автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Анализ и синтез пьезоэлектрических датчиков для вихревых расходомеров на основе пространственных электротермоупругих моделей

На правах рукописи

ии3457465

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

1 2 ДЕК 2008

Ростов-на-Дону - 2008

003457465

Работа выполнена в НКТБ «Пьезоприбор» Южного Федерального

университета

доктор технических наук, профессор Панин Анатолий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор 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 "_"_2008 г.

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

Научный консультант Официальные оппоненты

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 величии. В настоящее время датчики па основе пьезоэлектрических элемешов выпускаются более, чем 30 фирмами в мире.

Как правило, пьезоэлектрические датчики работают в экстремальных условиях эксплуатации: высокие и низкие температуры, квазистатичсские 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 H.A. Бойков, И.А. Глозман, И.П. Го-лямипа, A.B. Горнш, 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, A.M. Туричип, Ю А.Устинов, Р.К Цехаискин, В.М. Шарапов, Э.Бауман, Д. Берлнпкур, Е. Кекучи, У. Кук, У. Кэдн, Д. Керран, У. Мэ-зои, 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, по 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 вих-реобразования. Однако, для создания конкурентоспособных приборов этого типа, универсальных относительно свойств контролируемой среды, необходимы преобразователи эиергии потока в электрический сигнал, обладающие определенной совокупностью свойств: широкими динамическими и частотными диапазонами, змачшельными

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 элсктротермоупругое 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 темпера-

туры (а.с. 1353235) с помощью силопередающих элементов с заданным» упругими свойствами.

2. Разработаны новые методы н устройства для измерения характеристик пьс-зокерамических ма1Сриалов, 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 пьезокерамикн.

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 впброэквивалента (а.с. 1262314).

5. Разработаны новые методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе универсальных относительно геометрии изделия и способов приложения нагрузки численных пространственных злектротермоупругих 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 копечно-элсмснгпые 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 давление-частота, нормированный на площадь, связывающую датчик с объектом измерений.

8. Разработаны конечно-элементные пространственные элекгротермоупругие модели различных типов пьезоэлектрических датчиков, включая датчиков изгибающего момента, излучателей-приемников ультразвуковых воли, 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.

Личный 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, 01S, 019, 021, 108М (ООО «Пье-зоэлектрик» 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), «Dymetic 9412», «Dymetic 9421», «Dymetic 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 «Мет-ран 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 обьемно-чувствитсльпые 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 «Dymetic 1222», применяемых в системах ууета 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 сегнетоэлектрнков».- Черноголовка, 1981. Межотраслевых семинаров «Пьезоэлектрические материалы и преобразователи». - Белая Речка 1981, 1985. 7 Всесоюзной конференции «Методы получения и анализа ферритовых, сегнето-, пьезоэлектрических, резистпвиых, конденсаторных материалов и сырья для них. - Донецк, 1983. Всесоюзного семинара «Применение пьезоактивных материалов в промышлен-

ности. - Ленишрад, 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 пьезоэлектроникн» - 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».- 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 «ПЬЕЗО'ГЕХНИКА-2005». 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.

Па защиту выносятся:

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

- новые методы и средства испытания параметров пьезокерампчеекпх 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 конечно-элементных 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 н симпозиумов, 15 статей в научно-технических сборниках и журналах, 12 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 п 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 анергии 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 ЕМСО (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 Епскевз+Наизег (Германия) описан вихревой расходомер с унифицированным емкостным датчиком в виде крыла, установленным за телом обтекания Лишь УОКСЮАУА (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 На с учетом квадратичной зависимости давления ог скорости потока п вариации плотности вещества. Частотный диапазон должен быть не менее 4 порядков, начиная от единиц Гц, интервалы рабочих температур от ± 50°С для измерения расхода газа, 0-150°С - для холодной и горячей воды, от 100 до 250 -300°С - для потребителей пара и до 500-600°С - 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 условии 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 н синтеза) пьезоэлектрических датчиков основываются па 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 па бурное развитие в последние годы численных методов анализа пьезоэлектрических устройств, основное число публикаций относится к электроупругнм задачам и исследованиям амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). В работах, посвященных элсктротермоупругим 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 пье-зокерамических 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 опре-

^ ^ ^ ^ ^ ^

делить основные закономерности явлении, 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 явля-' I I I А I I I ется ~ У^л датчика, фактически определяющий его

информативность и надежность. Разработана и исследована аналитическая модель ЧЭ наиболее распространенного типа пьезоэлектрических датчиков с деформацией растяжения-сжатия в виде кусочно-однородного пространственного электротермоупруго-го тела (пакета), рис.1. Один из элементов пакета (ПЭ) является поляризованной по толщине керамикой, остальные (мембрана, токосъемники, тепло- и электроизоляторы, основание корпуса) - обеспечивающие одновременно функцию силопередающих pucj элементов (СПЭ) - выполнены из изотропных мате-

риалов. Поперечные размеры всех деталей совпадают, толщины и упругие свойства произвольны. На торцы пакета действует равномерно распределенная нормальная квазистатическая сила F = F0 + F|-sinoot, где ш - 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 U|, компонент механический напряжений aZ| (1 = r,0,z), электрического потенциала tp и температуры Т. Электроды ПЭ подключены к усилителю с известными входными характеристиками (емкостью С и сопротивлением R).

Напряжсппо-дсформированнос состояние каждого элемента описывается уравнениями равновесия. Изотропные слои описывакнся также соотношениями Дюгамсля-Неймапа и Ко-ши, а пьезоэлектрический слой - уравнениям прямого н 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-Вепаиа в следующем виде: - для изотропных слоев:

1

а

(к)

= Р, о<к)=0,

а(к) _ <Ю _ и °оа

1-v,

-[Ek(a + bz) + vkP-pkAT], (1)

- для пьезокерамического слоя (индекс слоя п опущен): = Р, ст„ = 0 , а,т —-—(a + bz-s13P-íUT + d31^) +

Зп +SI2

h„

(sn+sl2)(l-k¿)

(z-h)b + (P,-x-

kj^XAT.-ATJ 2cL,

(2)

[[(г - Ь)Ь + (Р„ -Х"~~-)(ЛТП - АТП)]

£2 ---^^-ег = ее = о,

Езз(1-к^)(511+812) Ьп

ф= ]б2<Ь, ДТк =— }дт(г,0<ь, 5=Ьп+Ьп-'.

11 к 2

Коэффициенты а и Ь, зависящие в виде рядов от упругих модулей и толщин элементов пакета, определяются из условий его самоуравновешенности на боковых поверхностях:

|<7(1Г = 0 > [[сг-г]с1Г = 0, (3)

Г Г

гдес?- вектор-функция с компонентами {агг,СТ^, О^}.

В (1,2) £¡,^1 (1 = г>0,г) - компоненты векторов электрического поля и индукции в ПЭ, Ек, ук, рк- модули Юнга, коэффициенты Пуассона п коэффициенты линейного теплового расширения (КЛТР) материала к-го слоя при к Ф п, к = 1,2..»..И, и - индекс пьсзокерамического слоя, N - количество слоев; 11к и 7.к - толщина и координата каждого слоя; Бп, 5|3, <133, <1|3, р., К,„ х~ упругие и пьезоэлектрические модули, КЛТР в плоскости изотропии, коэффициент электромеханической связи и пирокоэф-фнциент ПКМ, Р - сила Б, отнесенная к единице площади, ДТ- 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 СГ22 действуют пленарные компоненты механических напряжении СТ^и С700, появляющиеся как при действии осевой силы, так и изменении температуры

2. Даже в закороченном ПЭ (при ср„=0) действует электрическое поле, которое вносит коррекцию в величину (71т.

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, п=2, Ь=0)

- функция преобразования переменной силы в заряд на электродах ПЭ q(F1) для частот низких по сравнению с его механическим резонансом будет иметь вид:

ф + Я-С-со2

ГП| Е

^33 + 2^31-г1-Г

1-к к

£, 2/7,

(4)

ь

а.

Новизна решений заключается в том, что коэффициент преобразования (КП = зависит не только от продольного (ё33), но и поперечного (ёз;) 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 точ-• •<—■ ной численной модели методом ко-2 . нечных элементов (МКЭ) с использо-

~7"¡'.'."1 ванием программного пакета А^Ув. ' ••*"• На рис.2 показаны изменения КП ЧЭ в ' .. зависимости от толщины ПЭ из кера-

.,„«.„, М||КН ЦТС-19 с накладками из стали 12Х18Н10Т(1), латуни ЛА77-2(2) и „л графита ЭГ8(3). Кривые с точками со-

рис 2 ответствуют расчету по формуле (4),

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/с1 < 1,0.

Формулу (4) можно использовать для более точной оценки КП пьезоэлектрических датчиков механических величин, так как Р| связано с информационными параметрами известными соотношениями: для датчика давления Р|- Ь,фм-Р, для датчика силы Р,= Р, для акселерометра Р|= т„а (Р, Р, а - соответственно измеряемое давление, усилие или ускорение, Ь^щ- эффективная площадь мембраны, т„ - инерционная масса, И. 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 па растяжение на порядок ниже, чем при сжатии, то планарные растягивающие напряжения при определенных сочетаниях упругих модулей материалов мо!ут 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:

а

Л

где а" и о

а„ = Р,

ст.. =а„

к 2/;,

■урр

(5)

тг £

пределы механической прочности ПКМ па сжатие и растяжение (для ПКМ <Т+/<7 = 0,1), - коэффициент пропорциоиалыюсгн между пленарными 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 (I) 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 планарнымн 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: ^з | > V / Е. По отношению к керамике ЦТС-19 (э,, =—5,310 ,2Г1а"') этому условию удовлетворяют большинство конструкционных материалов, применяемых в приборостроении. В то же время по отношению к керамике ТВ-3 (.?|3 =-1,9-Ю''2 Па'1) или кристаллам кварца (л12 =-1,6-10*|2Яа"') этому условию не соответствуют такие материалы, как латунь, дюралюминии, титан, а по отношению к кристаллам ннобага лития (в,, =-0,43-1042Па"1) - даже сталь.

При изменении температуры в неоднородном ЧЭ также появляются планарные механические напряжения, которые но условиям прочности могут накладывать более жест кие ограничения на диапазон его рабочих температур, чем точка Кюри или другие известные факторы.

(Д-ДХГ-Г)

Е/«,10 Л.

Гас. 3

" 12 Е, 2/г,

:утА(Т-Тс),

(б)

сУгг=ГЛТв-Тс)<^а\

<Т„=ут(Тн-Тс)<-0*,

Г]

где Тв и Тн - верхняя и нижняя граница рабочего диапазона температуры, г) -коэффициент запаса, сг1 - предел прочности ПКМ па растяжение или сжатие, применяемый в зависимости от знака сг1Т.

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 (б) это достигается следующим образом: если KJITP 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 v / Е > |su |, возможно повышение КП датчика к информационному параметру в 1,5-2 раза за счет одновременного синфазного возбуждения продольного и поперечного пьезоэффекта. При выполнении СПЭ нз материала, KJ1TP которых меньше, чем у ПКМ, возможно снижение в 3-5 раз аддитивной погрешности датчиков при изменении температуры за счет компенсации пироэффекта поперечным пьезооффектом, индуцированным планарпыми 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 п 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 -пьезоэлектрических и 2 диэлектрических модуля. 9 из них определяются путем прямых измерений 3-х типоразмеров образцов, a Sn рассчитывается по результатам их измерений. С целыо упрощения процедуры разработан новый способ определения модуля s^, основанный на учете толщиной поправки к частоте 2-го обертона радиальных колебаний ПЭ в виде диска, которая зависит от упругого модуля s,3 Способ заключается в том, что наряду с измерениями модулей sn и Sjî по частотам резонанса fo и первого обертона f0], измеряют частоту второго обертона f02, а модуль su рассчитывают по формуле:

где ео и е?-табулированные значения корней частотного уравнения Бесселя, h и d - толщина и диаметр ПЭ.

С целью повышения точности предложен способ измерения коэффициент Пуассона или упругой податливости s 12 ПКМ, также основанный на учете толщинной поправки к спектру частот образцов в виде диска.

Наряду с динамическими методами в практике широко используются квазиста-тическне методы измерения пьезоэлектрических модулей. Недостатком как отечественных, так и зарубежных устройств, реализующих этот метод, является большая погрешность измерений тонких ПЭ с d/li > 5, достигающая 40%. Проблема заключается в том, что при измерениях в ПЭ не создастся 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 пьезомоду-ля тонких ПЭ до ¿5%.

Важными характеристиками любого материала являются KJ1TP. 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 иоле, связанное с пироэффектом, которое за счет пьезоэффекта приводит к дополнительной деформации образца. Причем эта добавка может достигать 200%. А поскольку она является метастабилыюй 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 па растяжение вычисляют по формуле:

✓ .<Ui.JL.ff.

где Fp- разрушающая сжимающая сила, действующая на площадь L„, d, h -диаметр и толщина образца, v - коэффициент Пуассона материала штампа.

Формула (8) получена па основании анализа модели, разработанной в главе 2, и вытекает из (5) при следующих условиях: Р = Fp/L0, |su| « v/E, sn+sn« (l-v)/E (материал штампа значительно эластичнее ПКМ), h|=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, пнроэлектриче-

ских 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 перазрушенпя 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 неразрушення 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 па 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 плапарпых 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, заклю-

чающийся а том, что оценка вероятности нсразрушеиия 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 с. не выполняются условия непрерывности механических перемещений и напряжений между деталями. Такая конструкция является ненадежной, петехнологичноП п 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 объсмночувствитсльных ньезопреобра-зователей (ОЧП), открывающих принципиально новые пути миниатюризации датчиков давления, т.к. для их реализации не требуется корпус и мембрана.

Однако, при исследованиях объемного пьезомодуля с!у = с13з + 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 юлщнпы 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 электротермо-упругая 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, по 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 па-кладок в газовой среде КП можно представить в следующем виде:

ДТ2 хК

где х, рк. Ск - объемный пьезомодуль, пирокоэффициент, плотность и удельная теплоемкость ПКМ, Ь, и 1тк - площадь электродов и толщина ПЭ, ш - частота пульсации давления, Р и Т - абсолютная температура и давление внешней среды, ц, р0, Со~ молекулярная масса, коэффициент объемного расширения и удельная теплоемкость газа, а - коэффициент теплообмена между газом и ПЭ, Яг - универсальная газовая постоянная.

Согласно формуле (9) ГСП при действии всестороннего давления определяется двумя слагаемыми: первое из них зависит от объемного пьезомодуля, второе - от пи-рокоэффициента, 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 с^з/Уц. Например, виброэквивалент ОЧП такой конструкции из керамики ТС-1 в 10 раз меньше, чем из керамики ЦТС.

На основании полученных результатов в НКТБ «Пьезопрнбор» разработан пье-зокерамический 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 массога-баритные 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 АКБУБ. В связи с отсутствием в А^УБ 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, массогабарптные 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. :

I 1 Технические требования Н + ---

) 2ЛДель расчетов~|н-

—|Тех задание

-| Перспекг требования |

[ Набор или сочетание параметров |

—>-|3Базовая конструкция ^-1 Опыт Н-¡Технологии, элементы [ч-1 Литература Н-1 Конкуренты \—

гтНд

—1->-| 5 Матер!

Геометрическая модель |

| Комплект чертежей |

Конструкционные материалы

р*.. V», я*, , д, сгод ^, £гл (о-;', о* )

ПКМ ^ .

Р,.о-" + -

Жидкость

Р.Узв +

Газ

иб Уравн

гУ^

|->-| 7. Граничные условия^

Движения Закон Гука Соотношение Коши 4-

Прямого и обратного пьезозффекта

Электростатики

+ -

Волновое Сплошности

Состояния газа

I. Электрические Механические Тепловые

Назначение, способ крепления, влияющие факторы

г

6 Расчет

/.К^Р^.АТ.К

| | 9 Эксперимент ]-н-¡Экспериментальный образец |

10. Сравнение расчета с эгатериментом

±

—I 11^ Оптимизация ^н-1 Вариация геометрии деталей и материалов |

Ь — — 12 Альтернативные конструкции |*— - -- - - - - - - - .- - - - - - -

113 Выбор технических решений |-н—| Достигаемые характеристики^—| Себестоимость |ч——¡Технологическая база |

Рис. 4.

На рис.4 используются следующие обозначения:

1) характеристики конструкционных изотропных материалов (металлов и диэлектриков): рк - плотность, Ек- модуль Юнга, vk - коэффициент Пуассона, рк - KJ1TP, QK -добротность, aBk, ao.ik - пределы текучести или пропорциональности для металлов, стк+, ак~ - пределы механической прочности на растяжение и сжатие керамических материалов, к- помер детали (к = 1,2,3...N), N- общее количество деталей.

2) характеристики ПКМ: р - плотность, полный набор упругих s,j, пьезоэлектрических d4 и диэлектрических е„ модулей, р, - КЛТР в направлении вдоль и поперек полярной осп, Q - добротность, от и о" - то же, что и в 1).

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

4) Расчетные характеристики датчика: Г, - собственные частоты (i -1,2,3... - все значимые для анализа частоты датчика), К„ - КП информационного параметра, Ррк- несущая способность k-той детали при механических нагрузках, ЛТ - диапазон рабочих температур датчика по условиям прочности, KBJ - коэффициенты преобразования влияющих факторов, например, виброэквивалепт Wap или деформационный эквивалент Wsp для датчиков давления и др, (j - 1,2,3.... - 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 электротермоупругпх 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 «уравнения»), больший объем сведений о характеристиках материалов (см. этап 5 «материалы»), анализируются не только АЧХ датчика, по 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 электротермоупругпх 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 радиапыю поляризованного цилиндра, вмонтирован в цилнпдрн-

ческий 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.

014М

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 эф-

фективной площади мембраны от ее толщины н радиуса подпирающей мембрану пяты, и получены новые зависимости, показанные на рис. 6.

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 виброчувствнтельпостн от геометрии мембраны также получен неожиданный результат, заключающийся в ее снижении прп 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 прп 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 могутдости-гать 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 ВТЗ-1 (1000 МПа).

Это обеспечивается за счет выполнения корпуса из титанового сплава с KJITP (8,2 106 "С"1) близким к КЛТР ПКМ ЦТС-83Г поперек полярной оси (3,9-10"6 °С"') и выбора температуры сборки датчика (220°С) около верхней границы рабочего диапазона. Если выполнить корпус, например, из сплава 36НХТЮ (16,610"6 "С"') или ЭИ 826

(12,3 ТО"6 °С"'), то термоупругие напряжения в заданном интервале температуры будут превышать пределы прочности ПКМ при любой температуре сборки. Таблица 1

Элементы Ком -ты 20"С, 20"С, 251ГС, 250"С, -50"С, -50"С,

конструкции мех. напр. ОМПа ЗОМПа ОМПа ЗОМПа 0 МПа ЗОМПа

01 -59.. +1,1 -77..+3,1 + 18..+8.0 -16..+4,7 -79.,+1,5 -99..+3,3

ПЭ <ь -ПО..-1,7 -1 77.-4,5 +16..+0.3 -59.+ 1,1 -148.+2.3 -215..-5,1

О] -124..-53 -214..-90 +9.6..-0,2 -110. .+24 -167..-72 -250..-110

Корпус о ¡л! 182 318 27,6 163 246 381

На 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.

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 I. 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 элсктротсрмоупругих моделей с целью приведения характеристик в соответствие с заданными требованиями.

Таблица 2

Характеристики 014М 018 019 108М

КП, пКл/кПа (нКл/Н-м), не менее 20 30 2 (100)

Диапазон измерений, МПа (Н-м) 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 200 800

Собственная частота, кГц, не менее 80 50 50 1,0....10

Диапазон рабочих температур, "С -50..250 -50..300 -50..500 -50..280

Изменение КП от температуры, °С'' + 0,001

Максимальное рабочее давление, МПа 30 20 20 30

Внброэквивалент, Па/м/с" 10 30 30 -

Габариты (без кабеля),мм, не более 08,9x20 011x29 от012х35+Ь Ь=16...64

Масса, г, не более 5,0 20 | 20 от 30 до 150

Многообразие 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 коэффи-

циент 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 = K„-PM-fp/dJ, (П)

где В - ОПК, Кр - коэффициент преобразования давления в заряд, Р„ - максимальное рабочее давление, fp - резонансная частота, d - диаметр мембраны или поперечный размер датчика.

На рис. 9 показано ОПК В (КлГц/м2) лучших моделей ПДД ведущих мировых производителей. Всего рассмотрено более 55 моделей. Позицию 1 по оси абсцисс занимают тра-- диционные корпусные датчики НИИФИ (ДПС-010), 2 и 3 - датчики фирм Kistler Instrument AG (6005) и Vibro-meter (СР-216) (Швейцария), 4 и 5 - датчики фирм J- DYTRAN (220V6) и PCB Piezotronik JNG (119В) (США). Наиболее высокими ОПК обладают объемночувствптельные 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 6, и датчиков изгибающего момента (ДИМ) 108М, рис. 10 в, нашедших применение в современной измерительной техннке.

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 излучатель-приемник 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 г еометрия 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 в отечественной практике разработаны высокоточные ультразвуковых расходомеров га-

Сигнализаторы уровня СУ-802 являются пьезоэлектрическими преобразователями параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффект, с частотным выходным сигналом, зависящим от глубины погружения камертона в жидкость. Информация о глубине погружения камертона в виде девиации частоты отслеживается микропроцессором, который формирует управляющий сигнал на твердотельное реле с последующим включением/выключением исполнительных механизмов. На основании моделирования девиации частоты при погружении камертона в жидкость для различных собственных мод колебаний определена наиболее эффективная мода, и за счет рационального выбора геометрии деталей с учетом информативности и прочности изделия созданы сигнализаторы уровня СУ-802 с рекордно высоким рабочим давлением (до 10 МПа) для систем управления современных магистральных газопроводов.

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

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

На основе ДИМ 108М ООО «Глобус», г. Белгород разработаны вихревые счетчики газа и пара «Ирга-BP», включая полномерный вихревой расходомер с диаметром ус-jiQBiioro прохода 500 мм, не имеющий аналогов в мировой практике.

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

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

Показано, что на основе пьезоэлектрических датчиков, разработанных в диссертации, созданы II типов вихревых расходомеров воды, газа и пара, рис.11, включенных в государственный реестр средств измерения РФ и серийно выпускаемых на 7

за для труб диаметром до 1000 мм.

а б в

Рис. 10

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

018, 019

014М

«ИИИВч-Х

газа и пара

90% - рынка вихревых расходомеров 60% - рынка промышленных средств учета пара

23% - рынка промышленных средств учета газа

- -

ИРГА-РВ

ООО «Глобус»

свг.м свп.м ДРГ.З

ОАО «Сибна»

Метран-331 Метран-321

ЗАО «Метран»

Оуте«с-9421 ОутеИс-9431 Оуте«с-9416

ЗАО «Даймет» ОАО «Электрон»

РФ

I

Ирвис-Р4

ООО «Ирвис»

Взлет-ВРС

ЗАО «Взлет»

Рис. 11.

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 °С), 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-е рабочей температурой до 300°С, 019 - до 500"С.

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.Тюмснь).

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 н пара. Показано, что выпускаемые промышленностью датчики давления не соответствуют этим требованиям: датчики быстропеременных давлений не обладают достаточной чувствительностью, а датчики акустических давлений пе обеспечивают необходимых условий эксплуатации. В работе предложено исследовать пути оптимизации характеристик пьезоэлектрических датчиков с учетом требований к информативности н 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 пьезоэлсмспт и силопе-редающие элементы из различных материалов. Выявлены основные закономерности, связывающие функцию преобразования и прочность неоднородного чувствительного элемент 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 сшюпередающнх 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 рас-

ширения, 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 силопсредающих элементов и температуры сборки чувствительного элемента.

Предложен новый критерий выбора материалов силопсредающих 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 пут» 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 пьезоэлсмспта 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 новью закономерности, связывающие характеристики датчиков давления с геометрией его конструктивных элементов, па 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 давление-частота, 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 преобразователен 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 200 млн. рублей. Эти приборы не уступают по техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам, а по максимальным диаметрам условного прохода (500 мм) и предельным температурам (500 "С) 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

I. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах. Т. 3. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условии эксплуатации. Ростов-на-Дону. Издательство СКНЦ ВШ, 2006. 346 с: ил.

Публикации в научных журналах по списку ВАК

2. Фесснко 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 па основе пнобата 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 пьезоэф-фекта в керамических пластинах - ФТТ, 1990, т.32, №8, - с. 2324 -2327.

4. Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковых расходомеров газа//Датчнки и системы -2007. - №8,-с 8-11.

5. Богуш М.В. Успехи вихревой расходометрии//Прнборы - 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 расходо-меров//Г1рпборы н системы. Управление, контроль, диагностика - 2007. -№11,- с.32-37.

9. Богуш М.В. Изменение коэффициента преобразования пьезоэлектрических датчиков от тсмпературы//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//Извсстпя ЮФУ. Технические науки - 2008. - №2, - с.74-84.

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

13. Богуш М.В. Оценка механической надежности чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков на основе пространственной модели напряженного со-стояния//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., Паннч 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. Шихмаи, -. 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. вБ.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 пьезокера-мики S1 з / М.В. Богуш, И.Н. Иванов, С.О. Крамаров, В.В. Мадорский В.В. - 1986.

23. А.с. 1442867 (СССР). Способ измерения коэффициента Пуассона пьезокс-рамнчсских 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 М., 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. Pl-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-техннческих сборниках и журналах.

27. Крамаров О.П., Богуш М.В. Мадорский В.В. Упругое взаимодействие пьезо-элемента с прокладками под действием одноосной квазистатической силы - В сб.: Фи-

зические явления в поликристаллическнх сегнетоэлектриках. Л.: Изд-во АН СССР, 1981, с. 61-66.

28. Крамаров О.П., Богуш М.В., Сокалло А.И., Шихман B.JI. 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 A.B., Кривцова С.П. Тепловое расширение пьезокера-мических материалов ЦТС-83Г и ТВ-2. - там же, с. 24-29.

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

31. Мадорский В.В., Богуш М.В. Определение упругого модуля sn пьезокера-мики 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., Резиичспко 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 A.B., Богуш М.В., Рогач Т.В. Лысакова З.В.. Преобразователи для малогабаритных датчиков акустических и быстропеременпых давлений - В сб.: Пьезо-актнвные материалы. Физика, технология, применение в приборах. Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1992, с. 67-71

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

36 Горнш 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 // Научп. тр. Вып. 288 (II) М : МГУ Леса, 1997,-с. 90-96.

37 Вусевкср Ю.А., Гориш A.B., Богуш М.В., Старостин В.Н. Виброзащнта пье-зопреобразователей 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 AB. Исследование технических характеристик пьезоэлектрических датчиков методом конечных элементов. - Ииформационно-нзмсритслышя техника, экология и мониторинг: науч. тр.- Вып.6 - М.: РКА, МГУЛ, 2003. - С. 229-242.

40 Богуш М.В., Гарковец A.A., Панич А.Е., Шатуновский О.В. Пьезорезонанс-пые сигнализаторы уровня// В кн. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и иапотсхнологпй. 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 н семинаров

42. Чеботарснко О.Б., Доля В.К., Б01 уш М.В., Якубовская Л.Е. Исследование объемных пьезоэлектрических модулей некоторых промышленных пьезокерамик. - Тезисы докладов 7 Всесоюзной конференции по методам получения и анализа феррито-вых, сегнето-,пьезоэлектрических, резистивных, конденсаторных материалов и сырья для них. Ч. 1, Донецк . 1983, с. 27.

43. Богуш М.В., Гориш A.B., 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 пьезоэлемептов в виде тонких пленок, — там же, с.74.

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

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

47. Черпышков В.А., Богуш М.В., Резниченко Л.А. Стабильность поляризованного состояния сегнето-пьсзоксрамики па 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 научно-практической конференции-Ростов-па-Дону, пзд-во РГУ, 1999, с. 35-41.

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

- Пенза: изд-во ПГУ, 1999, с 6-8.

51. Богуш М.В. Расчет частошых 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., Пикапев Э.М. Ультразвуковые излучатели-приемники для газа// В кн. Фундаментальные проблемы функционального материаловедения, пьезоэлектрического приборостроения и нанотехпологий. 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 пленарные напряжения в керамике для контроля ее прочности па растяжение; в [35] разработана математическая модель напряженного состояния неоднородного ЧЭ при изменении температуры и сделаны оценки прочности; в [21] предложено повысить помехоустойчивость пьезопреобразоватсля при изменении температуры за счет компенсации пироэффекта поперечным пьезоэффектом от температурных напряжении.

В работах [22,23,25,31] с целью упрощения процедуры испытаний предложено использовать толщинные поправки к спектру частот радиальных колебаний ПЭ в виде диска н проведена экспериментальная проверка новых способов; в [18] предложено повысить точность измерения пьезомодуля с133 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 вибро-компенсирующпм элементом, в работе [20] предложена конструкция виброзащищенпо-го 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 да:чиков 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.

Сдано в набор 9.10.2008. Подписано в печать 22.10.2008. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times». Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. 2,25.

Отпечатано в типографии «Печатный квартал». 344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Островского, 17/40. Тел. (863)282-60-23.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАЛИЯ.

1.1. Принцип действия вихревых расходомеров и основные требования к преобразователям энергии потока.

1.2. Пьезоэлектрические датчики давления.

1.2.1. Унифицированный ряд датчиков быстропеременных давлений.

1.2.2. Датчики акустических давлений.

1.2.1 Датчики давления ведущих зарубежных фирм.

1.3. Методы анализа пьезоэлектрических датчиков.

1.3.1. Структурный анализ.

1.3.2. Аналитические методы.

1.3.3. Численные методы.49 '

1.4. Пьезоэлектрические материалы для измерительной техники.

Выводы по главе 1.58 •

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

2.1. Модель неоднородного чувствительного элемента.

2.2. Распределение механических и электрических полей.

2.3. Функция преобразования.

2.4. Прочность при сжатии.

2.5. Прочность при изменении температуры.

2.6. Аддитивная погрешность при изменении температуры.

Выводы по главе 2.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ.

3.1. Электроупругие модули.

3.1.1. Динамический метод измерения электроупругих модулей.

3.1.2. Квазистатический метод измерения пьезоэлектрических модулей. 97 3.2.3 .Полный набор электроупругих модулей

3.2. Изменение электроупругих модулей от температуры

3.3. Изменение пьезоэлектрических модулей от давления.

3.4. Старение.

3.5. Временные изменения свойств при сильных внешних воздействиях

3.6. Тепловое расширение.

3.7. Прочность при сжатии и растяжении.

Выводы по главе 3.

4. ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

4.1. Методы оценки механической надежности

4.2. Оценка механической надежности чувствительного элемента при действии давления.

4.2. Оценка механической надежности чувствительного элемента при действии давления и изменении температуры

4.3. Выбор материалов силопередающих элементов датчиков.

4.4. Изменение коэффициента преобразования от температуры.

4.5. Повышение надежности пьезоэлектрических датчиков акустических давлений.

Выводы по главе 4.

5. ОБЪЕМНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ.

5.1. Аномальные явления в объемночувствительных преобразователях.

5.2. Изменение температуры среды при адиабатическом процессе.

5.3. Модель объемночувствительного преобразователя.

5.4. Экспериментальная проверка модели.

5.5. Контрольные датчики давления.

5.6. Виброзащшценные датчики давления

5.7. Миниатюрные датчики давления.

Выводы по главе

6. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ.199

6.1 .Постановка задачи электротермоупругости.

6.2. Сравнение аналитических и численных решений.

6.3 Методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков

6.4. Анализ датчиков давления.

6.4.1 .Коэффициент преобразования.

6.4.2. Собственные частоты

6.4.3. Вибрационная и деформационная чувствительности.

6.4.4. Прочность в нормальных и рабочих условиях.

6.4.5. Оптимизация конструкции датчика.

6.4.6. Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков давления

6.4.7. Оценка информативности пьезоэлектрических датчиков давления с помощью обобщенного показателя качества. » \ Выводы по главе 6.

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

7.1 .Излучатели - приемники для ультразвуковых расходомеров газа

7.2. Вибрационные сигнализаторы уровня.

7.3. Датчики изгибающего момента.

Выводы по главе 7.

8. ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

8.1. Вихревые расходомеры жидкости

8.2. Вихревые расходомеры газа.

8.3. Вихревые расходомеры пара.

8.4. Вихревые расходомеры ведущих зарубежных фирм.

8.5. Области применения вихревых расходомеров с пьезоэлектрическими датчиками.

8.6. Тенденции развития вихревой расходометрии

Выводы по главе 7.

Актуальность работы. В мировой практике для контроля динамических процессов в качестве первичных преобразователей информации приборов, измерительных и управляющих систем широко применяются пьезоэлектрические датчики. Номенклатура параметров, измеряемых с их помощью в различных областях науки и техники исключительно разнообразна. Эти датчики используются для контроля акустического и быстропеременного давления, ускорения, усилия, вибрации, ударов, объемного и массового расхода, уровня и других физических величин. Они обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, широкими динамическими и частотными диапазонами, малыми размерами, высокой надежностью, не требуют источников питания. 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 H.A. Бойков, И.А. Глозман, И.П. Голямина, A.B. Гориш, Р.Г. Джагупов, В.Домаркас, В.П. Дунаевский В.П. A.A. 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, A.M. Туричин, Ю.А.Устинов, Р.К. Цеханский, В.М. Шарапов, Э.Бауман, Д. Берлинкур, Е. Кеку-чи, 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, а принимаемые технические решения часто базируются только на опыте и интуиции разработчика и не являются оптимальными, особенно в тех случаях, когда требуется создание принципиально новых изделий. Поэтому требуемые технические или вообще не достигаются, или достигаются за счет снижения информативности или надежности приборов.

Внедрение энергосберегающих технологий поставило задачу обеспечение 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 и точности измерений.

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 анализа и синтеза на стадии проектирования. В связи с вышеизложенным данная тема является актуальной.

Цель диссертационной работы. Разработка новых методов анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоуп-ругих моделей, обеспечивающих улучшение их технических характеристик.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) Разработаны математические модели, рассматривающие датчики как единое пространственное электротермоупругое твердое 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 (ПКМ), необходимых для расчетов в рамках созданных моделей.

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

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

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 на ЭВМ 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 (ЧЭ) пьезоэлектрического датчика генераторного типа с деформацией растяжение-сжатие как кусочно-однородное пространственное элек-тротермоупругое тело, содержащего пьезоэлемент (ПЭ) и силопередающие элементы (СПЭ) 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 испытания характеристик пьезоэлектрических 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 ПКМ.

3. Усовершенствованы методы оценки механической надежности пьезоэлектрических датчиков при проектировании с учетом пространственного напряженного состояния ЧЭ 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 СПЭ и температуры сборки ЧЭ. Предложен новый критерий выбора материалов СПЭ.

4. Впервые разработана пространственная электротермоупругая модель пьезоэлектрического ЧЭ 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 ПЭ от негативного влияния пироэф-фекта 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 давление-частота, нормированный,на площадь, связывающую датчик с объектом измерений.

8. Разработаны конечно-элементные пространственные электротермоупру-гие 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 техники.

Практическая значимость работы

1. 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.

Личный 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 работы

На основании теоретических и экспериментальных результатов настоящей работы созданы пьезоэлектрические датчики 014М, 018, 019, 021, 108 (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), «Dymetic 9412», «Dymetic 9421», «Dymetic 9431» (ЗАО «Даймет» и «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 ссужающем 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 (НИИ Физических измерений г.Пенза);

- пьезоэлектрические преобразователи 223 к первым отечественным промышленным ультразвуковым расходомерам газа «Оутейс 1222», применяемых в системах учета попутного газаша 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, для систем управления магистральных газопроводов высокого давления (ЗАО «Ставгазсервис», г. Ставрополь);

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках:

- Первой Всесоюзной конференции «Влияние внешних воздействий на реальную структуру сегнетоэлектриков».-Черноголовка, 1981.

- Межотраслевых семинаров «Пьезоэлектрические материалы и преобразователи».-Белая Речка 1981, 1985.

- Седьмой Всесоюзной конференции «Методы получения и анализа ферри-товых, 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, сегне-то- 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 пье-зоэлектроники» - 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».- Пенза, 2004.

- Четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL.- Москва, 2004.

- Всероссийских конференций «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». - 2004, 2006, 2008. t - Научно-технической конференции с международным участием «КомпьюI терные 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 новые 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 испытаний пьезокерамических материалов (ПКМ), 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 напряженного1 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 пиро-эффекта путем его теплоизоляции, а также снижения виброэквивалента;

- методы анализа и синтеза пьезоэлектрических датчиков на основе конечно-элементных пространственных электротермоупругих моделей- инвариантных относительно геометрии изделия, и способов приложения нагрузки, 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;

- 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; с

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

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, 12 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 .Сформулированы основные требования, которым должны соответствовать преобразователи энергии потока в электрический сигнал вихревых расходомеров воды, газа и пара. Показано, что выпускаемые промышленностью пьезоэлектрические датчики давления не соответствуют этим требованиям: датчики быстропе-ременных 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 кусочно-однородного пространственного электротермоупругого тела, содержащего пьезо-элемент 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.

3. Разработаны новые способы и устройства для испытания пьезокерамиче-ских 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 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, связывакнщге 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 давление-частота, нормированный на площадь, связывающую датчик с объектом измерений. На основании анализа технических характеристик датчиков ведущих мировых производителей установлено, что созданные в 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 около 200 млн. рублей. Эти приборы не уступают по техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам, а по максимальным диаметрам условного прохода (500 мм) и предельным температурам (500 °С) превосходя их.

В результате выполнения 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.

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества.Изд.З-е, переработанное. и доп. - JL: Машиностроение, 1975.- 776 с.

2. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. -М.: Машиностроение, 1978. -152 с.

3. Маштаков,Б.П., Грикевич A.B. Вихревые расходомеры с телом обтекания. Перспективы вихревой расходометрии.- Приборы и системы управления- 1990, №12, с.24-26.

4. Абрамов Г.С., Барычев A.B., Зимин М.И. Практическая расходомет-рия в промышленности М.: ОАО ВНИИОЭНГ, 2000. - 472 с.

5. Абрамов Г.С., Барычев A.B., Практическая расходометрия в нефтяной промышленности М.: ОАО ВНИИОЭНГ, 2002. - 460 с.

6. ГОСТ 8.563.1-97. Измерение расхода и количества жидкости и газов методом переменного перепада давления. Минск: Изд-во стандартов, 1997.

7. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах Т.З.Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Ростов-на-Дону. Издательство СКНЦ ВШ, 2006, 346 с: ил.

8. Вихревые расходомеры Vortex серии PhD™. www.promatis.ru/files/emco.pdf. ЗАО «Проматис».- 2007.

9. Вихревой расходомер OPNISWIRL 4070С//Датчики и системы.-2006.-№12.- С.65.

10. Вихревой расходомер для жидкостей, газа, насыщенного и перегретого пара Prowirl серии PROline. www.automatization.ru/equip-db/device.php?id=50310. ЗАО "Геолинк Консалтинг". - 2007.

11. Вихревые расходомеры DY (digitalYEWFLO) и YF100 (YEWFLO). tehnosystems.ru/katalog.php?id=27. ЗАО «Техносистемы». — 2007.

12. Баженов A.A., Гориш A.B., Яровиков В.И. Пьезоэлектрические датчики механических величин. Современное состояние и перспективы развития. В. сб.: Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения, т. 2. - Ростов-на-Дону, 1999, с.15-25.

13. Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под общ. ред. Е.П. Осадчего. -М.: Машиностроение. 1979. -480 с.

14. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах./ Под общ. ред. Ю.Н. Коптева; Под ред. Е.Е. Богдатьева, A.B. Гориша, Я.В. Малкова. М.: ИПРЖР, Т.1 (кн.2) 1998 512 е., Т.2 1999 -688 с.

15. Бутов В.И., Забродина С.Д.Кузин В.И. Пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений// Приборы и системы управления, №10, 1990, с.11-12.

16. Михайлов П.Г., Бутов В.И., Политменцева Т.Н., Гориш A.B. Пье-зодатчики быстропеременных, импульсных и акустических давлений. Радиотехника, 1995, № 10, с36 -37.

17. Бутов В.И., Вусевкер Ю.А., Мокров Е.А., Панич А.Е., Высокотемпературные пьезоэлектрические датчики малых и сверхмалых уровней. В сб.: Пьезотехника - 2000, М.,2000, с.277- 282.

18. Гориш A.B., Богуш М.В., Рогач Т.В. Лысаков З.В. Преобразователи для малогабаритных датчиков акустических и быстропеременных давлений — В сб.: Пьезоактивные материалы. Физика, технология, применение в приборах. Ростов-на-Дону, 1992, 67-71.

19. Датчики и преобразующая аппаратура. Каталог НИИ Физических измерений.- Пенза, 2001, 157с.

20. Средства пьезоэлектрического приборостроения. Каталог — 90, Ростов-на-Дону, ОКТБ Пьезоприбор РГУ, 1990, 115 с.

21. Михайлов П.Г., Бутов В.И., Винокуров И.П., Кузьмич И.И. Датчики акустических давлений. Приборы и системы управления, №10,1990,с. 13.

22. Михайлов П.Г., Забродина С.Д., Бутов В.И., Кузин В.Н. Пьезодат-чики для измерения акустических и быстропеременных давлений/ Измерительная техника, 1994, № 6, с. 11-12.

23. Pressure Sensors, www.pcb.com . PCB Piezotronik JNG, 2007.

24. Пьезоэлектрические датчики давления, www.kistler.com. Kistler Insnrument AG, 2007.

25. Pressure Sensors.www.dytran.com. Dytran Instruments Inc. 2007.

26. Каталог фирмы "Vibro-Meter" 2000.

27. Най Дж. Физические свойства кристаллов. — М.: Иностранная литература, 1967. 386 с.

28. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезо-магнитные материалы и их применение в ультразвуке. — В кн.: Физическая акустика под ред. У.Мэзона, т.1, ч.А. М.:Мир, 1966, с.204-324.

29. Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. — М.:Мир, 1974, -289 с.

30. Иориш Ю.А. Виброметрия. М.: Гос. Научно-тех. изд-во машиностроительной лит-ры. 1963, с.563-569

31. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин.- М.-Л.:Энергия, 1966, с.52-61.

32. Бойков H.A. Измерение давления при быстропеременных процессах.- М.: Энергия, 1970. 470 с.

33. Левшина К.С., Новицкий И.В. Электрические измерения физических величин, М.: Энергоатомиздат, 1973, с. 107-130.

34. Нуберт Г.И. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. М.: Энергия, 1970. - 470 с.

35. Бауман Э. Измерение сил электрическими методами.— М.: Мир, 1978.-430 с.

36. Пьезокерамические преобразователи: Справочник / В.В. Ганополь-ский, Б.А. Касаткин, Ф.Ф. Легуша и др.: Судостроение, 1984. 266 с.

37. Коган С.Л. Оценка помехоустойчивости низкочастотного пьезопри-емника с согласующим усилителем. — В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи.- Ростов-на-Дону, 1985, с.70-76.

38. Донсков В.И., Янчич В.В., Лимарев А.И., Козлов В.В. Акселерометры для измерения вибрации при высоких температурах. В кн.: Вибрационная техника. -М.: ДНТП, 1978, с. 146-161.

39. Martini K.P. New range of high temperature courts pressure transducers.-«Kistler Instrument AG».Transducers"77 conference, pressure measurement. 1977 — 20 p. ,

40. Ультразвуковые преобразователи / Под ред. Е. Кикучи. М.: Мир, 1972, 422 с.

41. Кадомцев И.Г., Крамаров О.П., Царюк Л.Б. Влияние клеевого слоя на работу биморфного пьезоэлемента в статическом режиме. — Электронная техника, cep.IX, Радиокомпоненты, 1966, вып.З, с. 117-123.

42. Усачев В.В., Шекунова Н.В. К исследованию напряженного состояния пьезоэлектрических преобразователей с колебаниями изгиба. Электронная техника, cep.IX, радиокомпоненты, 1968, вып.З, с. 76-89.

43. Цеханский K.P., Макеев В.П. Способ повышения коэффициента преобразования пьезоакселерометров. В кн.: Вибрационная техника. - М.: МДНТП, 1978, с. 151-159.Y

44. Баженов A.A., Яровиков В.И. Универсальная модель пьезоэлектрических преобразователей механических величин с распределенными параметрами/Измерительная техника, 2007, №12, с 30-35.

45. Домаркас В., Петраускас А. Колебания ассиметричных биморфных излучателей. — Ультразвук: Научн. труды вузов Литовской ССР, 1976, вып. 8, с. 57-63.

46. Устинов Ю.А. Электроупругость. Некоторые вопросы математического моделирования//Соросовский образовательный журнал. 1996, №9,- с 122-127.

47. Гетман И.П., Устинов Ю.А. К теории неоднородных электроупругих плит. Прикладная механика и математика. 1979, т. 43, с. 923-937.

48. Мадорский В.В., Устинов Ю.А. К оценке неоднородности поля механических напряжений в пьезокерамических дисках. В кн.: Пьезоэлектрические материалы и пьезопреобразователи. Ростов-на-Дону: изд-во РГУ, 1971, с. 65-80.

49. Мотовиловец И.А. Теплопроводность пластин и тел вращения. — Киев: Наукова думка, 1969. 144 с.

50. Микитюк С.А., Колеватов Ю.А., Сентюрин Е.Г. Влияние толщины слоев на температурные напряжения в трехслойной пластине. Физико-химическая механика материалов, 1975, т.11, № 1, с. 79-81.

51. Белейчева Т.Г. Термоупругие напряжения в кусочно-однородных структурах. Прикладная механика и техническая физика, 1978, № 5, с. 135

52. Улитко А.Ф. К теории колебаний пьезокерамических тел. В сб.: Тепловые напряжения в элементах конструкций, 1975, вып. 15, с. 90-99.

53. Космодамианский A.C., Ложкин В.Н. Квазистатическая задача термоупругости для анизотропного слоя с учетом пьезо- и пироэффектов. Известия АН Арм.ССР, 1975, XXVIII, №3, с. 29-34.

54. Дунаевский В.П., Санин Е.И., Донсков В.И. Чувствительность пье-зоакселерометров к переменным температурам. — В кн.: Вибрационная техника.-М.: МДНТП, 1978, с. 151-159.

55. Янчич В.В., Санин Е.И. Инженерный расчет монолитных пьезоэлектрических преобразователей. — В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1985, с. 52-59.

56. Крамаров О.П., Горелов М.И. Роль пирроэффекта при термообработке пьезокерамики. — В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. -Ростов-на-Дону, 1971, с. 101-109.

57. А.с. № 570133 (СССР). Способ поляризации сегнетокерамики / О.П. Крамаров, С.О. Крамаров, Ю.А. Вусевкер, Опубл. В Б.И.,1976, № 14.60. .Zienkiewicz О.С. The finite element method: from intuition to generality, Appl. Mech. Rev., 23,1970, p.249-256

58. Allik H., Hughes T. J. R. Finite element method for piezoelectric vibration // Int. J. Numer. Meth. Eng. 1970. V.2, N 2, p. 151-157.

59. Kagawa Y., Yamabuchi T. A finete element approach to electromechanical problems with on application to energy tropped end.- Surface-wave divices. JEEE, SU-23, 1976, №4, p.263.

60. Г. Стренг, Дж. Фикс. Теория метода конечных элементов. М., Мир, 1977, с. 349.

61. ATILA. Finite-element code for piezoelectric and magnetostrictive transducer and actuator modeling. V.5.1.1. User's Manual./Lille Cedex (France): ISEN, 1997.

62. Сборники трудов 1-7 конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL, М. 2001-2007.

63. Программы. Решения, www.cadfem.ru, 2007

64. Белоконь A.B., Наседкин A.B. Расчет некоторых типов задач тер-моэлектроупругости с использованием пакетов ANSYS и ACELAN // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. 2004. Спецвыпуск. Математика и механика сплошной среды. С.52-55.

65. Наседкин A.B. К расчету эффективных модулей пористой пьезоке-рамики // Теоретич. и прикладная механика. 2003. Вып. 37. С.47-51.

66. Rybjanets A., Nasedkin A., Turik A. New micro structural design concept for polycrystalline composite materials // Integrated Ferroelectrics. V.63. 2004. P.179-182.

67. Даниленко A.C., Наседкин A.B. Разработка конечных элементов для стержневых и балочных пьезоэлектрических преобразователей // BicHHK Донецького ушверситету. Сер.А: Природнич1 науки. 2002. Вип.1. С. 127-130.

68. Наседкин A.B. К расчету по МКЭ пьезопреобразователей, нагруженных на акустическую среду // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естеств. науки. 1999. № 1. С.48-51.

69. Наседкин A.B. Конечно-элементный анализ спектральных задач для упругих и электроупругих волноводов с гармоническими подвижными источниками // Известия РАН. МТТ. 2000. № 3. С.40-46.

70. Iovane G., Nasedkin A.V., Passarella F. Moving oscillating loads in 2D anisotropic elastic medium: plane waves and fundamental solutions // Wave Motion. V. 43, No.l. 2005. P. 51-66.

71. Богач A.A. Расчет фильтра на поверхностных акустических волнах в ANSYS// Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL, М. 2004, с 316-322.

72. Еремеев В.А., Соловьев А.Н. Собственные колебания и поверхностные волны в некоторых микро- и наноструктурах// В кн. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Ростов-на-Дону. Изд-во ООО «ЦВВР». 2006. с. 194-200.

73. Ватульян А.О., Кирютенко А.Ю., Наседкин A.B. Плоские волны и фундаментальные решения в линейной термоэлектроупругости // Прикладная механика и техническая физика. 1996. Т.37, N5. С.135-142.

74. Белоконь A.B., Наседкин A.B. Колебания термоэлектроупругих тел ограниченных размеров // Современные проблемы механики сплошной среды. Сб. научн. статей. Ростов-на-Дону: МП "Книга". 1995. С.31-46.

75. Ватульян А.О., Кирютенко А.Ю., Наседкин A.B. О формулировке граничных интегральных уравнений связанной термоэлектроупругости // Интегродифференциальные операторы и их приложения. Межвуз. сб. науч. трудов / ДГТУ, Ростов-на-Дону. 1996. С. 19-25.

76. Наседкин.A.B. Моделирование некоторых типов задач термоэлектроупругости в ANSYS. Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL, М. 2004, с 311-315.

77. Ando Е., Kagawa Y. Finite element simulation of transient heat response in ultrasonic transducers.//IEEE Trans/ Ultrason.,Ferroelect. And Freq. Control.-1992.-V.3 9, N 3. P 432-440.

78. Kanayama K. Thermal analysis of piezoelectric transformer //IEEE Ultrasonics Symp. 1988.- P. 901-904.

79. Ерофеев A.A. Пьезоэлектрическое приборостроение: состояние и перспективы — В сб. фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения . Ростов-на-Дону, 1999, т.2, с.67-72.

80. Пьезоэлектрическое приборостроение / A.B. Гориш, В.П. Дудкевич, М.Ф. Куприянов, А.Е.Панич и др.: Под ред. A.B. Гориша, Т.1 Физика сегнето-электрической керамики -М.: ИПРЖР, 1999. -368 с.

81. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение./ Пер. с англ. С.Н.Жукова. Мн. ООО «ФУАинформ», 2003. - 112 с.

82. Пьезоэлектрические приборы для измерения давлений, усилий, ускорений. Проспект фирмы Kistler Insnrument AG (Швейцария), 1999. — 12 с.

83. Каталог фирмы "Endevko" (США) 1999.

84. A.c. 487267 (СССР) Пьезокерамический материал / Ю.А, Вусевкер, Л.Е. Епремян, О.П. Крамаров и др., Опубл. В БИ. 1975, №46.

85. A.c. 734116 (СССР) Пьезокерамический материал / Ю.А. Вусевкер, В.И. Ривкин, О.П. Крамаров. Опубл. В БИ, 1980, №18.

86. 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.

87. Чернышов 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, 1989, Вып.8, с.13-135.

88. Ikegami S., Ueda I. Piezoelectricity in Ceramics of Ferroelectric Bis-musth Compaund with Layer Structure. Japanese J. of Appl. Phys., 1974, v. 13, №10, p. 1572-1577.

89. Крамаров О.П., Богуш M.B. Мадорский B.B. Упругое взаимодействие пьезоэлемента с прокладками под действием одноосной квазистатической силы. — В сб.: Физические явления в поликристаллических сегнетоэлек-триках. Л.: Изд-во АН СССР, 1981, с 61-66.

90. Богуш М.В., Мадорский В.В., Гориш A.B. Влияние упругого взаимодействия пьезоэлемента с пуансонами на чувствительность преобразователя. — В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1985, с. 67-70.

91. Богуш М.В. О термоупругих напряжениях в пьезоэлементе в составе датчика. В сб.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Пенза, 1986, с.54-55.

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

93. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. - 448 с.

94. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. -М.: Наука, 1981. -688 с.

95. Писаренко Г.С. Сопротивление материалов. — Киев: Вища школа, 1979.-694 с.

96. Беляев И.М., Рядно A.A. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа, 1978. — 328 с.

97. A.c. 1120245 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь / М.В. Богуш, A.B. Гориш, О.П. Крамаров, В.В. Мадорский. Опубл. В Б.И., 1984, №39.

98. A.c. 947768 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь /его варианты / О.П. Корамаров, М.В. Богуш, С.О. Крамаров. Опубл. в Б.И., 1982, №28.

99. Зацаринный В.П. Прочность пьезокерамики. — Ростов-на-Дону: изд-во РГУ, 1978.-205 с.

100. Богуш M.B. Влияние упругих свойств силопередающих элементов на предельные уровни квазистатического давления на пьезопреобразователь.-В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Вып.6, Ростов-на-Дону, 1987, с. 73-77.

101. A.c. 1250904. Способ испытания на растяжение образцов керамических материалов / М.В. Богуш, С.О.Крамаров, В.В. Мадорский. Опубл. в Б.И., 1986, №30.

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

103. Субботин М.И., Дунаевский В.П., Вуколов А.Н. О работе пьезоэлектрических акселерометров при воздействии некоторых влияющих факторов. В сб.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. - Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1977, с. 94-100.

104. Kleinmichel G. Messurertverfalschungen durch ankoppel und umi-veltunfliisse an electromechanischen schwingungsaufnehmern/ - Measurement and Instrumentation, 1973, v.3, p.339.

105. Материалы в приборостроении и автоматике / под ред. Ю.М. Пятина. М.: Машиностроение, 1982. - 528 с.

106. A.c. 1353235 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь / М.В. Богуш, A.B. Гориш, О.П. Крамаров, В.В. Мадорский. Опубл. в Б.И., 1986.

107. A.c. 1187078 (СССР). Устройство для измерения величины пье-зомодуля керамических элементов/ О.П.Крамаров, М.В. Богуш, А.И. Сокалло, В.А. Хренкин, В.В Мадорский, B.JI. Шихман, -. Опубл. в Б.И., 1985, № 39.

108. ОСТ 11 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. 1987.-141 с.ч

109. IRE standards on piezoelectric crystals, measurements of piezoelectric ceramic. -Proc/ IRE, 1961, v.49, p.l 162.

110. Лазуткин В.Н., Сухова В.А. Система совместных измерений для определения констант пьезокерамических материалов. — В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. — Ростов-на-Дону, 1976, с. 13 6-140ч

111. Шарапов M.B., Мусиенко М.П., Шарапова E.B.Пьезоэлектрические датчики/ Под. Ред. В.М. Шарапова.- М: Техносфера, 2006.-632 с.

112. А.с. 1442867 (СССР). Способ измерения коэффициента Пуассона пьезокерамических материалов/ В.В. Мадорский, В.В.Мадорский, М.В. Богуш -опубл. 1988, БИ№ 45.

113. Крамаров О.П., Сокалло А.И., Шихман B.JL, Хренкин В.И. Влияние поверхностных эффектов на величину пьезомодуля, измеренного квазистатическим методом. В сб.: Прочность поликристаллических сегнетоэлек-триков. Л. 1981, с 68-74.

114. Instruction manual for model 50083 d33/capacitance tester. Revised 9/80. EndevcoC., 1984.

115. A. c. 1103161 (СССР)! Устройство для измерения'продольного пьезомодуля керамических элементов/ В.К. Доля, О.П. Крамаров, Ю.А. Крамаров. -Опубл. в БИ 1984, №26.

116. 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 БИ 1985, № 39.

117. Крамаров О.П., Богуш М.В., Сокалло А.И., Шихман B.JI. Исследование упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических модулей керамики на основе титаната висмута.- В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, 1985.С. 4-8.

118. Бородин В.З., Дорошенко В.А., Крамаров О.П., Мадорский В.В. Ориентационные эффекты в сегнетокерамике при действии одномерного сжатия параллельного оси поляризацию В сб.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, 197I.e. 49-58.

119. Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. -М.: «Советское радио» 1971, 199 с.

120. Барфут Дж, Тейлор Дж. Полярные диэлектрики и их применение. М.: Мир, 1981,250 с.

121. Гориш А.В., Горбунов С.М. Вусевкер Ю.А. и др. Исследование процесса старения пьезокерамики в условиях длительного хранения. М.: «Радиотехника», 1995, №10, с.55-56.

122. Cook W., Berlincourt D., Schulz F. Thermal expansion and piezoelectricity in lead titanate-zerconat and berium titanate. g. Appl. Phys, 1963, v.34, p.1392-1398.

123. Богуш М.В., Гориш А.В., Кривцова С.П. Тепловое расширение пье-зокерамических материалов ЦТС-83Г и ТВ-2. В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. - Ростов-на-Дону, 1985, с.24-29.

124. Метелкин И.И. Сварка керамики с металлами. М.: Машиностроение, 1977. 158 с.

125. 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.

126. A.c. 348917 (СССР). Устройство для нагружения давлением полых круговых цилиндров/ И.П. Пронченко, Ю.П. Степаненко опубл. в БИ, 1972. №25.

127. Зацаринный В.П., Пашков Д.П., Пронченко И.П. и др. О методике испытаний пьезокерамических материалов растяжением. В кн.: Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. - Ростов-на-Дону, 1976, с. 141-153.

128. Зацаринный В.П., Ибраимов Н.С., Пашков Д.П. и др. Разрушение пьезокерамических материалов при сжатии дисков по образующим плоскими соосными штампами. Известия СКНЦ ВШ, технические науки, 1976, № 1, с. 76 -79.

129. A.c. 1250904. Способ испытания на растяжение образцов керамических материалов / М.В. Богуш, С.О.Крамаров, В.В. Мадорский. Опубл. в Б.И., 1986, №30.

130. Осадчий Е.П. Проблемы разработки теории и инженерных методов проектирования датчиков// Приборы и системы управления, 1985, №1 — с.16-18.

131. Карпов В.И. Оценка механической надежности элементов конструкции датчика. Датчики систем измерения, контроля и управления.: Меж. вуз. сб. науч. тр. - Пенза: Пенз. политех, ин-т, 1981, вып.1, с. 139-143.

132. Александров В.К., Евдокимов В.Е., Смолко Э.М. Моделирование динамических характеристик пьезоэлектрических акселерометров. В кн.: Виброметрия. -М.: МДНТП, 1982, с.146-149.

133. Акимов А.Ю., Зегжда П.Е., Мокров А.Е., Шмаков Э.М. Проблемы автоматизации проектирования датчиков//Приборы и системы управления. 1990, №10.- с.38-40.

134. Богуш М.В. Оценка механической надежности чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков на основе пространственной модели напряженного состояния//Датчики и системы — 2008. № 3. - с. 6-8.

135. Зажигаев JI.C., Кишьян A.A. Романников Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента.- М.: Атомиздат, 1978. -291с.

136. Физические величины: Справочник/ А.П.Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. -1232 с.

137. Янчич В.В., Крамаров О.П., Кравцов В.А. Монолитные пьезокера-мические виброизмерительные преобразователи. В сб. Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Изд-во РГУ, Ростов-на-Дону» 1976, с 161-163.

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

139. Лопатин С. С., Богуш М. В., Расторопов С. Б, Крамаров О.П. //Тез. докл. III Всес. конф. по актуальным проблемам получения и- применения сегнето и пьезоматериалов. М., 1987. с. 151.

140. Богуш М.В. Мадорский В.В., Митько В.Н. Об аномалиях объемного пьезоэффекта в керамических пластинах — ФТТ, 1990, т.32, №8, с 2324 -2327.

141. Ландау Л.Д. Лившиц Е.М. Статистическая физика. М., 1976. 583 с.

142. КухлингХ. Справочник по физике. -М.: Наука, 1972,- 348 с.

143. Пульсатор ЛХ53П. Паспорт, Пенза. НИИФИ, 1985, 15 с.

144. Вусевкер Ю.А., Гориш A.B., Богуш М.В., Старостин В.Н. Виброзащита пьезопреобразователей датчиков акустических давлений. В сб. Экология, мониторинг и рациональное природопользование // Научн. тр. Вып. 288 (II). М.: МГУЛеса, 1997. с 96- 100.

145. A.c. 1262314 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь для измерения давления/ Богуш М.В., Гориш A.B., Забродина С.Д.,. Крамаров О.П.,Кудинов А.П. опубл. 1986, БИ № 37.

146. ANSYS. Theory Ref. Rel. 8.0. Ed. P. Kothnke/ANSYS, Inc. Houston,

147. Каплун А.Б., Морозов E.M., Олферьева M.A. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд.2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. -272 с.

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

149. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Анализ функции преобразования пьезоэлектрических датчиков давления методом конечных элементов // Известия ЮФУ. Технические науки .- 2008- №3. с. 74-84.

150. Средства измерения давления, уровня, расхода и температуры. Каталог продукции НКТБ «Пьезоприбор» РГУ и ООО «Пьезоэлектрик», г.Ростов-на-Дону, 2005 69 с.

151. Мокров Е.А. Метод построения датчиков акустического давления для ракетно-космической техники. В сб.: «Надежность и Качество 2001» Труды международного симпозиума. - Пенза, 2001, с. 152-157.

152. Король Е.И., Новицкий П.В., Шмаков Э.М. Оценка качества датчиков/ Труды ЛПИ. 1975. - №342. с. 17-19.

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

154. Пьезоэлектрический преобразователь. Патент РФ 289668/ М.В. Богуш, Ю.А. Вусевкер, А.П. Кудинов, А.Е. Панич. С.А. Чернявский. 2001.

155. Ультразвуковые расходомеры. Каталог фирмы "Panametrics" США. 1999 г. 40 с.

156. Теплосчетчики и расходомеры жидкости. Ч.З. Ультразвуковые. Каталог.» НПФ «Энтальпия». Екатеринбург. 2004. 92 с.

157. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Пьезоэлектрические преобразователи для ультразвуковых расходомеров газа// В кн. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Ростов-на-Дону. Изд-во ООО «ЦВВР». 2006. с. 124-129.

158. Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковых расходомеров газа//Датчики и системы 2007.- №8.-с 8-11

159. Счетчик газа ультразвуковой Dymetic-1222. Счетчик газа ультразвуковой Dvmetic- 1022. www.dvmet.ru. ЗАО «Даймет».- 2006.

160. Endress+Hauser. General Specifications Catalogue. 2007.

161. Getman I., Lopatin S. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Ueber-wachung der Viskositaet eines Mediums in einem Behaelter. Offenlegungsschrift DE 10050299A1, Veroffentlichungsdatum 11.04.2002.

162. Лопатин C.C., Пфайффер X. Датчики предельного уровня для жидкостей. Физические принципы работы и возможности вибрационных датчиков//Технические средства автоматизации. 2004, № 12.,с 24-29.

163. Номенклатурный каталог на 2001 год ОАО «Автоматика», г.Воронеж, 2000,447 с.

164. Устройства уравнеметрии и средства автоматизации. Каталог 2002, ЗАО «Альбатрос», М. 2002, 223 с.

165. Годнев А.Г., Свицин A.A. Средства измерения количества топлива в резервуарах. Зарубежная радиоэлектроника, 1996, № 8, с.118-120. .

166. Богуш М.В. Расчет частотных характеристик пьезорезонансных сигнализаторов уровня» методом конечных элементов. Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBL, М. 2004, сЗ 16-322.

167. Богуш М.В., Гарковец A.A., Панич А.Е., Шатуновский О.В. Пьезо-резонансные сигнализаторы уровня// В кн. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Ростов-на-Дону. Изд-во ООО «ЦВВР». 2006. с. 63-68.

168. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для вихревых расходомеров воды, газа и пара. В кн.: Коммерческий учет энергоносителей. - СПб.: Политехника, 2000, с 28-30.

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

170. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Проектирование пьезоэлектрических датчиков изгибающего момента для вихревых расходомеров газа и пара// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика — 2008. № 3.

171. Горбунов И.А., Хоружев Г.М. Опыт эксплуатации счетчиков газа и пара на базе вихревого расходомера-счетчика «Ирга-РВ». Сборник трудов VII Всероссийского совещания выставки по энергосбережению. Екатеринбург, 2006 г.

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

173. Богуш М.В. Успехи вихревой расходометрии/Шриборы 2007. -№8. - с. 32-39.

174. Расходомеры счетчики. Тематический каталог № 3 . Выпуск 1. ПГ Метран. Челябинск, изд-во «Книга». 2006. 187 с.

175. Планета СИБНА/ Князев С.Ю. Тюмень: ООО «РГ Проспект». 2006.-104 с.

176. Счетчик вихревой ультразвуковой, www.zelectr.ru. ОАО Опытный завод «Электрон».- 2006.

177. Теплосчетчики и расходомеры жидкости. Ч.З. Вихревые. Каталог.- НПФ «Энтальпия». Екатеринбург. 2004. 75 с.

178. Средства измерения расхода. НКТБ «Пьезоприбор», ООО «Пье-зоэлектрик». Энциклопедический справочник./ЯТриборостроение и Средства Автоматизации. 2003, №11, с.57 -64.

179. Пьезоэлектрические датчики для вихревых расходомеров. НКТБ «Пьезоприбор», ООО «Пьезоэлектрик»//Изобретения и рацпредложения в нефтегазовой промышленности.- 2002, № 2. с. 42, 43.

180. Абрамов Г.С., Зимин М.И. Вихревые счетчики газа промышленного назначения. Опыт разработки, производства и эксплуатации//АТиС в НП.-2001 -№1-2.- с. 14-16.

181. Абрамов Г.С., Барычев A.B., Баранов С.Л. К теории вихревых расходомеров //АТиС в НП.- 2003 № 6.- с. 11-16.

182. Счетчик газа вихревой Dymetic-9421. Счетчик пара вихревой Dy-metic-9431. www.dymet.ru. ЗАО «Даймет».- 2006.

183. Семенов» М.В., Киврин A.A. Вихревой расходомер-счетчик газа «Взлет ВРС»// ПРИБОРЫ. 2006. № 11 (77), - с 53-54.

184. Вихревой расходомер-счетчик газа Ирвис-РС4. www.gorgaz.ru. ЗАО НПП «Ирвис»,- 2007.

185. Горбунов И.А., Хоружев Г.М. Сравнение различных типов счетчиков газа (перспективы вихревой расходометрии) //Энергоанализ и энергоэффективность. 2006. №1(14), - С. 55-56.

186. Золотаревский С.А. О применимости вихревого метода измерения расхода для коммерческого учета газа.//Энергоанализ и энергоэффективность. -2006.- №1(14), -С. 57-59.

187. Зулькарнаев В.Р. Роль и место ОАО ИПФ «Сибнеавтоматика» на современном рынке промышленной расходометрии// Материалы 3-ей общероссийской научно-технической конференции по расходометрии. Тюмень.-2006.

188. Зимин М.И., Баранов С.Л., Вашурин В.П. Счетчик пара вихревой типа СВШАТиС в НП.- 1999 №7.- с.12-15.

189. Зимин М.И., Вашурин В.П. Методы и средства, применяемые для измерения расхода пара и переносимой им тепловой энергии."АТиС в НП", №6, 2003 с 17-18.

190. Бутузов В.А., Репин Л.А. Приборы учета тепловой энергии пара с вихревыми расходомерами//Новости теплоснабжения.- № 1(17)-2002,С.47— 50.

191. Абрамов Г.С.,.Зимин М.И, Баранов С.Л., Вашурин В.П. Вихревые зондовые расходомеры, опыт разработки и внедрения//АТиС в НП.- 2006 № 6.- с.4 -5.

192. Кратиров Д.В., Мекешкин В.М., Михеев Н.И., Молочников В.М.

193. Измерение расхода вихревым расходомером в условиях неравномерности по343токов// Материалы докладов национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ. Казань. -2006. с. 121-124.

194. Задорожный Ю.Г., Гирш В.И., Котельников Д.И. Проблемы соединения высокотемпературной пьезокерамики с металлами//Сб. докладов Всесоюзной конференции по сварке. Пермь, ППИ, 1988.С.155-157.

195. Т. G. Lupeiko and S. S. Lopatin .Old and New Problems in Piezoelectric Materials Research and Materials with High Hydrostatic Sensitivity// Inorganic Materials. 2004. №11. pi9-32.

196. Наседкин A.B., Шихман B.M , Захарова С.В, Иванилов И.В. Применение метода конечных элементов для расчета датчиков акустической эмиссии// Дефектоскопия, 2006, Т. 42, No. 2, стр. 16-27.

197. A.V. Nasedkin, V.M. Shikhman, S.V. Zakharova, I.V. Ivanilov, Application of finite-element methods for calculation of reception systems for acoustic-emission inspection// Russian Journal of Nondestructive Testing 2006, Volume 42, Number 2, pp. 16-27.