойкостью.

В процессе анализа рассчитывались: КП давления в заряд, собственная частота, вибрационный и деформационный эквиваленты, прочность при действии давления и изменении температуры. На основании этих данных и известных алгоритмов оценивается ряд важнейших метрологических и эксплуатационных характеристик датчика:

диапазон измерения давления, частотный диапазон, аддитивная составляющая погрешности измерений при действии вибрации и деформации объекта, допустимые рабочие давления и температуры по условиям прочности, а также механическая надежность. При расчетах используются характеристики ПКМ (полный набор электроупругих модулей, КЛТР, прочность на растяжение и сжатие), полученные в главе 3, и свойства металлов и других конструкционных материалов из справочной литературы.

018, 0014М Рис. 5.

Нелинейность функции преобразования, мультипликативная погрешность датчика при изменении избыточного давления и температуры, не определяемые в рамках линейной теории упругости, исследовались экспериментально.

Отличие расчетных и экспериментальных данных для 3-х типов датчиков давления составило для Кр и Ка от 4 до 10%, для собственной частоты не более +5%, что является удовлетворительным результатом с учетом естественной вариации характеристик ПКМ в различных технологических партиях и является подтверждением достоверности разработанных моделей.

При экспериментальной проверке расчетов датчиков 018 была обнаружена существенная зависимость Кр от толщины мембраны, что явно не следует из известных аналитических представлений. Численными методами была исследована зависимость эффективной площади мембраны от ее толщины и радиуса подпирающей мембрану пяты, и получены новые зависимости, показанные на рис. 6.

1 0,hm/r=0,0,формула 0,0,0,hm/r=0.0,0,0,0,0,0,15 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0,0,-0 0,2 0,4 0,6 0,8 -rо/r ro/r Рис.6 Рис.7.

Исследования спектра собственных частот датчиков 018, 019 показали, что первый (основной) резонанс датчика обусловлен поршнеобразными колебаниями системы:

опора-ПЭ-пята-мембрана. При этом вариация толщины мембраны и радиуса пяты приводят лишь к незначительному изменению собственной частоты датчика в пределах от минус 5 до +12% от базовой, рис. 7.

При расчетах зависимости виброчувствительности от геометрии мембраны также получен неожиданный результат, заключающийся в ее снижении при увеличении толщины мембраны, хотя считается, что масса всех элементов конструкции, расположенных дальше центра тяжести ПЭ от точки его закрепления, в том числе и масса мембраны, должна увеличивать чувствительность датчика к вибрации.

При оценке прочности рассматриваются интенсивность механических напряжений в металлических деталях и компоненты механических напряжений в ПЭ, приведенные к главным осям, и сравниваются с пределами текучести металлов и пределами прочности на растяжение и сжатие ПКМ.

Проверка прочности конструкции датчиков 014М избыточным давлением до разрушения показала, что расчетные значения для металла хорошо согласуются с экспериментом, а механизм разрушения ПЭ имеет особенности. По мере роста давления происходит монотонное снижение КП и электрической емкости, достигая перед разрушением корпуса при 170-190 МПа соответственно 73 и 51%. Причем до 30 МПа изменения являются обратимыми. По-видимому, процесс разрушения связан с постепенным откалыванием частей ПЭ в местах концентрации напряжений.

Расчеты прочности в заданных условиях эксплуатации проводятся для углов плоскости давление-температура, где механические напряжения в деталях могут достигать максимума, табл. 1. Анализ показал, что при всех предельных сочетаниях давления и температуры в датчиках 014М (0 и 30 МПа, минус 50 и 250оС):

- механические напряжения в ПЭ меньше пределов прочности ПКМ ЦТС-83Г на растяжение (+ 27МПа ) и сжатие (- 280МПа);

- интенсивность механических напряжений в корпусе меньше предела текучести сплава ВТ3-1 (1000 МПа).

Это обеспечивается за счет выполнения корпуса из титанового сплава с КЛТР (8,2 10-6 оС-1) близким к КЛТР ПКМ ЦТС-83Г поперек полярной оси (3,910-6 оС-1) и выбора температуры сборки датчика (220оС) около верхней границы рабочего диапазона.

о Если выполнить корпус, например, из сплава 36НХТЮ (16,610-6 С-1) или ЭИ 8L эфф.отн.

f, % (12,310-6 оС-1), то термоупругие напряжения в заданном интервале температуры будут превышать пределы прочности ПКМ при любой температуре сборки.

Таблица Элементы Ком -ты 20оС, 20оС, 250оС, 250оС, -50оС, -50оС, конструкции мех. напр. 0 МПа 30МПа 0 МПа 30МПа 0 МПа 30МПа 1 -59.. +1,1 -77..+3,1 +18..+8,0 -16..+4,7 -79..+1,5 -99..+3,ПЭ 2 -110..-1,7 -177..-4,5 +16..+0,3 -59..+1,1 -148..+2,3 -215..-5,3 -124..-53 -214..-90 +9,6..-0,2 -110..+24 -167..-72 -250..-1Корпус int 182 318 27,6 163 246 3На рис.8 показаны расчетные зависимости КП (а), максимального рабочего давления (б), резонансной частоты (в) и произведения этих величин (г) для датчика давления 014М от толщины стенки корпуса при различных толщинах стенки ПЭ. Аналогичные зависимости получены также при вариации диаметра и длины рабочей части корпуса.

а б в г Рис. Исследованы также пути повышения соотношении сигнал/шум при действии таких помех как вибрация и деформация объекта и показано, что при уменьшении высоты ПЭ, например, в 2 раза вдвое снижается виброэквивалент и в 15 раз деформационный эквивалент, что способствует повышению помехозащищенности датчика.

Полученные зависимости позволяют оптимизировать характеристики датчиков с учетом требований к информативности, прочности и помехозащищенности в рабочих условиях за счет рационального выбора материалов и размеров деталей при решении различных задач:

а) приведения характеристик в соответствие с требованиями предполагаемого применения;

б) повышения комплекса технических характеристик в соответствии с тем или иным обобщенным показателем качества Технические характеристики пьезоэлектрических датчиков, разработанных в рамках настоящей темы и нашедших применение в серийных вихревых расходомерах воды, газа и пара приведены в табл. 2. В табл.2 включены также датчики изгибающего момента (ДИМ) 108М для вихревых расходомеров, описанные в главе 7.

Разработанные датчики по техническим характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к преобразователям энергии потока в электрический сигнал для вихревых расходомеров, сформулированных в главе 1. Высокий технический уровень ПДД обеспечен комплексом методических, конструктивных и технологических мероприятий, включающих известные приемы (применение высокоэффективных и стабильных при внешних воздействиях ПКМ, модульное исполнение ПЭ, высокоточное изготовление деталей и др.), а также разработанных в рамках настоящей темы: рациональный выбор материалов СПЭ и температуры сборки ЧЭ, оптимизация элементов конструкции с помощью пространственных электротермоупругих моделей с целью приведения характеристик в соответствие с заданными требованиями.

Таблица Характеристики 014М 018 019 108М КП, пКл/кПа (нКл/Нм), не менее 20 30 2 (100) Диапазон измерений, МПа (Нм) 0..10 0..6 0..10 (0..0,1) Нелинейность, %, не более + 2 - Порог чувствительности, Па 10 5 70 Электрическая емкость, пФ, не менее 1800 4000 200 8Собственная частота, кГц, не менее 80 50 50 1,0Е.Диапазон рабочих температур, оС Ц50..250 -50..300 -50..500 -50..2Изменение КП от температуры, оС-1 + 0,0Максимальное рабочее давление, МПа 30 20 20 Виброэквивалент, Па/м/с2 10 30 30 Габариты (без кабеля),мм, не более 8,9х20 11х29 от12х35+L L=16...Масса, г, не более 5,0 20 20 от 30 до 1Многообразие выпускаемых ПДД ставит задачу сравнения их по некоторым обобщенным показателям качества (ОПК). ОПК средств измерений обычно формируются на основании анализа их информационно-энергетической эффективности и объема возможностей с учетом общественно-необходимых затрат на изготовление. В расчетах могут учитываться любые параметры датчика, важные для анализа: чувствительность к измеряемой величине, предел измерений, собственная частота, энергетический коэффициент полезного действия, диапазон рабочих температур, основная погрешность и дополнительные погрешности от влияющих факторов. Однако, всеобъемлющий анализ датчиков по максимальному числу показателей затруднен в силу того, что, во-первых, поставщики в своих каталогах и спецификациях далеко не всегда указывают полный объем интересующих нас параметров, во-вторых, различным образом нормируют одни и те же характеристики.

Поэтому в настоящей работе для оценки технического уровня ПДД используется следующий ОПК, предложенный Е.А. Мокровым - директором-главным конструктором НИИФИ:

В = Кp Рм fp/d2, (11) где В - ОПК, Кр - коэффициент преобразования давления в заряд, Рм - максимальное рабочее давление, fp - резонансная частота, d - диаметр мембраны или поперечный размер датчика.

На рис. 9 показано ОПК В (КГц/м2) лучших моделей ПДД веду16щих мировых производителей. Всего 14рассмотрено более 55 моделей. Пози12цию 1 по оси абсцисс занимают тра10диционные корпусные датчики НИИФИ 8600 (ДПС-010), 2 и 3 - датчики фирм Kistler 4Instrument AG (6005) и Vibro-meter (CР2216) (Швейцария), 4 и 5 - датчики фирм DYTRAN (220V6) и PCB Piezotronik 1 2 3 4 5 6 JNG (119В) (США). Наиболее высокими Рис. ОПК обладают объемночувствительные датчики ДПС-008 (НИИФИ), поз.6 и датчики 014М (ООО Пьезоэлектрик), поз.7, разработанные в рамках настоящей темы.

Очевидно, что рассматриваемый ОПК характеризует универсальные ПДД, предназначенные для широкого круга применений, приоритетными параметрами которых являются широкие динамические и частотные диапазоны при умеренных требованиях к интервалу рабочих температур и погрешности измерений. Именно такие датчики требуются для вихревых расходомеров и многих других применений в системах контроля и управления.

В седьмой главе приведены примеры проектирования (анализа и синтеза) других типов пьезоэлектрических датчиков: излучателей - приемников для ультразвуковых расходомеров газа, модель 223, рис.10 а, вибрационных сигнализаторов уровня СУ-802, рис. 10 б, и датчиков изгибающего момента (ДИМ) 108М, рис. 10 в, нашедших применение в современной измерительной технике.

Преобразователи 223 работают поочередно на излучение и прием на прямом и обратном пьезоэффекте. Информационным параметром расходомера является время прохождения ультразвуковой волны вдоль и против потока. Основная проблема проектирования заключается в обеспечении достаточной чувствительности пары излучательприемник при детектировании газовой среды на максимально возможном расстоянии.

В преобразователях 223 на основании исследования спектра частот в режиме излучение-прием и форм колебаний преобразователя определена наиболее эффективная рабочая частота в заданном интервале, а также оптимальная геометрия протектора и ПЭ для обеспечения максимальной удельной чувствительности в газовой среде и минимальной акустической помехи, движущейся по трубе На основе преобразователей 223 предприятием ЗАО Даймет, г.Тюмень впервые На основе преобразователей 223 предприятием ЗАО Даймет, г.Тюмень впервые в отечественной практике разработаны высокоточные ультразвуковых расходомеров гав отечественной практике разработаны высокоточные ультразвуковых расходомеров газа для труб диаметром до 1000 мм.

за для труб диаметром до 1000 мм.

Сигнализаторы уровня СУ-802 являются Сигнализаторы уровня СУ-802 являются пьезоэлектрическими преобразователями папьезоэлектрическими преобразователями параметрического типа, использующие однораметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффект, с временно прямой и обратный пьезоэффект, с частотным выходным сигналом, зависящим от частотным выходным сигналом, зависящим от глубины погружения камертона в жидкость.

глубины погружения камертона в жидкость.

Информация о глубине погружения камертоИнформация о глубине погружения камертона в виде девиации частоты отслеживается на в виде девиации частоты отслеживается микропроцессором, который формирует микропроцессором, который формирует управляющий сигнал на твердотельное реле с управляющий сигнал на твердотельное реле с последующим включением/выключением испоследующим включением/выключением исполнительных механизмов. На основании мополнительных механизмов. На основании мо а б в делирования девиации частоты при погружеделирования девиации частоты при погружении камертона в жидкость для различных собнии камертона в жидкость для различных собРис. ственных мод колебаний определена наибоственных мод колебаний определена наиболее эффективная мода, и за счет рационального выбора геометрии деталей с учетом лее эффективная мода, и за счет рационального выбора геометрии деталей с учетом информативности и прочности изделия созданы сигнализаторы уровня СУ-802 с реинформативности и прочности изделия созданы сигнализаторы уровня СУ-802 с рекордно высоким рабочим давлением (до 10 МПа) для систем управления современных кордно высоким рабочим давлением (до 10 МПа) для систем управления современных магистральных газопроводов.

магистральных газопроводов.

ДИМ 108М также как и ПДД работают на прямом пьезоэффекте и предназначеДИМ 108М также как и ПДД работают на прямом пьезоэффекте и предназначены для вихревых расходомеров. ДИМ 108М состоят из корпуса, в котором размещен ны для вихревых расходомеров. ДИМ 108М состоят из корпуса, в котором размещен ПЭ в виде радиально поляризованного цилиндра, разделенный на 2 секции, и работаюПЭ в виде радиально поляризованного цилиндра, разделенный на 2 секции, и работающий как биморф. На торце корпуса имеется пластина с сечением в виде клина и длищий как биморф. На торце корпуса имеется пластина с сечением в виде клина и длиной, выбираемой из ряда 10, 16, 25, 32, 40, 64 мм.

ной, выбираемой из ряда 10, 16, 25, 32, 40, 64 мм.

При проектировании этих датчиков исследовались пути рационального выбора При проектировании этих датчиков исследовались пути рационального выбора геометрии корпуса, длины и угла клина пластины с целью обеспечения требуемой чувгеометрии корпуса, длины и угла клина пластины с целью обеспечения требуемой чувствительности, частотного диапазона и прочности при знакопеременных нагрузках, а ствительности, частотного диапазона и прочности при знакопеременных нагрузках, а также прочности при действии на датчик избыточного давления до 30 МПа в диапазоне также прочности при действии на датчик избыточного давления до 30 МПа в диапазоне температуры от минус 50 до 280оС.

температуры от минус 50 до 280оС.

На основе ДИМ 108М ООО Глобус, г. Белгород разработаны вихревые счетчиНа основе ДИМ 108М ООО Глобус, г. Белгород разработаны вихревые счетчики газа и пара Ирга-ВР, включая полномерный вихревой расходомер с диаметром уски газа и пара Ирга-ВР, включая полномерный вихревой расходомер с диаметром условного прохода 500 мм, не имеющий аналогов в мировой практике.

овного прохода 500 мм, не имеющий аналогов в мировой практике.

Разработанные модели излучателей-приемников ультразвуковых волн, вибрациРазработанные модели излучателей-приемников ультразвуковых волн, вибрационных сигнализаторов уровня и датчиков изгибающего момента охватывают все типы онных сигнализаторов уровня и датчиков изгибающего момента охватывают все типы пьезоэлектрических измерительных преобразователей с точки зрения физического пьезоэлектрических измерительных преобразователей с точки зрения физического принципа действия и хорошо согласуются с опытными данными.

принципа действия и хорошо согласуются с опытными данными.

В восьмой главе рассматриваются конструктивные особенности вихревых расВ восьмой главе рассматриваются конструктивные особенности вихревых расходомеров с различными пьезоэлектрическими датчиками, их технические характериходомеров с различными пьезоэлектрическими датчиками, их технические характеристики, преимущества и недостатки, области применения; приводится сравнение с зарустики, преимущества и недостатки, области применения; приводится сравнение с зарубежными аналогами и приборами, основанными на других физических принципах, исбежными аналогами и приборами, основанными на других физических принципах, исследуются тенденции развития вихревой расходометрии.

следуются тенденции развития вихревой расходометрии.

Показано, что на основе пьезоэлектрических датчиков, разработанных в диссерПоказано, что на основе пьезоэлектрических датчиков, разработанных в диссертации, созданы 11 типов вихревых расходомеров воды, газа и пара, рис.11, включентации, созданы 11 типов вихревых расходомеров воды, газа и пара, рис.11, включенных в государственный реестр средств измерения РФ и серийно выпускаемых на ных в государственный реестр средств измерения РФ и серийно выпускаемых на ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ НА ИХ ОСНОВЕ 018, 0108М 014М 090% - рынка вихревых расходомеров газа и пара РФ 60% - рынка промышленных средств учета пара 23% - рынка промышленных средств учета газа ИРГА-РВ Взлет-ВРС ООО Глобус ЗАО Взлет Dymetic-9421 Ирвис-РСВГ.М ООО Ирвис Dymetic-94СВП.М Метран-3Dymetic-94ДРГ.3 Метран-3ЗАО Даймет ОАО Сибна ЗАО Метран ОАО Электрон Риc. предприятиях страны. Эти приборы обеспечивают около 90% российского рынка вихревых средств учета газа и пара среди отечественных производителей и по основным техническим характеристикам не уступают аналогам ведущих фирм Европы, Японии, США (диапазон измерений расхода в пределах от 1:20 до 1:45 с относительной погрешностью в пределах +(1,0-1,5)%), а по некоторым параметрам, например, максимальным диаметрам условного прохода (500 мм) и предельным рабочим температурам (500 оС), превосходят их.

Удельный вес применения различных датчиков в серийных вихревых расходомерах жидкости, газа и пара в 2007 году по данным предприятия изготовителя датчиков (ООО Пьезоэлектрик г. Ростов-на-Дону) составил: 014М - 82%, 108 - 10%, 021- 6%, 018, 019 - 2%. На основе датчиков 014М и 108М выпускаются базовые исполнения расходомеров, которые обеспечивают потребности наиболее массового круга потребителей по диапазонам измерений и условиям эксплуатации. Датчики 018, 019 применяются в специальных исполнениях вихревых расходомеров пара: 018 - с рабочей температурой до 300оС, 019 - до 500оС.

Надежность пьезоэлектрических датчиков 014М при эксплуатации в расходомерах газа составляет около 0,998, а в расходомерах пара - 0,994 (данные крупнейшего в России поставщика вихревых расходомеров - ОАО Сибнефтеавтоматика, г.Тюмень).

Разработанные в рамках настоящей темы пьезоэлектрические датчики обеспечили создание и внедрение в промышленность вихревых расходомеров жидкости, газа и пара, которые по универсальности и надежности конкурируют с традиционными приборами, основанными на измерении перепада давления на ссужающем устройстве, и превосходят их по диапазонам и точности измерений, занимая на российском рынке более 23% среди промышленных приборов учета газа и более 60% среди приборов учета пара.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Сформулированы основные требования, которым должны соответствовать пьезоэлектрические датчики для вихревых расходомеров воды, газа и пара. Показано, что выпускаемые промышленностью датчики давления не соответствуют этим требованиям: датчики быстропеременных давлений не обладают достаточной чувствительностью, а датчики акустических давлений не обеспечивают необходимых условий эксплуатации.

В работе предложено исследовать пути оптимизации характеристик пьезоэлектрических датчиков с учетом требований к информативности и прочности в рабочих условиях с помощью пространственных электротермоупругих моделей.

2. Впервые разработана аналитическая модель чувствительного элемента пьезоэлектрического датчика с деформацией растяжение-сжатие в виде пространственного кусочно-однородного электротермоупругого тела, содержащего пьезоэлемент и силопередающие элементы из различных материалов. Выявлены основные закономерности, связывающие функцию преобразования и прочность неоднородного чувствительного элемента при действии осевой силы и изменении температуры с упругими модулями материалов и толщиной деталей. Найдены новые пути повышения чувствительности к информационному параметру (а.с. 947768, 1120245) и снижения аддитивной погрешности пьезоэлектрических датчиков при изменении температуры (а.с. 1353235) с помощью силопередающих элементов с заданными упругими свойствами.

3. Разработаны новые способы и устройства для испытания пьезокерамических материалов, позволяющие упростить процедуру и повысить точность измерения упругих (а.с. 1253296, 1442867) и пьезоэлектрических (а.с. 1187078) модулей, теплового расширения, прочности на растяжение (а.с.1250904) и проведены комплексные исследования их характеристик, необходимых для расчетов в рамках разработанных моделей.

4. Усовершенствованы методы оценки механической надежности пьезоэлектрических датчиков с учетом пространственного напряженного состояния неоднородного чувствительного элемента в условиях эксплуатации при действии давления и изменении температуры и экспериментально доказана их более высокая достоверность. Предложены эффективные конструктивные и технологические приемы, обеспечивающие повышение надежности пьезоэлектрических датчиков в рабочих условиях, заключающиеся в рациональном выборе материалов силопередающих элементов и температуры сборки чувствительного элемента.

Предложен новый критерий выбора материалов силопередающих элементов заключающийся в следующем: материалы должны быть таковы, чтобы оценка вероятности неразрушения чувствительного элемента в условиях эксплуатации, определенная в рамках пространственной модели напряженного состояния, соответствовала заданным требованиям, вытекающим из структурно-функционального анализа надежности датчика.

5. Исследованы объемночувствительные пьезопреобразователи, открывающие новые пути миниатюризации и повышения технического уровня датчиков давления.

Впервые разработана пространственная электротермоупругая модель пьезоэлектрического чувствительного элемента при действии всестороннего давления с учетом адиабатического изменения температуры окружающей среды. Выявлены новые закономерности, связывающие его коэффициент преобразования с характеристиками материалов, геометрией деталей, свойствами внешней среды и частотой процесса. Предложены эффективные приемы защиты пьезоэлемента от негативного влияния пироэффекта путем его теплоизоляции, а также снижения виброэквивалента (а.с.1262314). На основании полученных результатов разработаны сверхминиатюрные датчики давления, весом менее 0,1 г, нашедшие применение при отработке изделий ракетно-космической техники.

6. Разработаны новые методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе универсальных относительно геометрии изделия и способов приложения нагрузки численных пространственных электротермоупругих моделей, отличающиеся комплексным учетом требований к динамическим характеристикам, чувствительности к информационному параметру и влияющим механическим факторам, прочности в условиях эксплуатации при действии давления и изменении температуры.

7. Разработаны конечно-элементные модели различных типов пьезоэлектрических датчиков давления и экспериментально подтверждена их достоверность для расчета коэффициента преобразования, собственных частот, вибрационной чувствительности и прочности. Выявлены новые закономерности, связывающие характеристики датчиков давления с геометрией его конструктивных элементов, на основании которых разработаны пьезоэлектрические датчики, соответствующие заданным требованиям и нашедшие применение в вихревых расходомерах.

8. Научно обоснован обобщенный показатель качества пьезоэлектрических датчиков давления, характеризующий объем возможностей в виде плоскости давлениечастота, нормированный на площадь, связывающую датчик с объектом измерений. На основании анализа технических характеристик датчиков ведущих мировых производителей установлено, что созданные а рамках настоящей темы пьезоэлектрические датчики давления по уровню обобщенного показателя качества в 2-6 раз превосходят лучшие отечественные и известные зарубежные аналоги.

9. Разработаны конечно-элементные модели датчиков изгибающего момента для вихревых расходомеров, излучателей-приемников для ультразвуковых расходомеров газа, вибрационных сигнализаторов уровня для систем управления транспортировкой углеводородов. Эти модели охватывают все типы пьезоэлектрических измерительных преобразователей с точки зрения физического принципа действия и хорошо согласуются с опытными данными.

10. На основе разработанных датчиков созданы 11 типов вихревых расходомеров воды, газа, пара, включенных в государственный реестр средств измерения РФ и выпускаемых на 7 предприятиях страны в объеме около 3000 штук в год на сумму более 2млн. рублей. Эти приборы не уступают по техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам, а по максимальным диаметрам условного прохода (500 мм) и предельным температурам (500 оС) превосходя их.

В результате диссертационной работы решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение - разработаны новые методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей, обеспечивающие улучшение их технических характеристик, а также создана элементная база для успешного развития вихревой расходометрии в России и оснащения промышленности высокоточными приборами, универсальными относительно свойств измеряемой среды.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

Монография 1. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах. Т. 3. Богуш М.В.

Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Ростов-наДону. Издательство СКНЦ ВШ, 2006. 346 с: ил.

Публикации в научных журналах по списку ВАК 2. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Резниченко Л.А., Богуш М.В., Куприянов М.Ф., Шилкина Л.А. Особенности зависимостей состав структура свойства в твердых растворах на основе ниобата натрия//Журнал технической физики - 1982, т.52, в.2.- с. 362-365.

3. Богуш М.В. Мадорский В.В., Митько В.Н. Об аномалиях объемного пьезоэффекта в керамических пластинах.Ц ФТТ, 1990, т.32, №8, - с. 2324 Ц2327.

4. Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковых расходомеров газа//Датчики и системы Ц2007. - №8,-с. 8-11.

5. Богуш М.В. Успехи вихревой расходометрии//Приборы - 2007.-№8, -с.32-39.

6. Богуш М.В. Развитие вихревой расходометрии в России// Датчики и системы - 2007. - №9, - с. 2-9.

7. Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков с использованием конечно-элементных математических моделей //Приборы - 2007.- № 12,- с. 30-38.

8. Богуш М.В. Современные пьезоэлектрические датчики для вихревых расходомеров//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика - 2007. - № 11,- с.32-37.

9. Богуш М.В. Изменение коэффициента преобразования пьезоэлектрических датчиков от температуры//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика - 2008.- № 2,-с. 36-39.

10. Богуш М.В. Исследование неоднородных чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков //Датчики и системы - 2008. - № 2, - с.2-8.

11. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Анализ функции преобразования пьезоэлектрических датчиков давления методом конечных элементов//Известия ЮФУ. Технические науки - 2008. - №2, - с.74-84.

12. Богуш М.В., Мокров Е.А., Панич А.Е., Оценка информативности пьезоэлектрических датчиков давления российских и зарубежных производителей//Приборы - 2008. - № 3, - с. 13 -16.

13. Богуш М.В. Оценка механической надежности чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков на основе пространственной модели напряженного состояния//Датчики и системы - 2008. - № 3, - с.2-9.

14. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Проектирование пьезоэлектрических датчиков изгибающего момента для вихревых расходомеров газа и пара // Приборы и системы.

Управление, контроль, диагностика - 2008.- № 4,- с.32-38.

15.Богуш М.В., Мокров Е.А., Панич А.Е. Анализ информативности пьезоэлектрических датчиков давления с помощью обобщенного показателя качества// Измерительная техника - 2008. - № 6,- с.27-29.

Авторские свидетельства СССР и патенты России 16. А.с. 947768 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь /его варианты/ О.П. Крамаров, М.В. Богуш, С.О. Крамаров. - Опубл. в Б.И., 1982, № 28.

17. А. с. 1120245 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь / М.В. Богуш, А.В. Гориш, О.П. Крамаров, В.В. Мадорский. - опубл. в Б.И., 1984, № 39.

18. А.с. 1187078 (СССР). Устройство для измерения величины пьезомодуля керамических элементов/ О.П.Крамаров, М.В. Богуш, А.И. Сокалло, В.А. Хренкин, В.В Мадорский, В.Л. Шихман, -. Опубл. в Б.И., 1985, № 39.

19. А.с. 1250904. Способ испытания на растяжение образцов керамических материалов / М.В. Богуш, С.О.Крамаров, В.В. Мадорский. - Опубл. в Б.И., 1986, № 30.

20. А.с. 1262314 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь для измерения давления/ М.В. Богуш, А.В. Гориш, С.Д. Забродина, О.П. Крамаров, А.П. Кудинов - опубл. в Б.И., 1986, № 37.

21. А.с. 1353235 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь / М.В. Богуш, А.В. Гориш, О.П. Крамаров, В.В. Мадорский. - 1986.

22. А.с. 1253296 (СССР) Способ определения упругой податливости пьезокерамики s13 / М.В. Богуш, И.Н. Иванов, С.О. Крамаров, В.В. Мадорский В.В. - 1986.

23. А.с. 1442867 (СССР). Способ измерения коэффициента Пуассона пьезокерамических материалов/ Викт.В. Мадорский, Вл.В.Мадорский, М.В. Богуш - опубл. в Б.И., 1988, № 45.

24. Патент России 2189668. Пьезоэлектрический преобразователь/ Богуш М.В., Вусевкер Ю.А., Кудинов А.П., Панич А.Е., Чернявский С.А. - 2001.

Публикации в трудах международных симпозиумов и конгрессов 25. Bogush M., Kramarov S., Madorskiy V. Determination of the elastic modulus s of piezoceramics by the method of three resonances. - Proceeding of the Ninth International Symposium on the Applications of Ferroelectrics, Penn State Scanticon Conference Center, Pennsylvania, USA, 1994. P1-29, p. 30.

26. Abramenko T, Gorish A., Bogush M., Mitko V., Main characteristics analysis of the piezoelectric sensors under finite-element method. - Proceeding of the Tenth International Congress on Sound and Vibration, Stockholm, Sweden, 2003. V.3, p. 951-959.

Публикации в научно-технических сборниках и журналах.

27. Крамаров О.П., Богуш М.В. Мадорский В.В. Упругое взаимодействие пьезоэлемента с прокладками под действием одноосной квазистатической силы. - В сб.: Физические явления в поликристаллических сегнетоэлектриках. Л.: Изд-во АН СССР, 1981, с. 61-66.

28. Крамаров О.П., Богуш М.В., Сокалло А.И., Шихман В.Л. Исследование упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических модулей керамики на основе титаната висмута.- В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, изд. РГУ, 1985, с. 4-8.

29. Богуш М.В., Гориш А.В., Кривцова С.П. Тепловое расширение пьезокерамических материалов ЦТС-83Г и ТВ-2. - там же, с. 24-29.

30. Богуш М.В., Мадорский В.В., Гориш А.В. Влияние упругого взаимодействия пьезоэлемента с пуансонами на чувствительность преобразователя,Ц там же, с.67-70.

31. Мадорский В.В., Богуш М.В. Определение упругого модуля s13 пьезокерамики методом трех резонансов. - В сб.: Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства. - Ростов-на-Дону, изд. РИСХМ. 1986, с. 69-73.

32. Богуш М.В. Влияние упругих свойств силопередающих элементов на предельные уровни квазистатического давления на пьезопреобразователь.- В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Вып.6, Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1987, с. 73-77.

33. Чернышков В.А., Резниченко Л.А., Богуш М.В., Панич А.Е. Исследования материала для высокотемпературных пьезодатчиков. - В сб.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1989, Вып.8, с.13-135.

34. Гориш А.В., Богуш М.В., Рогач Т.В. Лысакова З.В.. Преобразователи для малогабаритных датчиков акустических и быстропеременных давлений - В сб.: Пьезоактивные материалы. Физика, технология, применение в приборах. Ростов-на-Дону, издво РГУ, 1992, с. 67 - 71.

35. Богуш М.В., Артемов Ю.А., Гориш А.В., Старостин В.Н. Температурные напряжения в пьезоэлектрических датчиках.- Зарубежная Радиоэлектроника,1996, №9, с.72-74.

36. Гориш А.В., Богуш М.В., Злобин А.И., Горбунов С.М. Пьезоэлектрические преобразователи с элементами компенсации вибрационной чувствительности. В сб.:

Экология, мониторинг и рациональное природопользование // Научн. тр. Вып. 288 (II).

М.: МГУ Леса, 1997, - с. 90-96.

37. Вусевкер Ю.А., Гориш А.В., Богуш М.В., Старостин В.Н. Виброзащита пьезопреобразователей датчиков акустических давлений - там же, с. 96-100.

38. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для вихревых расходомеров воды, газа и пара. - В кн.: Коммерческий учет энергоносителей. - СПб.: Политехника, 2000, с.

28-30.

39. Богуш М.В., Гориш А.В. Исследование технических характеристик пьезоэлектрических датчиков методом конечных элементов. - Информационноизмерительная техника, экология и мониторинг: науч. тр.- Вып.6 - М.: РКА, МГУЛ, 2003. - С. 229 Ц242.

40. Богуш М.В., Гарковец А.А., Панич А.Е., Шатуновский О.В. Пьезорезонансные сигнализаторы уровня// В кн. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Ростов-на-Дону. Изд-во ООО ЦВВР. 2006. - С. 63-68.

41. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Пьезоэлектрические преобразователи для ультразвуковых расходомеров газа - там же, с. 124-129.

Публикации в трудах Всесоюзных, Всероссийских и межотраслевых научно-технических конференций и семинаров 42. Чеботаренко О.Б., Доля В.К., Богуш М.В., Якубовская Л.Е. Исследование объемных пьезоэлектрических модулей некоторых промышленных пьезокерамик. - Тезисы докладов 7 Всесоюзной конференции по методам получения и анализа ферритовых, сегнето-,пьезоэлектрических, резистивных, конденсаторных материалов и сырья для них. Ч.1, Донецк. 1983, с. 27.

43. Богуш М.В., Гориш А.В., Крамаров О.П., Кривцова С.П. Тепловое расширение некоторых промышленных пьезокерамик. - там же, с. 28.

44. Богуш М.В. Влияние электрических граничных условий на тепловое расширение пьезокерамики. - В сб.: Керамические, конденсаторные, сегнето- и пьезоэлектрические материалы. Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара. Рига, 1986, с. 70.

45. Вусевкер Ю.А., Кудинов А.П., Богуш М.В., Шевченко Л.А. Исследование электрофизических свойств пьезоэлементов в виде тонких пленок. - там же, с.74.

46. Богуш М.В. О термоупругих напряжениях в пьезоэлементе в составе датчика.

Ц В сб.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Пенза, 1986, с.54-55.

47. Чернышков В.А., Богуш М.В., Резниченко Л.А. Стабильность поляризованного состояния сегнето-пьезокерамики на основе метаниобата лития в широком интервале температур и давлений. Сб. Тезисов докладов 3-ей Всесоюзной конференции Актуальные проблемы получения и применения сегнето- пьезоматериалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса.. М.: НИИТСИМ, 1987. С. 108.

48. Лопатин С. С., Богуш М. В., Расторопов С. Б., Доля В.К., Якубовская Л.Е.

Аномальные поведение объемного пьезомодуля керамики - там же, с. 151.

49. Богуш М.В., Кудинов А.П., Шатуновская Е.Ю. Пьезоэлектрические преобразователи для ультразвуковых счетчиков жидкости.- В кн.: Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения. Материалы Международной научнопрактической конференции.Ц Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1999, с. 35-41.

50. Богуш М.В. Бинеев Р.У. Шатуновский О.В. Пьезоэлектрические датчики давления для вихревых расходомеров. - В кн.: Методы и средства измерения в системах контроля и управления. Материалы Международной научно-технической конференции.

Ц Пенза: изд-во ПГУ, 1999, с 6-8.

51. Богуш М.В. Расчет частотных характеристик пьезорезонансных сигнализаторов уровня методом конечных элементов. Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL, М. 2004, с. 316-322.

52. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Ультразвуковые излучатели-приемники для газа// В кн. Фундаментальные проблемы функционального материаловедения, пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. ПЬЕЗОТЕХНИКА - 2005. Материалы международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону, Азов. Изд-во РГПУ. 2005. - С. 13-17.

53. Богуш М.В.Анализ и синтез пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей. Материалы третьей Всероссийской научно-практической конференции Перспективные системы и задачи управления. - Домбай, 2008. Т 1.С. 228-230.

Личный вклад автора в опубликованные работы вместе с соавторами:

В [27,30] предложена математическая модель ЧЭ, содержащего ПЭ и СПЭ, получены формулы для расчета КП и проведена экспериментальная проверка модели;

в [16,17] предложено повысить КП пьезопреобразователей за счет одновременного синфазного возбуждения продольного и поперечного пьезоэффекта; в [19] предложено использовать растягивающие планарные напряжения в керамике для контроля ее прочности на растяжение; в [35] разработана математическая модель напряженного состояния неоднородного ЧЭ при изменении температуры и сделаны оценки прочности; в [21] предложено повысить помехоустойчивость пьезопреобразователя при изменении температуры за счет компенсации пироэффекта поперечным пьезоэффектом от температурных напряжений.

В работах [22,23,25,31] с целью упрощения процедуры испытаний предложено использовать толщинные поправки к спектру частот радиальных колебаний ПЭ в виде диска и проведена экспериментальная проверка новых способов; в [18] предложено повысить точность измерения пьезомодуля d33 квазистатическим методом с помощью эластичных прокладок заданной толщины; в [28] проведено исследование упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических модулей новых ПКМ, а в [29,45] исследовано их тепловое расширение; в [2,33,48] проведены экспериментальные исследования стабильности характеристик новых ПКМ, а в [45] пленочных ПЭ при различных внешних воздействий.

В [42,47] обоснована методика измерений объемной чувствительности ПКМ; в [3] предложена постановка задачи электротермоупругости для ОЧП и проведена экспериментальная проверка модели; в [36,37] проведены расчеты модульных ПЭ с виброкомпенсирующим элементом, в работе [20] предложена конструкция виброзащищенного ОЧП; в [34] дано обоснование модульного ОЧП для сверхминиатюрных датчиков давления.

В [11,14,26,39] автору принадлежит разработка новых методов анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей МКЭ, в [40,41,52] предложена постановка задач МКЭ для различных типов пьезоэлектрических датчиков и методы экспериментальных исследований для проверки расчетов, проведен анализ и обобщение результатов; в [12,15] дано научное обоснование нового обобщенного показателя качества для ПДД и с его помощью проведен анализ датчиков ведущих отечественных и мировых производителей; в [50] сделан обзор пьезоэлектрических датчиков для вихревых расходомеров, в [24,49] предложены конструктивные приемы для повышения термостойкости и проведены испытаний пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковых расходомеров при изменении температуры.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям