автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка пьезоэлектрических датчиков динамического давления с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенной областью применения

005006326

1а правах рукописи

Симчук Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И РАСШИРЕННОЙ ОБЛАСТЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДЕК 2011

Москва, 2011 г.

005006326

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном об разовательном учреждении высшего профессионального образования «Мое ковский государственный университет приборостроения и информатики»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шкатов П.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Покровский А.Д.

кандидат технических наук, доцент Дерябин A.A.

Ведущая организация: ЗАО "НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Защита состоится "28" декабря 2011 г. в 12ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "25" ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.В.Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность.

Для проектирования механизмов и при исследовании физико - химических процессов и явлений необходимо знать и контролировать физические параметры. Одним из основных параметров при описании поведения жидких и газообразных сред является давление.

Первичным звеном, регистрирующим и передающим информацию о давлении среды, является датчик, представляющий собой конструктивно завершенный прибор. Сфера применения датчиков давления очень широка. Это - энергетика, автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая техника, судостроение, двигателестроение, атомная техника, химическое и энергетическое машиностроение, взрывные технологии, физические эксперименты. Для каждого условия применения датчик должен обладать совокупностью специальных технических, эксплуатационных и метрологических характеристик

Особое место среди датчиков давления занимают датчики динамического давления. В промышленности применяются датчики динамического давления на различных физических принципах: пьезо- и тензорезистивные, емкостные, индуктивные. Перспективным и быстрорастущим является рынок МЭМС (микроэлектромеханические системы). Но данная технология для пьезорезистивных, емкостных датчиков в настоящий момент времени не обеспечивает всех потребностей промышленности вследствие ограничений по техническим возможностям и условиям эксплуатации.

Пьезоэлектрические датчики динамического давления (ПДДД), как правило, применяются при эксплуатации в жестких условиях, в частности в атомной энергетике. ПДДД имеют преимущества по совокупности характеристик: амплитудному, частотному диапазонам, температурному диапазону, ресурсу с сохранением метрологических характеристик. От качества измерительной информации, получаемой от вышеуказанных преобразователей, в значительной степени зависит эффективность решения важных диагностических задач. Это определяет актуальность диссертации, направленной на разработку конструкций и способов изготовления ПДДД с улучшенными метрологическими, эксплуатационными характеристиками и ресурсом.

1.2. Цель работы и задачи исследования.

Цель работы - улучшение основных метрологических и эксплуатационных характеристик пьезоэлектрических датчиков динамического давления на базе новых конструкций, технологий производства для удовлетворения современных требований по динамическому, частотному диапазонам, ресурсу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Анализ и обобщение совокупности требований к метрологическим характеристикам, эксплуатационным возможностям, ресурсу ПДДД

• Анализ конструктивных элементов ПДДД, выбор и исследование свойств материала мембраны ПДДД, как основного элемента, определяющего метрологические характеристики датчиков

• Разработка расчетно-теоретических моделей ПДДД с использованием вычислительной техники и современных программных продуктов.

• Экспериментальное подтверждение расчетного моделирования.

• Поиск технологий и технических решений для реализации необходн мых требований

1.3. Методы исследования:

Оптимизация проектирования ПДДД выполнялась с использованием мате матического моделирования на основе метода конечных элементов и эксперимен тальных исследований.

Исследование свойств материала мембраны проводилось с помощью мето дики построения истинных диаграмм , учитывающей неоднородное напряженно состояние в шейке образца после локализации деформации.

При экспериментальном определении метрологических характеристик ис пользовался метод квазистатической калибровки, метод возбуждения резонансны колебаний в газовой ударной трубе и с помощью локального удара малой длитель ности. Калибровку ПДДЦ в области сверхнизких переменных давлений порядка 3 Па принято целесообразным проводить с помощью пистонфонов — калибраторо для пьезоэлектрических микрофонов, а в области до 10 Па - в вибрационном режи ме путем пересчета через эквивалентное давление.

1.4. Научная новизна работы

• При проектировании ПДДД рекомендовано учитывать экспериментальн определенные прочностные, жесткостные, деформационные характеристики мате риала мембраны для различных условий эксплуатации. Показано, что применени мультилинейной изотропной модели, в частности, для материала мембраны (сплав. 36 НХТЮ) дает уточненные значения напряжений и деформаций в материале мем браны до 20% в сравнении с билинейной моделью

• Экспериментально определены в масштабной модели прочностные, жестко стные и деформационные характеристики сплава 36 НХТЮ в температурном диапа зоне от 20 С до 300 С. Показана слабая зависимость механических свойств от тем пературы. Уточнены справочные данные по этому материалу.

• Рекомендована номенклатура конструкционных материалов для разработк ПДДД с различным динамическим диапазоном в целях обеспечения требуемых мет рологических и эксплуатационных характеристик.

• Предложены конструкции и способ изготовления ПДДД с улучшенным метрологическими характеристиками, использующие работу материала мембраны в области пластической деформации и сварку мембраны с корпусом в зоне, удален ной от пьезоэлементов.

• Разработана методика расчетно-экспериментального выбора параметров мембраны (материала, геометрических размеров) ПДДД с использованием метод конечных элементов, позволяющая проектировать датчики с заданными метрологическими характеристиками.

1.5. Практическая ценность работы

1. Выполненные исследования позволили реализовать динамический диапазон ПДДЦ до 128 дБ, на 30 дБ превышающий динамический диапазон датчиков известных производителей. На базе полученных результатов разработаны датчики с диапазоном измерений от 0,0001 до 10000 бар с нелинейностью не более 2% от полной шкалы.

2. Разработаны и внедрены в производство технологии сборки и калибровки ПДДД, позволяющие обеспечить надежные характеристики с ресурсом работы до 100000 срабатываний в год

3. Предложенные схемно-конструктивное исполнение и способ изготовления позволяет проектировать номенклатурный ряд ПДДД с заданными метрологическими характеристиками

4. Сертификация вновь созданных ПДДД с совокупностью улучшенных свойств во ВНИИМ им.Д.И. Менделеева позволила определить перечень нормируемых метрологических характеристик для регламентирования номенклатурного диапазона проектируемых ПДДД.

5. Предложенные методики калибровки в области сверхнизких давлений позволили подтвердить нижнюю границу динамического диапазона вновь созданных ПДДД и рекомендованы для новых разработок.

1.6. Реализация и внедрение результатов работы:

На основе полученных в работе результатов разработаны и промышленно производятся предприятием ООО «ГлобалТест» (г.Саров) пьезоэлектрические датчики динамического давления. Датчики входят в состав измерительных и диагностических систем, выпускаемых предприятиями ЗАО «Локомотив» (г.Ярославль), ООО «Пульс» (г. Геленджик), НПП «Мера» (г.Королев), ЗАО «Электроагрегат», (г. Курск), используются в составе измерительных комплексов ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров) при регистрации высокоскоростных импульсных процессов детонационного типа, при исследовании кавитационных процессов Институтом проблем машиноведения РАН (г. С. Петербург), в учебных лабораториях Института водных коммуникаций (г. С. Петербург) и др.. Проведен первый этап проектирования ПДДД для системы контроля пульсаций давления в первом контуре охлаждения АЭС, на котором реализовано техническое решение с обеспечением двойного барьера герметизации во избежание утечек радиоактивной среды. Датчики применяются на предприятиях авиакосмической промышленности (НИЦ ЦИАМ им. Баранова, ЦНИИМАШ, СНТК им. Н.Д. Кузнецова) и в ряде других отраслей промышленности.

1.7. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно -технической конференции «Механометрика-2008» (Суздаль, 2008), 9-й международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика 2007», (г. Димитровград,2007), 19-й Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (СГАУ, г. Самара, 2011), 14-й Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права»(г. Сочи).

1.8. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 без соавторов, 3 в журналах, признанных ВАК научными изданиями, 1 патент на изобретение. Список работ приведен в автореферате.

1.9. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрируется 97 рисунками, 13 таблицами и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 108 наименований.

1.10. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

• Результаты определения действительных деформационных характеристик материала мембраны ПДДД на масштабной модели при различных температурах и скоростях деформации, рекомендации по выбору материала мембраны и ее соединения с чувствительным элементом и корпусом ПДДД

• Методика расчетно-экспериментальной оптимизации конструкции пьезоэлектрических датчиков динамического давления с обеспечением широкого динамического диапазона, высокого разрешения и линейной характеристики

• Результаты оптимизации конструкции ПДДД с динамическим диапазоном до 2500 бар

• Номенклатурный ряд ПДДД с динамическим диапазоном измерений до 128 дБ и разрешением не более 10 Па

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, описано состояние проблемы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты, практическая ценность, новизна работы и приведены основные положения, представляемые к защите. В первой главе рассмотрено современное состояние приборов для измерения переменного давления [1]. Сфера применения датчиков динамического давления чрезвычайно широка. Это энергетика, автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая техника, судостроение, двигателестроение, атомная техника, взрывные технологии, физические эксперименты и др.

Одно из ведущих мест занимают датчики давления при экспериментальной отработке и штатной эксплуатации летательных аппаратов и двигательных установок. По данным отечественных и зарубежных источников измерение давлений составляет примерно половину из всех наземных и около трети летных измерений в ракетно-космической технике.

Для измерения переменных давлений как правило используются пьезо- и тензо-резистивные, пьезоэлектрические и емкостные преобразователи.

Приведены типовые схемы пьезо- и тензорезистивных, пьезоэлектрических и емкостных преобразователей. Современные технологии микромеханики открывают большие возможности при построении информационно-измерительных систем. Но, несмотря на стремительное развитие MEMS - технологий для пьезорезистивных, емкостных датчиков их использование в настоящий момент времени не обеспечивает всех потребностей промышленности вследствие ограничений по условиям эксплуатации. Пьезоэлектрические датчики переменного давления остаются практически единственной альтернативой при эксплуатации в жестких условиях, в частности в атомной энергетике.

Перечислены основные производители датчиков: PCB (США), Kistler (Швейцария), Vibrometer (Швейцария) , AVL (Австрия), НИИФИ (г.Пенза), ООО «Глобал-Тест» (г. Саров), НТИИМ (г. Нижний Тагил).

Приведены сравнительные характеристики ряда пьезоэлектрических датчиков динамического давления для специальных применений.

Описана согласующая аппаратура для подключения ПДДЦ к измерительным системам, приведены эквивалентные схемы подключения датчиков как генераторов заряда и напряжения.

Вторая глава посвящена анализу требований и формулировке критериев выбора основных конструктивных элементов ПДДЦ.

Обращено внимание на необходимость анализа работы упругого элемента в локальных зонах, на его свойства - упругость, пластичность и прочность.

Из существующих материалов предпочтение было отдано дисперси-онно-твердеющим сплавам вследствие их высокой пластичности, прочности, повышенного сопротивления микропластическим деформациям, высокой релаксационной стойкости. Эти сплавы по сравнению с бериллиевой бронзой имеют более высокую коррозионную и термическую стойкость.

Достаточную пластичность в мягком состоянии и высокие механические свойства после термомеханической обработки (закалка + деформирование + старение) имеют дисперсионно-твердеющие сплавы на железоникельхромовой основе, типичным представителем которых является сплав 36НХТЮ.

Сплав 36НХТЮ имеет высокий предел упругости, из него изготовляют многие упругие элементы сложной формы, работающие при высоких напряжениях, в агрессивных средах и при повышенных температурах (до 250° С).

Молибден, добавленный к сплаву 36НХТЮ, повышает его термостойкость. Сплавы 36НХТЮ5М и 36НХТЮ8М могут быть использованы до температур 350 и 400°С соответственно. Хорошая коррозионная и термическая стойкость и высокие упругие свойства этих сплавов позволяют изготовлять из них упругие элементы точных приборов, предназначенных для работы в условиях повышенных температур и агрессивных сред.

В проектируемых конструкциях ПДДЦ мембрана используется, как разделитель двух сред: исследуемой и полости датчика, содержащей чувствительный элемент. Таким образом, критерием выбора материала мембраны является:

1)с одной стороны, минимизация вероятности разрушения мембраны, а следовательно, чувствительного элемента и датчика в целом в условиях эксплуатации, определенная в рамках пространственной модели напряженного состояния, соответствующей заданным требованиям;

2)с другой стороны, обеспечение материалом достаточной линейности характеристики в заданном динамическом диапазоне при минимальном разрешении в условиях эксплуатации.

Экспериментально и путем предварительных инженерных расчетов рекомендованы следующие конструкционные материалы для материала мембраны.

Для ПДДЦ с динамическим диапазоном до 250 бар в качестве материала мембраны был выбран сплав 12Х18Н10Т. Он обладает достаточной пластичностью (относительное удлинение при разрушении 20-25%) и обеспечивает необходимую прочность на верхней границе и достаточную линейность характеристики в области низких давлений. Для ПДДЦ с динамическим диапазоном до 2500 - 10000 бар был выбран сплав 36НХТЮ. Сплав 12Х18Н10Т обладает меньшей в 2 раза прочностью, и его применение для ПДЦД с динамическим диапазоном выше 500 бар приводит к неоправданному увеличению габаритов датчиков.

При математическом моделировании поведения конструкции ПДДД, например, методом конечных элементов, важно знать истинные пластические свойства материала мембраны, поскольку от нее в первую очередь зависит линейность характеристики. Справочных данных применительно к конкретному конструкционному исполнению явно недостаточно для корректного описания поведения сплава 36НХТЮ в области пластических деформаций. Поэтому были проведены измерения истинных диаграмм деформации образцов сплава 36 НХТЮ на масштабных образцах. Условная диаграмма не учитывает ни изменения площади поперечного сечения образца, ни неравномерности его деформации после образования шейки. Причем, чем больше величина деформации, тем в большей степени истинные напряжение и деформация отличаются от условных. Поэтому для проведения прочностных расчетов при решении технологических задач, характеризующихся большими деформациями, необходимо располагать истинными диаграммами деформирования материала. Поскольку рабочий температурных диапазон датчиков составляет 250 °С , исследования проведены при температурах от 20 до 300 °С. Для проведения измерений были изготовлены образцы из горячекатаного прутка диаметром 12 мм с деформируемой областью о 5 мм, что близко натурным размерам датчика. Эскиз образца в соответствии с ГОСТ 1497 приведен на рис. 1.

Рис.1 Эскиз образца для испытаний на растяжение (10= 30 мм, (1о= 5 мм, 0 = М9-8Ь, 1ц = 10 мм

При экспериментах использовалась методика построения истинных диаграмм, учитывающая неоднородное напряженное состояние в шейке образца после локализации деформации через поправочный коэффициент. Методика эксперимента на растяжение предполагает проведение испытания партии образцов не до разрушения (на ниспадающей части машинной диаграммы) и косвенным путем определяются конечные значения поправочного коэффициента и диаметра для конечной точки истинной диаграммы.

Для построения истинной диаграммы в координатах «интенсивность напряжения о; - интенсивность деформации е,» расчет значений с; и е, основывается на предположении постоянства объема при деформации и проводится по формулам:

<* = 0| = <т( 1+е0, (1),

где о - условное напряжение, С|-относительная деформация

е,= ег=1п(1+е0. (2)

Однако, выражения (1) и (2) справедливы лишь до момента локализации деформации.

При подсчете Oj после локализации деформации необходимо учитывать неоднородное напряженное состояние в шейке. Для этого использовалась экспериментальная поправка.

Определены следующие характеристики механических свойств сплава 36НХТЮ[2,3]:

а в - временное сопротивление разрыву (предел прочности), Н/мм о о,2" предел текучести условный, Н/мм2 5 5 - относительное удлинение после разрыва, %

- относительное сужение после разрыва, % Е - модуль упругости, Н/мм2.

Испытание образцов проводили на испытательной машине ¡ЫЗ'ПШЫ модели 1185 с записью машинной диаграммы Р- ЛЬ в масштабе 100:1 при скорости перемещения подвижного захвата 2,5 мм/мин, что соответствовало начальной скорости относительной деформации е = 1,4 • 10 3 с"1.

Измерение деформаций для определения модуля упругости проводили с помощью тензометрической скобы на базе 25 мм с записью диаграммы в масштабе 2500:1.

Температурные испытания проводились в трехзонной печи с точностью поддержания температуры ± ГС. Выдержка образцов при температуре составляла -30 мин.

Наряду с определением характеристик механических свойств материала получены истинные диаграммы деформирования а - е путем пересчета машинных диаграмм. Результаты испытаний по образцам представлены в таблице 1.

Таблица!

Температура № О И, а м 5 5, Г ЕЮ5,

испытания,°С обр. Н/мма Н/мм2 % % Н/мм2

20 I 1164 868 22,2 49,6 2,06

2 1164 885 19,9 49,3 2,02

Ср 1164 876,5 21,1 49,5 2,04

1 1129 853 22,7 46,3 2,05

100 2 1112 829 21,7 45,4 1,97

Ср 1121 841 22,2 45,9 2,01

1 1097 812 23,2 46,7 1,93

200 2 1144 796 21,9 47,5 1.92

Ср 1121 804 22,6 47,1 1,93

1 1073 726 25,3 47,3 1,86

300 2 1088 744 24,5 52,6 1,86

Ср 1081 735 24,9 50,0 1,86

Диаграммы деформирования при температурах 20°С и 300°С представлены на рис.2,3.

Рис.2 Диаграммы дефор-

мирования при Т= 20 °С

Рис.3 Диаграммы деформирования при Т= 300 С

Получены экспериментальные данные по зависимостям прочностных и деформационных характеристик сплава 36 НХТЮ от температуры. С возрастанием температуры от 20 сС до 300 °С (рис.4) предел прочности а в, предел текучести а 02, модуль упругости Е уменьшаются на 8-10%. Относительное удлинение увеличивается с температурой на 5%, зависимость относительного сужения от температуры носит нелинейный характер, снижаясь на 5% при температурах до 150 °С и возвращаясь к исходному значению при температуре 300 °С (рис.5).

ЕЮ"5. Н/мм2

Ч'.'Я

60

40 30 20 10 О

- V. .„

- -----

;

зоо

Температура,°С

300

Температура, °С

Рис.4 Зависимости прочностных характеристик сплава 36 НХТЮ от температуры

Рис.5 Зависимости деформационных характеристик сплава 36 НХТЮ от температуры

Исследования позволили уточнить справочные данные по механическим характеристикам сплава 36НХТЮ : предел текучести на 10%, относительного удлинения на 5%, относительного сужения на 25%.

Поскольку конструкция ПДДД испытывает динамическое воздействие, было целесообразно определить влияние скорости нагружения на механические свойства материала мембраны.

Эта работа была проведена в лаборатории разрушающих и других видов испытаний МГ'УПИ (НУЦ «Каскад») . На установке УТС 101 определялись зависимости прочностных свойств сплава 36 НХТЮ от скорости деформации в диапазоне 2-350 мм/мин, что соответствовало начальной скорости относительной деформации (1,1 -103 - 1,910"') с"'. Результаты испытаний представлены в таблице 2,

-1омер эбраз- Скорость деформации, мм/мин Скорость относительной деформации, с"1 Ртах, Н МПа МПа ^ тах % ^ разр %

ца

1 2 1,1-»03 22677 1155 776 15,4 17,4

2 10 1,1-1 о2 22475 1154 652 15,1 17,3

3 50 5,5-10'2 22453 1144 772 14,8 16,6

4 200 1,110-' 22676 1155 754 15,6 16,9

5 350 1,9-10'' 22666 1164 754 16,4 17,6

В исследованной области скоростей деформаций не наблюдается зависимости прочностных свойств от скорости нагружения (рис.6), пластические свойства также меняются незначительно (рис.7).

«висимосхи прочиосшыи характеристик сплин» звнхгю

от скорости деформации

. — . ... ..

| 800 1 800

* | —•— о 0.2 . «Па]

0,05 0., 0.15 О 2

Зависимости деформационных характеристик ог Зв НХТЮ от скорости деформации

"Ч.

........ ' I—

.......—^

0.05 0.1 0 1, 0.1

Рис.6 Зависимости предела прочности а в и предела текучести о 0,2 от скорости деформации

Рис.7 Зависимости максимальной относительной деформации б 11ВХ и относительной деформации разрушения 5 ра3р от скорости деформации

Результаты выполненных исследований были положены в основу математического моделирования конструкций ПДДД.

Третья глава посвящена математическому моделированию конструкций ПДДД. При проектировании ПДДД было признано целесообразным осуществить комплексный подход к выбору материалов конструкции.

В качестве чувствительного элемента в ПДДД для анализа был принят кварц, как материал, обладающий высокой прочностью на сжатие, стабильностью пьезоэлектрических свойств до температуры 400°С в отличие от кристаллов У№03, лангасита, лангатата с температурой Кюри до 1100°С, но имеющих более выраженную зависимость пьезоэлектрических свойств от температуры.

В диссертации основное внимание было обращено на выбор материала и конструктивное исполнение упругого элемента - мембраны, как основного элемента, определяющего линейность характеристики, динамический и частотный диапазоны ПДДД. В рассматриваемых конструкциях ПДДД мембрана используется не

как чувствительный элемент, а как разделитель двух сред при передаче усилия из области давления или вакуума на чувствительный элемент. В идеальном случае мембрана должна быть абсолютно «мягкой», не искажающей форму и амплитуду сигнала давления. Но мембрана должна обладать достаточной прочностью для обеспечения герметичности конструкции датчика во всем динамическом диапазоне. Обеспечение компромисса между двумя этими требованиями и является одной из задач диссертационной работы - обеспечение линейности характеристики датчика в максимально возможном динамическом диапазоне.

Для теоретического исследования напряженно - деформированного состояния конструкции ПДЦД при динамическом нагружении, выбора конструктивных параметров датчиков было признано целесообразным воспользоваться численными методами расчета. В качестве численного метода был выбран метод конечных элементов (МКЭ). Для практической реализации МКЭ использовался программный пакет АМЭУБ. Данный выбор связан с широким распространением данного пакета и подтверждением достоверности получаемых с его помощью результатов в различных областях и соответствующими сертификатами.

Моделирование проводилось для конструкции ПДДД (рис.8) с динамическим диапазоном до 2500 бар[2,3]. Конечно-элементная двумерная осесимметричная модель конструкции датчика с диаметром мембраны 5 мм и реализацией контактов на границе элементов и условия упругопластичного поведения мембраны для решения в программе АШУБ представлена на рис.9. Нагрузка в виде поля давления приложена к торцевой и боковой частям мембраны, что соответствует реальным условиям нагружения.

Рис.8 Устройство датчика Р502 1- разъем, 2- корпус датчика, 3 - мембрана, 4 -жесткий центр , 5 -токосъемник, 6 - центрирующая обойма, 7 - кварцевый пьезоэлемент, 8 - сигнальный провод, 9 - изоляция

Рис.9 Конечно-элементная модель датчика Р802

Конструкция датчика осесимметрична. Осесимметричность обеспечивается | тем, что 3- Б модель и принадлежащая ей нагрузка получается путем поворота 2-Т) элементов на 360 вокруг оси У. Нет необходимости в решении трехмерной задачи, поскольку двумерное приближение не ухудшает точность решения, но существенно упрощает моделирование и сокращает время счета. При описании двумерной модели использованы следующие конечные элементы. Нет необходимости описывать полную конструкцию датчика. Модель упрощена в соответствии со схемой крепления датчика на объекте (рис. 10) I

ГТ- /

р 1 Рис. 10 Закрепление датчика PS02 на

в : объекте

в ш

При описании модели использовались следующие конечные элементы.

| 1)PLANE 182 - двумерный четырехузловой элемент для моделирования объемных конструкций, обладающий свойствами гиперупругости и пластичности, изменения жесткости при приложении нагрузок.

2) CONTAI72 - трехузловой элемент для моделирования контактного взаимодействия и скольжения между двумерными ответными поверхностями и деформируемой поверхностью.

3) TARGE 169- трехузловой элемент моделирования двумерной ответной поверхно-! сти для связи с контактными элементами CONTA 171, CONTA 172

Целью моделирования являлась оптимизация методом конечных элементов ; конструкции ПДДЦ : материалов и конструктивных параметров мембраны. Анализ проводился в условиях ограничений геометрических размеров конструкции. Определялась толщина мембраны для обеспечения максимально возможного динамического диапазона измерений. Необходимым контролируемым условием было непревышение напряжений в материале мембраны предела прочности. Принималось допущение работы мембраны в зоне текучести при сборке датчика. ; При выборе материала мембраны были выбраны следующие предпосылки:

обеспечение максимального динамического диапазона ПДДД, температурный диапазон до 300 С, материал должен обладать определенными упругопластическими свойствами для обеспечения достаточной прочности и линейности характеристики. ; Для датчиков с динамическим диапазоном до 250 бар в конструкциях рекомендован сплав 12X18Н ЮТ, для датчиков с верхним пределом измерений 2500 бар и до 10000 бар указанный сплав не обеспечивает требований к конструкции по линейности характеристики и прочности. Для указанного диапазона давления были выбраны высокопрочные пластичные сплавы типа 36НХТЮ.

; В расчетную модель заложены механические свойства материалов, пред-

ставленные в табл.3. Для материала мембраны - сплава 36НХТЮ в модель закладывались экспериментально определенные механические свойства, а именно, реальные диаграммы деформирования при различных температурах, модули упругости, пре-: делы текучести и прочности для масштабного образца с размерами, сопоставимыми с размерами датчика. Учет экспериментально определенных пластических свойств сплава 36НХТЮ существенно изменяет картину напряжений в конструкции (рис.11,12).

Материал № поз (рис.8) Е, МПа ов, МПа Оо,2, МПа Коэффициент Пуассона Плотность, г/см3

14X17Н2 4,5 220000 835 635 0,3 7,8

Кварц 7 80000 2000 (сжатие) - 0,18 2,65

V, и ^ Л/1 |Д ||иЛ|//1'ПУ1111/1 *" ------- ----------------г- I

боковой поверхностью мембраны, а также в самой боковой поверхности мембраны отличаются на 20%, что критично для расчетного определения параметров мембраны. Расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при нагружении реальным давлением.

Рис. 11 НДС конструкции П ДДД Рис Л 2 НДС конструкции П ДДД

(справочные свойства сплава (экспериментально определенные

36НХТЮ) свойства сплава 36НХТЮ)

Толщина мембраны выбиралась на основе анализа полных напряжений по Мизесу (рис.13)и зависимости напряжений в кварцевых чувствительных элементах от измеряемого давления (рис. 14).

Р-2590 е*р

1," 8?

н „_________ I—— I

8 вь

0.1 02 0,3 Толм<иа м*м6р«ны ми 4

1503 2000 2500 3000 3500 Д»ял»ниа, бар

Рис. 13 Зависимость максимальных напряжений в мембране от толщины мембраны при давлении 2500 бар (радиус скругления жесткого центра 0,3 мм)

Рис.14 Напряжения в кварцевых чувствительных элементах вдоль оси чувствительности (толщина мембраны 0,2 мм, радиус скругления жесткого центра 0,3 мм)

Расчетно-экспериментальная методика выбора конструкции упругого элемента ПДДД состояла в следующем:

1) для заданного динамического диапазона измерений проектируемого датчика выбирается предварительное давление опрессовки мембраны ПДДЦ после операции окончательной сборки, превышающее верхнюю границу динамического диапазона на 20%. Для рассматриваемой конструкции с динамическим диапазоном 2500 бар давление опрессовки составляет 3000 бар;

2) последовательными итерационными расчетами методом конечных элементов с помощью пакета программ ANSYS выбирается такое значение толщины мембраны, при котором при давлении опрессовки обеспечивается пластическая деформации мембраны при напряжении, превышающем предел текучести материала мембраны на 10%, но меньшим предела прочности на 15-20%. Для рассматриваемой конструкции с мембраной из сплава 36НХТЮ при давлении в 3000 бар максимальные напряжения в материале мембраны достигают величины 98 кГ/мм* при толщине мембраны 0,2 мм , что превышает предел текучести (88 кГ/мм2), но менее предела прочности (116 кГ/мм ). В расчетном динамическом диапазоне до 2500 бар материал мембраны работает в упругой зоне;

3) при расчетах контролируется зависимость напряжения в кварцевых чувствительных элементах от давления, а именно линейность этой зависимости (рис.14). Поскольку для пьезоэлектрических датчиков генерируемый сигнал (заряд) прямо пропорционален напряжению (усилию) по оси чувствительности, то линейность зависимости напряжений в кварцевых чувствительных элементах от давления обеспечивает линейность характеристики датчика в расчетном динамическом диапазоне. в целях улучшения метрологических характеристик;

4) изготавливаются опытные образцы ПДДЦ с расчетной толщиной мембраны. Проводятся испытания с определением метрологических характеристик. В случае положительных результатов конструкторская документация утверждается и передается в производство. В иных случаях толщина мембраны корректируется и цикл испытаний повторяется.

С использованием предложенной методики спроектирован номенклатурный ряд ПДДЦ (глава 4). Предварительное пластическое деформирование мембраны улучшает метрологические характеристики: линейность амплитудной характеристики, разрешение до 10 Па, а также увеличивает динамический диапазон на 30 дБ по сравнению с известными аналогами до величины 128 дБ.

Результаты моделирования показывают, что интенсивность напряжений в мембране увеличивается при повышении температуры до 100...200 °С и затем снижается при повышении температуры до 300°С (рис.15). Несколько снижаются (около 8... 10%) напряжения в кварцевых чувствительных элементах (рис.16), что может привести к снижению чувствительности ПДДЦ при температурах выше 100 °С. Расчеты показывают, что конструкция датчика работоспособна при температурах до 300°С. С учетом конструкторского запаса температурный диапазон реализованной конструкции датчика выбран 250 °С.

Рис.15 Зависимость максимальных напряжений в мембране от температуры при давлении 2500 бар (толщина мембраны 0,2 мм)

Рис. 16 Зависимость напряжений в кварцевых чувствительных элементах вдоль оси чувствительности от температуры при давлении 2500 бар (толщина мембраны 0,2 мм) При моделировании процесса передани давления изменяемом сусды па кварцевые чувствительные элементы выяснилось, что картина распределения контактных давлений на границах кварцевых чувствительных элементов практически не зависит от толщины мембраны. В верхнем чувствительном элементе распределение давлений, а следовательно и внутренних напряжений неравномерно (рис.17). В нижнем кварцевом элементе поле напряжений выравнивается.

Рис. 17 Эпюры контактных давлений на границах элементов ПДДД при давлении 2500 бар (толщина мембраны 0,2 мм, радиус скругле-ния 0,3 мм)

г

С точки зрения равнопрочности конструкции желательно добиваться равномерного распределения напряжений в кварцевых чувствительных элементах. Для приведенной конструкции напряжения в кварце при давлении опрессовки 3000 бар достигают 80 кГ/мм 2 в зоне концентрации напряжений в верхнем кварцевом элементе, тогда как для нижнего кварцевого элемента они составляют только около 45 кГ/мм 2 .Т.е., максимальные напряжения в кварце превышают равномерно распределенные напряжения на 80 %., Прочность кварца на сжатие составляет 200 кГ/мм и обеспечивается для всех областей. Тем не менее, контактные давления необходимо контролировать во избежание работы элементов на пределе прочности. Концентра- -торы напряжения для данной конструкции обусловлены схемно-конструктивной ¡ особенностью ПДДД, состоящей в необходимости использования кольцевого пьезо-элемента.

Исследовано влияние радиуса скругления жесткого центра на напряжения в ' мембране и кварцевых чувствительных элементах. Этот элемент позволяет избежать концентрации напряжений в зоне контакта жесткого центра и мембраны, тем самым повышая ресурс ПДДД и надежность конструкции Показано, что уменьшение ра-

диуса округленна до 0,1 мм несколько уменьшает напряжения на нижней поверхности мембраны. Но эта величина трудно реализуема технологически с точки зрения контроля стабильности изготовления. Рекомендованным значением является величина 0,3 мм.

Определение собственных частот конструкции - необходимый этап при проектировании ПДДД, который позволяет подтвердить частотный диапазон датчика в соответствии с требованиями технического задания. Рассчитаны первые шесть мод колебаний. Определена зависимость низшей собственной частоты датчика от толщины мембраны. Низшая мода (рис.18) представляет собой колебания мембраны при неподвижных остальных элементах конструкции. Наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных. Расчетная величина первой моды составляет 65,1 кГц, второй моды 133 кГц и третьей моды 197,9 кГц, а экспериментально определенные значения составляют величины 67,9 кГц, 138 кГц и 197 кГц соответственно (рис.19). Наблюдается хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, что свидетельствует о корректности принятой расчетной модели.

Рис.18 Форма низшей моды Рис.19 Спектр вынужденных колебаний для

колебаний датчика ПДДД с толщиной мембраны 0,2.

Спектр собственных частот конструкции ПДДД получен путем возбуждения колебаний импульсом длительностью ~ 5 мкс при ударе шарика малой массы.

В четвертой главе описаны разработанные конструкции ПДДД (табл.4,5) и их промышленное применение., Ключевым этапом технология сборки ПДДД является пластическое деформирование мембраны с параметрами нагружения, описанными в главе 3. Технические характеристики ПДДД без встроенных усилителей заряда приведены в табл.4 . Технические характеристики ПДДД со встроенными усилителями заряда приведены в табл.5

В конструкции датчиков типа Р52001 используется встроенный усилитель с техническими решениями, описанными в [4].

Параметр Р501 (Р$01-01) Р501-02 №01-03) Рй02 №02-01) Р503 РЯ04 Р$05

Чувствительность (±20%), пКл/бар 20 400 7 3 20 150

Измеряемый диапазон, бар 0,0001-250 0,0001-250 0,001-2500 0,01 -10000 0,0001-250 0,0005-1

Резонансна« частота, кГц >30 >30 >80 >200 >30 > 10

Нелинейность, % от полной шкалы <2

Чувствительность к ускорению, бар^ <0,0015 <0,0015 <0,001 <0,001 <0,0015 < 0,002

Рабочий диапазон температур, 'С -50.. .200 20...330

Сопротивление изоляции, Ом в нормальных условиях >10"

Чувствительный элемент кварц Ниобат летня кварц кварц кварц кварц

Материал корпуса и мембраны 12Х18Н10Т 36НХТЮ 36НХТЮ 36НХТЮ 12Х18Н10Т 12Х18НЮТ

Масса(без кабеля и соединителя), г 35 35 12 20 180 150

Таблица 5.

Параметр Р82001-2 РЯ2001-50 ЛШО/-250

Чувствительность(± 20%), мВ/бар 2500 100 20

Измеряемый диапазон, бар 0,0001-2 0,0001 - 50 0,0001-250

Резонансная частота, кГц >30

Нелинейность, % от полной шкалы <2

Чувствительность к ускорению, бар/% <0,0015

Рабочий диапазон температур, "С -40...125

Выходное сопротивление, Ом <500

Питание: • напряжение, В • ток, мА + (15-30) 2-20

Уровень постоянного напряжения на выходе, В 8-11

Материал корпуса и мембраны 12Х18Н10Т

Тип соединителя ВМС

Масса (без кабеля и соединителя), г 40

На рис. 20 приведено устройство ПДДД РБОЗ с динамическим диапазоном до 10000 бар.

Рис. 20 Устройство датчика РБОЗ 1- разъем, 2- корпус датчика, 3 - мембрана, 4 - центрирующая обойма, 5 -жесткий центр, б -кварцевый пьезоэлемент, 7 -токосъемник, 8 - сигнальный провод ПНЭТ - ИМИД, 9 - изоляция

Разработанные конструкции ПДДД производятся серийно и применяются в различных отраслях промышленности в составе диагностических систем, систем мониторинга, для измерений параметров давления во взрывных нагружениях, а также применяются в исследовательских лабораториях для научных исследований (ка-витационные процессы газов при вибрации, процессы в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах), для отработки современных технологий (магнитно-импульсной штамповки, и др.) [5,6,7,8,9,10].

Выбранная конструктивная схема построения ПДДД с упругим элементом в виде мембранной обоймы, закрепленной на корпусе с помощью лазерной сварки на расстоянии 1,5...2 диаметра от мембраны, обеспечила высокий ресурс разработанных конструкций с количество срабатываний более 100000 в год без изменения метрологических характеристик.

Рассмотрены существующие метрологические проблемы при калибровке и сертификации ПДДД [11,12,13]. При экспериментальном определении метрологических характеристик использовался метод квазистатической калибровки, метод возбуждения резонансных колебаний в газовой ударной трубе и с помощью падающего шарика. Калибровку ПДДД в области сверхнизких переменных давлений порядка 30 Па предложено проводить с помощью пистонфонов - калибраторов для пьезоэлектрических микрофонов, а также методом вибрационной калибровки с определением эквивалентного давления через инерционное воздействие элементов конструкции. Сертификация четырех модификаций ПДДД во ВНИИМ им.Д.И. Менделеева позволила рекомендовать перечень нормируемых метрологических характеристик для ПДДД, применяемых в сфере Государственного надзора и контроля.

Основные результаты работы

1. Выполнен расчетно - экспериментальный анализ для проектирования ПДДД с оптимизацией конструктивных элементов, материалов и их свойств для реализации улучшенных эксплуатационных и метрологических характеристик в широком амплитудном диапазоне от 10 Па до 1000 МПа с динамическим диапазоном 128 дБ и разрешением не более 10 Па, обеспечением ресурса работы до 100000 срабатываний в год.

2. Разработаны основные технологические операции и освоен в производстве номенклатурный ряд ПДДД без встроенных усилителей с чувствительностью от 3 пКл/ бар до 400 пКл/ бар и со встроенными усилителями с чувствительностью от 20 мВ/ бар до 2,5В/ бар, резонансной частотой от 10 до 200 кГц, температурным диапазоном до 330°С, линейностью характеристики 2%.

3. Предложен способ расширения динамического диапазона ПДДД. Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности изготавливаемых датчиков давления, линейности их амплитудной характеристики характеристики, увеличение динамического диапазона и разрешения за счет уменьшения паразитной жесткости упругого элемента.

4. При проектировании ПДДД предложено оптимизировать совокупность свойств упругого элемента - материала мембраны, ее размеров и способа ее соединения с корпусом.

5. Измерены истинные диаграммы деформирования сплава 36НХТЮ при температурах от 20 °С до 300 °С.Определены зависимости предела прочности о в, предела текучести о 0,2, модуля упругости Е от температуры. С возрастанием температуры от от от 20 °С до 300 °С эти параметры уменьшаются на 8-10%. Представлены зависимости относительного удлинения б 5, относительного сужения у после разрыва от температуры. Относительное удлинение увеличивается с температурой на 5%, зависимость относительного сужения от температуры носит нелинейный характер, снижаясь на 5% при температурах до 150 °С и возвращаясь к исходному значению при температуре 300 С. Применена методика построения истинных диаграмм деформирования путем пересчета машинных диаграмм, суть которого состоит в выделении из общей деформации системы «образец - машина» непосредственно деформации образца. Исследования проведены на испытательной машине INSTRON модели 1185 в температурном диапазоне от 20 до 300 °С.

6. Поскольку конструкция ПДДД испытывает динамическое воздействие, исследовано влияние скорости нагружения на прочностные свойства материала мембраны. На установке УТС 101 МГУПИ (НУЦ «Каскад») определялись зависимости прочностных свойств сплава 36 НХТЮ от скорости деформации в диапазоне 2-350 мм/мин, что соответствовало начальной скорости относительной деформации (1,М0'3 - 1,9-10"') с"1. Определены зависимости предела прочности а в .предела текучести о 0,2, максимальной относительной деформации 5 шх и относительной деформации разрушения 5 разр от скорости деформации. В исследованной области прочностные и пластические свойства меняются незначительно в зависимости от скорости нагружения.

7. Для ПДДД с динамическим диапазоном до 250 бар в качестве материала мембраны рекомендован сплав 12Х18Н10Т, обеспечивающий необходимую прочность на верхней границе динамического диапазона и линейность характеристики в области низких давлений. Для ПДДД с динамическим диапазоном до 2500- 10000 бар \ рекомендован сплав 36НХТЮ.

8. Проведено моделирование конструкции ПДДД с диапазоном измеряемого давления до 2500 бар. В модель заложены экспериментально определенные механические характеристики материала мембраны (сплава 36НХТЮ), что

позволило оптимизировать параметры мембраны с реализацией заложенной методики сборки датчика с улучшенными метрологическими характеристиками, а именно линейности амплитудной характеристики, разрешения 10 Па и увеличенного динамического диапазона до 128 дБ. Показано, что учет экспериментально определенных механических характеристик материала мембраны существенно уточняет расчет.

9. Представлены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния мембраны (полные напряжения по Мизесу в наиболее нагруженных частях мембраны) при вариации толщины мембраны, а также распределение напряжений в кварцевых чувствительных элементах. Расчеты проведены в температурном диапазоне от 20 до 300°С.

10. Исследовано влияние радиуса скругления жесткого центра в диапазоне 0,10,3 мм на напряжения в мембране и кварцевых чувствительных элементах. Показано, что уменьшение радиуса скругления до 0,1 мм несколько уменьшает напряжения на нижней поверхности мембраны. Рекомендованным значением является величина 0,3 мм.

11. Для рассматриваемой конструкции с мембраной из сплава 36НХТЮ рекомендована толщина мембраны 0,2 мм. При давлении опрессовки в 3000 бар максимальные напряжения в материале мембраны достигают величины 98 кГ/мм , что превышает предел текучести (88 кГ/мм2), но менее предела прочности (116 кГ/мм2). В расчетном динамическом диапазоне до 2500 бар материал мембраны работает в упругой зоне.

12. Показана необходимость контроля зависимости напряжения в кварцевых чувствительных элементах от давления в целях обеспечения линейности амплитудной характеристики датчика в расчетном динамическом диапазоне.

13. Показано, что конструкция датчика работоспособна при температурах до 300°С, температурный диапазон реализованной конструкции датчика составляет 250 °С и ограничивается другими материалами конструкции, в частности, фторопластом.

14. Исследовано распределение контактных давлений на границах кварцевых чувствительных элементов, которое практически не зависит от толщины мембраны. Показано, что распределение давлений в верхнем и нижнем чувствительных элементах, а следовательно и внутренние напряжения существенно отличаются. С точки зрения равнопрочности конструкции желательно добиваться равномерного распределения напряжений в кварцевых чувствительных элементах схемно- конструктивными решениями.

15. Методом конечных элементов проведен модальный анализ конструкции ПДДЦ для различных толщин мембран. Рассчитаны первые шесть мод колебаний. Определена зависимость низшей собственной частоты датчика от толщины мембраны. Полученные результаты подтверждены экспериментально.

16. При исследовании метрологических характеристик в области низких и сверхнизких давлений до 10 Па предложены методика калибровки с помощью калибратора звуковых давлений, а также методика вибрационной калибровки с применением пересчета инерционного воздействия элементов конструкции на чувствительных элемент в эквивалентную нагрузку давле-

нием. Применение этих методов позволяет подтвердить нижнюю границу динамического диапазона разработанных ПДДД.

17. Ряд разработанных конструкций ПДДД прошли государственные сертификационные испытания и внесены в Государственный реестр средств измерений. Все разработанные ПДДД производятся серийно и применяются в различных отраслях промышленности в составе диагностических систем, систем мониторинга, для измерений параметров давления во взрывных на-гружениях, а также применяются в исследовательских лабораториях для научных исследований (кавитационные процессы газов при вибрации, процессы в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах), для отработки современных технологий (магнитно-импульсной штамповки, и др.). Датчики используются для отработки конструкций ракетно-космической техники.

18. По результатам государственных сертификационных испытаний рекомендовано при выпуске из производства ПДДД при первичной поверке определять следующие метрологические характеристики: коэффициент преобразования, нелинейность амплитудной характеристики, неравномерность АЧХ и основную погрешность ПДДД в рабочих диапазонах измерений динамических давлений и частот.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. A.A. Симчук .Датчики переменного давления// Мир измерений, № 5, 2011. -С. 36-41.

2. A.A. Симчук. Расчетное моделирование конструкции пьезоэлектрических датчиков динамического давления// Тезисы докладов 19-й всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 6-8 сентября 2011, С.410-412.

3. A.A. Симчук. Оптимизация конструкции пьезоэлектрических датчиков динамического давления. T-Comm Телекоммуникации и транспорт. Спецвыпуск «Метрология», 2011, №4.

4. Пат. 2400867 Российская Федерация, мпк7 G01 Р15/09. Пьезоэлектрический измерительный преобразователь./ Архипкин Н.Ф., Кирпичев A.A., Редюшев A.A., Симчук A.A., Цыпленков А.Н.; заявл. 04.03.2009; опубл. 27.09.2010, Бюл.№27.

5. Кирпичев A.A., Симчук A.A., Тищенко Ю.В. Датчики динамического давления разработки ООО «ГлобалТест»//Всероссийская научно - техническая конференции «Механометрика-2008», Тезисы докладов 2008 г., г Суздаль, 2008 г., с.92-96.

6. Кирпичев A.A., Симчук A.A. Применение датчиков динамического давления// Приборы, 2010, №8, с.30-34

7. Кирпичев A.A., Симчук A.A., Ю.В. Тищенко. Датчики динамического давления: продукция компании ООО «ГлобалТест», М, Электроника, №1, 2008 г, с.88-91.

8. Кирпичев A.A., Симчук A.A., Ю.В. Тищенко. Датчики динамического давления типа PS и особенности их применения//Материалы 9-й международной научно- практической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика 2007», г. Димитровград, 2007 г., С. 246-253.

9. Кирпичев A.A., Симчук A.A., Ю.В. Тищенко. Кварцевые датчики дииамического давления для диагностики двигателей внутреннего сгорания и экспериментальных исследований//Приборы, 2008, Х°8, с. 13-17.

10. Симчук A.A. Разработка пьезоэлектрических датчиков давления// Научные труды 14-й Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн. «Приборостроение». М.-2011- С. 192-197.

11. Кирпичев A.A., Симчук A.A., Верозубов С.Е., Смирнов В.Я.. Проблемы разработки и испытаний датчиков динамического давления//Приборы, 2010, №8, с.34-36.

12. Кирпичев A.A., Смирнов В.В., Симчук A.A. Совершенствование метрологического обеспечения проектирования и производства виброизмерительной аппаратуры//Мир неразрушающего контроля. № 2 (24) 2004 -С.20 - 23

13. Кирпичев A.A., Симчук A.A., Ю.В. Тищенко. Методы калибровки и особенности применения датчиков динамического давления//Нефть Газ, экспозиция 2009, №1, с.10-12.

Работы [3,6 и 9] опубликованы в журналах, признанных ВАК научными

изданиями.

Подписано к печати 23.11.2011 г. Формат 60x84. 1/16. Объем 1,5 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 206. Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

61 12-5/689

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

^ На правах рукописи

Симчук Александр

РАЗРАБОТКА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И РАСШИРЕННОЙ ОБЛАСТЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Шкатов П.Н.

Москва, 2011 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................3

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ И

ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ 10

1.1 Современное состояние приборов для измерения переменного ............10

давления

1.2 Пьезоэлектрические датчики давления................................................................................17

1.3 Выводы...........................................................................................................25

2. ВЫБОР И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА,

ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАНЫ ПДДД...26

2.1 Выбор материала для изготовления мембраны ПДДД.............................26

2.2 Методика построения истинных диаграмм деформирования.................29

2.3 Результаты определения истинных диаграмм деформирования сплава Збнхтю............................................................................................................32

2.4 Результаты определения зависимостей прочностных свойств сплава 36НХТЮ от скорости деформации.............................................................35

2.5 Выводы...........................................................................................................37

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПДДД ..39

3.1 Конечно- элементная модель конструкции ПДДД для расчета напряженно- деформированного состояния. Результаты расчетов.........39

3.2 Конечно - элементная модель конструкции ПДДД для модального анализа. Результаты расчетов собственных частот конструкции...........65

3.3 Выводы...........................................................................................................69

4. РАЗРАБОТАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПДДД С УЛУЧШЕННЫМИ

МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ................................................................................................72

4.1 Способ изготовления ПДДД и разработанные конструкции...........72

4.2 Применение разработанных ПДДД в промышленности..........................90

4.3 Выводы...........................................................................................................96

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................97

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................101

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Для проектирования механизмов и при исследовании физико - химических процессов и явлений необходимо знать и контролировать физические параметры. Одним из основных параметров при описании поведения жидких и газообразных сред является давление.

Первичным звеном, регистрирующим и передающим информацию о давлении среды, является датчик, представляющий собой конструктивно завершенный прибор. Сфера применения датчиков давления очень широка. Это -энергетика, автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая техника, судостроение, двигателестроение, атомная техника, химическое и энергетическое машиностроение, взрывные технологии, физические эксперименты. И для каждого условия применения датчик должен обладать совокупностью специальных технических, эксплуатационных и метрологических характеристик.

От качества измерительной информации, получаемой от вышеуказанных преобразователей, в значительной степени зависит эффективность решения важных диагностических задач. Это определяет актуальность исследований, направленных на совершенствование и создание новых пьезоэлектрических датчиков динамического давления с улучшенными характеристиками и более широкими эксплуатационными возможностями.

Сейчас наблюдается повышение спроса на датчики давления общепромышленного, а также специального применения. В ряде случаев разработанные датчики удовлетворяют требования потребителя по метрологическим характеристикам и надежности. Но зачастую новая, быстро развивающаяся техника предъявляет специфические требования к датчиковой аппаратуре, не обеспеченные существующими разработками.

Можно обозначить следующие особенности проектирования на современном этапе:

• Необходимость реализации требований к широкому динамическому диапазону от 100 Па до 1500 МПа, температурному диапазону до плюс 700°С, частотному диапазону от 5 до 150 000 Гц, ресурсу. Измерения в широком динамическом диапазоне можно перекрыть применением номенклатурного ряда датчиков, но следует принимать во внимание одновременность проведения измерений в одной зоне, ограничения по размещению датчиков. Поэтому актуально такие измерения проводить одним датчиком с широким динамическим диапазоном и высоким разрешением. Совокупность требований потребителя вызывает необходимость поиска и исследования нетрадиционных материалов: пьезоматериалов с высокой точкой Кюри с линейной зависимостью электрофизических параметров в

широком амплитудном диапазоне, конструкционных материалов с согласованными механическими и акустическими свойствами.

• Для обеспечения необходимой линейности характеристики датчика в широком динамическом диапазоне весьма существенным является особенность поведения мембранной части, принимающей давление. Проектирование этого элемента датчика требует помимо новых конструктивно - технологических решений использование новых расчетно - моделирующих подходов.

• Для удовлетворения совокупности требований заказчика по метрологическим, эксплуатационным характеристикам, ресурсу приходится принимать компромиссные решения и корректировать техническое задание, что приводит к проведению нескольких итераций, прежде чем организовать серийное производство.

• Отдельная задача - сертификация датчиков переменного давления, что вызывает необходимость проведения испытаний с целью утверждения типа средств измерений в аккредитованных центрах испытаний Ростехрегулирования. Такими центрами являются ВНИ-ИМ им. Д.И. Менделеева (г. Санкт-Петербург), УНИИМ (г. Екатеринбург), обладающие Государственными эталонами переменного давления. Однако существующие эталоны имеют верхний диапазон давления только до 20 МПа. Т.е. проектирование датчиков на высокие импульсные давления сопряжено с решением вопроса их калибровки.

В промышленности применяются датчики динамического давления на различных физических принципах: пьезо- и тензорезистивные, емкостные, индуктивные.

Тема диссертации связана с исследованием пьезоэлектрических датчиков динамического давления (ПДДД), которые незаменимы при эксплуатации в жестких условиях, в частности в атомной энергетике, взрывных, баллистических применениях.

Актуальность диссертации представляется в исследованиях, направленных на разработку конструкций и способов изготовления ПДДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Состояние проблемы

Как показывает мировой опыт, несмотря на значительный в последние десятилетия научно-технический и технологический прогресс, создание многофункциональных, широкодиапазонных унифицированных моделей ПДДД для различных условий их применения - дело не ближайшего будущего. Мировая тенденция в данной области техники - создание измерительных преобразователей для специальных условий их применения. В настоящее время ведущие фирмы производят измерительные преобразователи номенклатурой в десятки наименований, т.к. требования к характеристикам средств измерения, определяемые условиями использования последних, весьма противоречивы.

Наиболее известны такие зарубежные производители ПДДД, как PCB (США), Endevco(CHIA), Kistler (Швейцария), АУЬ(Австрия). Среди российских разработчиков и производителей можно выделить НИИФИ (г. Пенза).

Конкуренцию ПДДД составляют датчики давления на других физических принципах: пьезо- и тензорезистивные, емкостные, индуктивные. Наиболее перспективным и быстрорастущим является рынок МЭМС (микроэлектромеханические системы). Но данная технология для пьезорезистивных, емкостных датчиков в настоящий момент времени не обеспечивает всех потребностей промышленности вследствие ограничений по техническим возможностям и условиям эксплуатации.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является совершенствование и оптимизация основных метрологических и эксплуатационных характеристик пьезоэлектрических датчиков динамического давления, а также разработка и внедрение новых конструкций, их производство для выполнения современных требований рынка.

Целью работы является совершенствование и оптимизация основных метрологических и эксплуатационных характеристик пьезоэлектрических датчиков динамического давления на базе новых конструкций, технологий производства для удовлетворения современных требований по динамическому, частотному диапазонам, разрешению, ресурсу.

В связи с этим в задачи диссертационной работы входит:

• Анализ и обобщение совокупности требований к метрологическим характеристикам, эксплуатационным возможностям, ресурсу

ПДДД

• Поиск технологий и технических решений для реализации необходимых требований

• Анализ конструктивных элементов ПДДД, выбор и исследование свойств материала мембраны ПДДД, как основного элемента, определяющего метрологические характеристики датчиков

• Разработка расчетно-теоретических моделей ПДДД с использованием вычислительной техники и современных программных продуктов.

• Экспериментальное подтверждение расчетного моделирования.

• Разработка ПДДД с улучшенными метрологическими характери-стиками(динамическим диапазоном, разрешением, линейностью характеристики), ресурсом.

Методы исследования

Оптимизация проектирования ПДДД выполнялась с использованием математического моделирования на основе метода конечных элементов и экспериментальных исследований.

Исследование свойств материала мембраны проводилось с помощью методики построения истинных диаграмм , учитывающей неоднородное напряженное состояние в шейке образца после локализации деформации.

При экспериментальном определении метрологических характеристик использовался метод квазистатической калибровки, метод возбуждения резонансных колебаний в газовой ударной трубе и с помощью локального удара малой длительности. Калибровка ПДДД в области сверхнизких переменных давлений порядка 30 Па было проводилась с помощью пистонфонов - калибраторов для пьезоэлектрических микрофонов.

Научная новизна работы

• При проектировании ПДДД рекомендовано учитывать экспериментально определенные прочностные, жесткостные, деформационные характеристики материала мембраны для различных условий эксплуатации. Показано, что применение мультилинейной изотропной модели, в частости, для материала мембраны (сплава 36 НХТЮ) дает уточненные значения напряжений и деформаций в материале мембраны до 20% в сравнении с билинейной моделью

• Экспериментально определены в масштабной модели прочностные, жесткостные и деформационные характеристики сплава 36 НХТЮ в температурном диапазоне от 20°С до 300°С

• Рекомендована номенклатура конструкционных материалов для разработки ПДДД с различным динамическим диапазоном

• Предложены конструкции и способ изготовления ПДДД с улучшенными метрологическими характеристиками, использующие работу материала мембраны в области пластической деформации и сварку мембраны с корпусом в зоне, удаленной от пьезоэлементов

• Разработана методика расчетно-экспериментального выбора параметров мембраны (материала, геометрических размеров) ПДДД с использованием метода конечных элементов

Практическая ценность работы

1. Выполненные исследования позволили реализовать динамический диапазон ПДДД до 108 дБ, на 30 дБ превышающий динамический диапазон датчи-коа известных производителей. На базе полученных результатов разработаны датчики с диапазоном измерений от 0,001 до 250 бар, от 0,01 до 2500 бар, от 0,04 до 10000 бар с нелинейностью не более 2% от полной шкалы

2. Разработаны и внедрены в производство технологии сборки и калибровки ПДДД, позволяющие обеспечить надежные характеристики с ресурсом работы более 100000 срабатываний в год.

3. Предложенные схемно-конструктивное исполнение и способ изготовления позволяет проектировать ПДДД с заданными метрологическими характеристиками

4. Сертификация вновь созданных ПДДД с совокупностью улучшенных свойств во ВНИИМ им.Д.И. Менделеева позволила определить перечень нормируемых метрологических характеристик для регламентирования номенклатурного диапазона проектируемых ПДДД.

Реализация и внедрение результатов работы

На основе полученных в работе результатов разработаны и промыш-ленно производятся предприятием ООО «ГлобалТест» (г.Саров) пьезоэлектрические датчики динамического давления. Преобразователи входят в состав измерительных и диагностических систем, выпускаемых предприятиями ЗАО «Локомотив» (г.Ярославль), ООО «Пульс» (г. Геленджик), НПП «Мера» (г.Королев), ЗАО «Электроагрегат», (г. Курск), используются в составе измерительных комплексов ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров) при регистрации высокоскоростных импульсных процессов детонационного типа, при исследовании кавитационных процессов институтом проблем машиноведения РАН, в учебных лабораториях Института водных коммуникаций (г. С. Петербург) и др.. Три модификации разработанных ПДДД используются в ЦНИИМАШ (г. Королев) для исследований в интересах Международной Космической станции. Проведен первый этап проектирования ПДДД для системы контроля пульсаций давления в первом контуре охлаждения АЭС, на котором реализовано техническое решение с обеспечением двойного барьера герметизации во избежание утечек радиоактивной среды.

На основе полученных в работе результатов разработаны и промышленно производятся предприятием ООО «ГлобалТест» (г.Саров) пьезоэлектрические датчики динамического давления. Датчики входят в состав измерительных и диагностических систем, выпускаемых предприятиями ЗАО «Локомотив» (г.Ярославль), ООО «Пульс» (г. Геленджик), НПП «Мера» (г.Королев), ЗАО «Электроагрегат», (г. Курск), используются в составе измерительных комплексов ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров) при регистрации высокоскоростных импульсных процессов детонационного типа, при исследовании кавитационных процессов Институтом проблем машиноведения РАН (г. С. Петербург) , в учебных лабораториях Института водных коммуникаций (г. С. Петербург) и др.. Проведен первый этап проектирования ПДДД для системы контроля пульсаций давления в первом контуре охлаждения АЭС, на котором реализовано техническое решение с обеспечением двойного барьера герметизации во избежание утечек радиоактивной среды. Датчики применяются на предприятиях авиакосмической промышленности : в НИЦ ЦИАМ им. Баранова, СНТК им. Н.Д. Кузнецова для отработки новых двигателей, в ЦНИИМАШ (г. Королев) для исследований в интересах Международной Космической станции и др.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на на Всероссийской научно - технической конференции «Механометрика-2008» (Суздаль, 2008), 9-й международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика 2007», (г. Димитровград,2007), 19-й Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (СГАУ, г. Самара), 14-й Международной

научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 без соавторов, 3 в журналах, признанных ВАК научными изданиями, 1 патент на изобретение.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрируется 97 рисунками, содержит 13 таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 108 наименований и приложения.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Результаты определения действительных деформационных характеристик материала мембраны ПДДД на масштабной модели при различных температурах и скоростях деформации, рекомендации по выбору материала мембраны и ее соединения с чувствительным элементом и корпусом ПДДД

2. Методика расчетно-экспериментальной оптимизации конструкции пьезоэлектрических датчиков динамического давления с обеспечением широкого динамического диапазона, высокого разрешения и линейной характеристики

3. Результаты оптимизации конструкции ПДДД с динамическим диапазоном до 2500 бар

4. Номенклатурный ряд ПДДД с динамическим диапазоном измерений до 128 дБ и разрешением не более 10 Па

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ И ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО

ДАВЛ�