Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде
На основании проведенного анализа рынка приборов, измеряющих импульсное давление, выбрана конструкция и схемное решение помехоустойчивого волноводного датчика давления, обеспечивающего стабильность и достоверность показаний на близком расстоянии от канала высоковольтного электрического разряда в за...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147595 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде / В.Г. Жекул, А.П. Смирнов, Э.И. Тафтай, О.В. Хвощан, И.С. Швец // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 5. — С. 55-59. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147595 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Жекул, В.Г. Смирнов, А.П. Тафтай, Э.И Хвощан, О.В. Швец, И.С. 2019-02-15T10:32:01Z 2019-02-15T10:32:01Z 2017 Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде / В.Г. Жекул, А.П. Смирнов, Э.И. Тафтай, О.В. Хвощан, И.С. Швец // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 5. — С. 55-59. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.5.09 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147595 53.082.73 На основании проведенного анализа рынка приборов, измеряющих импульсное давление, выбрана конструкция и схемное решение помехоустойчивого волноводного датчика давления, обеспечивающего стабильность и достоверность показаний на близком расстоянии от канала высоковольтного электрического разряда в замкнутом объеме жидкости. Разработан волноводный датчик импульсного давления ДТХ-1 с измерительным шлейфом, позволяющий исследовать спектральные характеристики волн давления в закрытых объемах жидкости при гидростатическом давлении до 20 МПа и температуре до 80 °С. Датчик может быть применен для изучения волн давления с максимальным амплитудным значением до 150 МПа и длительностью до 80 мкс. Согласно результатам тарировки с использованием вторичного эталона, чувствительность датчика ДТХ-1 с измерительным трактом – 0,0346 В/МПа. На підставі проведеного аналізу ринку приладів, що вимірюють імпульсний тиск, обрана конструкція і схемне рішення стійкого до електричних перешкод хвилевідного датчика тиску, який забезпечує стабільність і достовірність показань на близькій відстані від каналу високовольтного електричного розряду в замкненому об'ємі рідини. Розроблено хвилевідний датчик імпульсного тиску ДТХ-1 з вимірювальним шлейфом, який дозволяє досліджувати спектральні характеристики хвиль тиску в замкнених об'ємах рідини при гідростатичному тиску до 20 МПа і температурі до 80 °С. Датчик може бути застосований для дослідження хвиль тиску з максимальним амплітудним значенням до 150 МПа і довжиною до 80 мкс. Згідно результатів тарировки з використанням вторинного еталону, чутливість датчика ДТХ-1 з вимірювальним трактом – 0,0346 В/МПа. Purpose. Investigations of the characteristics of pressure waves presuppose the registration of the total profile of the pressure wave at a given point in space. For these purposes, various types of «pressure to the electrical signal» transmitters (sensors) are used. Most of the common sensors are unsuitable for measuring the pulse pressure in a closed water volume at high hydrostatic pressures, in particular to study the effect of a powerful high-voltage pulse discharge on increasing the inflow of minerals and drinking water in wells. The purpose of the work was to develop antijamming piezoelectric waveguide sensor for measuring pulse pressure at a close distance from a highvoltage discharge channel in a closed volume of a liquid. Methodology. We have applied the calibration method as used as a secondary standard, the theory of electrical circuits. Results. We have selected the design and the circuit solution of the waveguide pressure sensor. We have developed a waveguide pulsepressure sensor DTX-1 with a measuring loop. This sensor makes it possible to study the spectral characteristics of pressure waves of high-voltage pulse discharge in closed volumes of liquid at a hydrostatic pressure of up to 20 MPa and a temperature of up to 80 °C. The sensor can be used to study pressure waves with a maximum amplitude value of up to 150 MPa and duration of up to 80 µs. According to the results of the calibration, the sensitivity of the developed sensor DTX-1 with a measuring loop is 0.0346 V/MPa. Originality. We have further developed the theory of designing the waveguide piezoelectric pulse pressure sensors for measuring the pulse pressure at a close distance from a high-voltage discharge channel in a closed fluid volume by controlling the attenuation of the amplitude of the pressure signal. Practical value. We have developed, created, calibrated, used in scientific research waveguide pressure pulse sensors DTX-1. We propose sensors DTX-1 for sale in Ukraine and abroad. Sensors DTX-1 can be used to study pressure waves with a maximum amplitude value of up to 150 MPa in closed fluid volumes at a hydrostatic pressure of up to 20 MPa and a temperature of up to 80 °C. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде Piezoelectric waveguide sensor for measuring pulse pressure in closed liquid volumes at high voltage electric discharge Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде |
| spellingShingle |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде Жекул, В.Г. Смирнов, А.П. Тафтай, Э.И Хвощан, О.В. Швец, И.С. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| title_short |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде |
| title_full |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде |
| title_fullStr |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде |
| title_full_unstemmed |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде |
| title_sort |
пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде |
| author |
Жекул, В.Г. Смирнов, А.П. Тафтай, Э.И Хвощан, О.В. Швец, И.С. |
| author_facet |
Жекул, В.Г. Смирнов, А.П. Тафтай, Э.И Хвощан, О.В. Швец, И.С. |
| topic |
Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| topic_facet |
Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Piezoelectric waveguide sensor for measuring pulse pressure in closed liquid volumes at high voltage electric discharge |
| description |
На основании проведенного анализа рынка приборов, измеряющих импульсное давление, выбрана конструкция и схемное решение помехоустойчивого волноводного датчика давления, обеспечивающего стабильность и достоверность
показаний на близком расстоянии от канала высоковольтного электрического разряда в замкнутом объеме жидкости. Разработан волноводный датчик импульсного давления ДТХ-1 с измерительным шлейфом, позволяющий исследовать спектральные характеристики волн давления в закрытых объемах жидкости при гидростатическом давлении до 20 МПа и температуре до 80 °С. Датчик может быть применен для изучения волн давления с максимальным
амплитудным значением до 150 МПа и длительностью до 80 мкс. Согласно результатам тарировки с использованием
вторичного эталона, чувствительность датчика ДТХ-1 с измерительным трактом – 0,0346 В/МПа.
На підставі проведеного аналізу ринку приладів, що вимірюють імпульсний тиск, обрана конструкція і схемне рішення
стійкого до електричних перешкод хвилевідного датчика тиску, який забезпечує стабільність і достовірність показань на близькій відстані від каналу високовольтного електричного розряду в замкненому об'ємі рідини. Розроблено
хвилевідний датчик імпульсного тиску ДТХ-1 з вимірювальним шлейфом, який дозволяє досліджувати спектральні
характеристики хвиль тиску в замкнених об'ємах рідини при гідростатичному тиску до 20 МПа і температурі до
80 °С. Датчик може бути застосований для дослідження хвиль тиску з максимальним амплітудним значенням до
150 МПа і довжиною до 80 мкс. Згідно результатів тарировки з використанням вторинного еталону, чутливість
датчика ДТХ-1 з вимірювальним трактом – 0,0346 В/МПа.
Purpose. Investigations of the characteristics of pressure waves
presuppose the registration of the total profile of the pressure
wave at a given point in space. For these purposes, various
types of «pressure to the electrical signal» transmitters (sensors) are used. Most of the common sensors are unsuitable for
measuring the pulse pressure in a closed water volume at high
hydrostatic pressures, in particular to study the effect of a powerful high-voltage pulse discharge on increasing the inflow of
minerals and drinking water in wells. The purpose of the work
was to develop antijamming piezoelectric waveguide sensor for
measuring pulse pressure at a close distance from a highvoltage discharge channel in a closed volume of a liquid. Methodology. We have applied the calibration method as used as a
secondary standard, the theory of electrical circuits. Results.
We have selected the design and the circuit solution of the waveguide pressure sensor. We have developed a waveguide pulsepressure sensor DTX-1 with a measuring loop. This sensor
makes it possible to study the spectral characteristics of pressure waves of high-voltage pulse discharge in closed volumes of
liquid at a hydrostatic pressure of up to 20 MPa and a temperature of up to 80 °C. The sensor can be used to study pressure
waves with a maximum amplitude value of up to 150 MPa and
duration of up to 80 µs. According to the results of the calibration, the sensitivity of the developed sensor DTX-1 with a measuring loop is 0.0346 V/MPa. Originality. We have further developed the theory of designing the waveguide piezoelectric
pulse pressure sensors for measuring the pulse pressure at a
close distance from a high-voltage discharge channel in a
closed fluid volume by controlling the attenuation of the amplitude of the pressure signal. Practical value. We have developed,
created, calibrated, used in scientific research waveguide pressure pulse sensors DTX-1. We propose sensors DTX-1 for sale
in Ukraine and abroad. Sensors DTX-1 can be used to study
pressure waves with a maximum amplitude value of up to 150
MPa in closed fluid volumes at a hydrostatic pressure of up to
20 MPa and a temperature of up to 80 °C.
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147595 |
| citation_txt |
Пьезоэлектрический волноводный датчик для измерения импульсного давления в замкнутых объемах жидкости при высоковольтном электрическом разряде / В.Г. Жекул, А.П. Смирнов, Э.И. Тафтай, О.В. Хвощан, И.С. Швец // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 5. — С. 55-59. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT žekulvg pʹezoélektričeskiivolnovodnyidatčikdlâizmereniâimpulʹsnogodavleniâvzamknutyhobʺemahžidkostiprivysokovolʹtnomélektričeskomrazrâde AT smirnovap pʹezoélektričeskiivolnovodnyidatčikdlâizmereniâimpulʹsnogodavleniâvzamknutyhobʺemahžidkostiprivysokovolʹtnomélektričeskomrazrâde AT taftaiéi pʹezoélektričeskiivolnovodnyidatčikdlâizmereniâimpulʹsnogodavleniâvzamknutyhobʺemahžidkostiprivysokovolʹtnomélektričeskomrazrâde AT hvoŝanov pʹezoélektričeskiivolnovodnyidatčikdlâizmereniâimpulʹsnogodavleniâvzamknutyhobʺemahžidkostiprivysokovolʹtnomélektričeskomrazrâde AT švecis pʹezoélektričeskiivolnovodnyidatčikdlâizmereniâimpulʹsnogodavleniâvzamknutyhobʺemahžidkostiprivysokovolʹtnomélektričeskomrazrâde AT žekulvg piezoelectricwaveguidesensorformeasuringpulsepressureinclosedliquidvolumesathighvoltageelectricdischarge AT smirnovap piezoelectricwaveguidesensorformeasuringpulsepressureinclosedliquidvolumesathighvoltageelectricdischarge AT taftaiéi piezoelectricwaveguidesensorformeasuringpulsepressureinclosedliquidvolumesathighvoltageelectricdischarge AT hvoŝanov piezoelectricwaveguidesensorformeasuringpulsepressureinclosedliquidvolumesathighvoltageelectricdischarge AT švecis piezoelectricwaveguidesensorformeasuringpulsepressureinclosedliquidvolumesathighvoltageelectricdischarge |
| first_indexed |
2025-11-25T20:44:30Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:44:30Z |
| _version_ |
1850531075138256896 |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 55
© В.Г. Жекул, А.П. Смирнов, Э.И. Тафтай, О.В. Хвощан, И.С. Швец
УДК 53.082.73 doi: 10.20998/2074-272X.2017.5.09
В.Г. Жекул, А.П. Смирнов, Э.И. Тафтай, О.В. Хвощан, И.С. Швец
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ ЖИДКОСТИ ПРИ
ВЫСОКОВОЛЬТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ
На підставі проведеного аналізу ринку приладів, що вимірюють імпульсний тиск, обрана конструкція і схемне рішення
стійкого до електричних перешкод хвилевідного датчика тиску, який забезпечує стабільність і достовірність пока-
зань на близькій відстані від каналу високовольтного електричного розряду в замкненому об'ємі рідини. Розроблено
хвилевідний датчик імпульсного тиску ДТХ-1 з вимірювальним шлейфом, який дозволяє досліджувати спектральні
характеристики хвиль тиску в замкнених об'ємах рідини при гідростатичному тиску до 20 МПа і температурі до
80 °С. Датчик може бути застосований для дослідження хвиль тиску з максимальним амплітудним значенням до
150 МПа і довжиною до 80 мкс. Згідно результатів тарировки з використанням вторинного еталону, чутливість
датчика ДТХ-1 з вимірювальним трактом – 0,0346 В/МПа. Бібл. 10, рис. 7.
Ключові слова: п'єзоелектричний датчик, імпульсний тиск, електричні характеристики, високовольтний розряд,
замкнений об'єм рідини.
На основании проведенного анализа рынка приборов, измеряющих импульсное давление, выбрана конструкция и схем-
ное решение помехоустойчивого волноводного датчика давления, обеспечивающего стабильность и достоверность
показаний на близком расстоянии от канала высоковольтного электрического разряда в замкнутом объеме жидко-
сти. Разработан волноводный датчик импульсного давления ДТХ-1 с измерительным шлейфом, позволяющий иссле-
довать спектральные характеристики волн давления в закрытых объемах жидкости при гидростатическом давле-
нии до 20 МПа и температуре до 80 °С. Датчик может быть применен для изучения волн давления с максимальным
амплитудным значением до 150 МПа и длительностью до 80 мкс. Согласно результатам тарировки с использованием
вторичного эталона, чувствительность датчика ДТХ-1 с измерительным трактом – 0,0346 В/МПа. Библ. 10, рис. 7.
Ключевые слова: пьезоэлектрический датчик, импульсное давление, электрические характеристики, высоковольт-
ный разряд, замкнутый объем жидкости.
Введение. Множество современных технологий
(в частности, электроразрядная) использует волну
давления в качестве определяющего фактора воздей-
ствия на обрабатываемый объект. Исследование спек-
тральных характеристик таких волн представляет ог-
ромный интерес и является актуальной задачей для
любой промышленно развитой страны с развитым
научным потенциалом.
Исследования характеристик волн давления, ко-
торые генерируются, например, электрическим разря-
дом в жидкости, предусматривают регистрацию пол-
ного профиля волны давления в заданной точке объе-
ма жидкости. Для этих целей уже давно используются
различного рода преобразователи давления в электри-
ческий сигнал [1-6]. Наибольшее распространение в
технике измерения импульсных давлений получили
преобразователи на основе природных (кварц, турма-
лин, ниобат лития и др.), искусственно создаваемых и
специально поляризуемых в электрическом поле пье-
зоматериалов (пьезокерамика типа титаната бария,
титаната свинца, цирконата свинца и др.).
В Институте импульсных процессов и техноло-
гий (ИИПТ) НАН Украины, который занимается раз-
работкой и внедрением различных электроразрядных
технологий, при выполнении исследований уже много
лет используются различные средства регистрации
импульсных давлений. Среди них – пьезоэлектриче-
ские датчики давления известной в области создания
измерительной акустической аппаратуры датской
фирмы «Брюль и Кьер» [7]. Помимо этого, в ИИПТ
разрабатывались и изготавливались собственные дат-
чики давления на основе различных типов пьезокера-
мики [5, 8]. Большинство проводимых раннее иссле-
дований были связаны с измерением давлений
в открытых объемах жидкости на значительных рас-
стояниях от канала разряда. Это обстоятельство су-
щественно снижало требования к конструкции датчи-
ка и некоторым его параметрам (амплитуде измеряе-
мого импульсного давления, уровню допускаемого
статического давления жидкости и др.).
В рамках данной работы следовало разработать
датчик давления для измерения импульсного давле-
ния в закрытом объеме воды при повышенных гидро-
статических давлениях. Одним из применений такого
датчика является исследование влияния высоковольт-
ного импульсного разряда на повышение притока по-
лезных ископаемых и питьевой воды в скважинах [9].
Для тарировки и испытаний разрабатываемого датчи-
ка использовалась разрядная камера высокого давле-
ния (рис. 1), позволяющая поддерживать высокое
гидростатическое давление и близость приемной час-
ти датчика к каналу разряда (источнику гидродина-
мического возмущения – волны давления). Внутрен-
ний диаметр разрядной камеры составляет 120 мм.
Близость к источнику импульсного давления, не-
обходимость гальванической развязки пьезоэлемента
датчика и контура электрической цепи, по которому
протекает импульсный ток, достигающий десятков
килоампер, наличие жесткой отражающей стенки ка-
меры, на которой следует крепить датчик, повышает
уровень требований к нему, что делает невозможным
применение большинства доступных датчиков давле-
ния, в том числе, гидрофонов фирмы «Брюль и Кьер».
Выполненные маркетинговые исследования позво-
лили сделать вывод о принципиальной возможности
использования в таких условиях двух датчиков им-
пульсного давления: DPX 101-5К фирмы «OMEGA»
56 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5
(США) с чувствительностью 0,1552 В/МПа, допусти-
мой амплитудой импульсного давления до 100 МПа и
PS-02 фирмы ООО «ГлобалТест» (Россия) с чувстви-
тельностью 0,0735 В/МПа, допустимой амплитудой
импульсного давления до 250 МПа.
Рис. 1. Разрядная камера высокого давления
В процессе тестовых испытаний приобретенных
датчиков, осуществляемых электрическими разряда-
ми малой мощности в разрядной камере высокого
давления, обнаружилась их существенная чувстви-
тельность к «токовой помехе», возникающей из-за
электромагнитных наводок от высоковольтного кон-
тура. Такой термин для данной помехи введен вслед-
ствие ее корреляции по времени и фазе с осцилло-
граммой тока, протекающего в разрядном контуре.
Все попытки снизить уровень помехи за счет до-
полнительных мер (приведения в одну точку заземле-
ния разрядных и измерительных цепей, использова-
ние двойных экранов в измерительных трассах, высо-
кочастотной фильтрацией на ферритовых кольцах) не
принесли положительного эффекта.
Осциллограммы с «токовой наводкой» представ-
лены на рис. 2. В связи с низкой чувствительностью
кварцевых преобразовательных элементов этих дат-
чиков амплитуда полезного сигнала измерялась еди-
ницами вольт. Фактически считываемая по осцилло-
граммам амплитуда «токовой наводки» находилась в
диапазоне единиц вольт, и была соизмерима или даже
превышала полезный сигнал с датчика импульсного
давления. Это позволило сделать вывод, что данные
датчики стандартной конструкции не могут использо-
ваться в условиях сильных электромагнитных полей,
которые сопровождают разряд.
Рис. 2. Осциллограмма импульса давления и электрических
характеристик при электрическом разряде, инициированном
тонким проводником:
1 – напряжение на разрядном промежутке; 2 – ток в канале
разряда; 3 – волна давления, генерируемая электрическим
разрядом в жидкости, измеренная с помощью датчика
давления DPX 101-5k; 4 – волна давления, генерируемая
электрическим разрядом в жидкости, измеренная
с помощью датчика давления PS-02
Исходя из вышеизложенного, существует необ-
ходимость в разработке датчика давления, обеспечи-
вающего достоверность полученных результатов из-
мерений и надежность функционирования в условиях
сильных электромагнитных полей.
Целью работы являлась разработка помехо-
устойчивого пьезоэлектрического волноводного дат-
чика для измерения импульсного давления на близ-
ком расстоянии от канала высоковольтного разряда в
замкнутом объеме жидкости.
Результаты проектирования датчика. При
разработке датчика давления, отвечающего вышеиз-
ложенным требованиям, в качестве прототипа был
использован волноводный датчик давления ВДД [5],
разработанный ранее в ИИПТ.
Отличительной особенностью разрабатываемого
датчика давления должна быть высокая чувствитель-
ность, благодаря которой датчиком генерируется по-
лезный сигнал амплитудой от десятков до сотен
вольт. Однако сигнал такой амплитуды представляет
опасность как для регистрирующего осциллографа,
так и для преобразовательного элемента датчика.
Для снижения уровня измерительного сигнала
был разработан измерительный тракт, электрическая
схема которого представлена на рис. 3.
При попадании на датчик волны давления Р на
его пьезокерамическом элементе электрической емко-
стью С1 наводится электрический заряд Q1, при этом
разность потенциалов U1 на его обкладках определя-
ется соотношением
U1= Q1/С1. (1)
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 57
Рис. 3. Электрическая схема измерительного тракта:
С1 – электрическая емкость измерительного элемента (пье-
зокерамики) датчика давления; С2 – электрическая емкость
измерительного коаксиального кабеля; С3 – электрическая
емкость дополнительного конденсатора; Р – волна
давления, генерируемая электрическим разрядом
в жидкости; to osc – к осциллографу
В случае подключения к обкладкам датчика ко-
аксиального кабеля емкостью С2 и дополнительного
конденсатора емкостью С3 тот же электрический за-
ряд Q1 обеспечит разность потенциалов на выходе
схемы Uosc, определяемую по соотношению
Uosc = Q1/(С1+С2+С3). (2)
Коэффициент k, выражающий степень ослабле-
ния полезного сигнала и наводок с датчика, определя-
ется как отношение
k = U1/Uosc = (С1+С2+С3)/С1. (3)
Анализ показал, что использование в качестве
преобразовательного элемента датчика пьезокерами-
ки ЦТС-19 позволяет обеспечить допустимые значе-
ния Uosc в диапазоне измерений импульсного давле-
ния до 150 МПа при величине k = 450.
Проведенный комплекс исследований позволил
предложить конструкцию волноводного датчика дав-
ления ДТХ-1 [10], приведенную на рис. 4.
Рис. 4. Конструкция волноводного датчика давления ДТХ-1
Пьезоэлектрический волноводный датчик им-
пульсного давления ДТХ-1 состоит из металлическо-
го корпуса 1, на котором есть канавка 2 под уплот-
нительное кольцо, упорной поверхности 3, приемно-
го донышка-мембраны 4, прокладки из вибродемп-
фирующего материала 5, прокладки из диэлектриче-
ского материала с высокой электрической прочно-
стью 6, токосъемника 7, пьезоэлемента 8, медного
волновода 9, проводников 10, 16, резиновых аморти-
заторов 11, шайбы 12, пружины 13, изоляционной
шайбы 14, гайки 15.
Датчик импульсного давления работает следую-
щим образом.
С помощью дополнительных элементов крепле-
ния датчик размещают в специальном отверстии тех-
нологической камеры соосно с направлением про-
хождения исследуемой волны давления. Металличе-
ский корпус 1 датчика образует контакт с камерой
при механическом воздействии элементов крепления
на упорную поверхность 3, а уплотнительное рези-
новое кольцо в канавке 2 дает возможность измере-
ния в камере, заполненной жидкостью как при атмо-
сферном, так и при повышенном гидростатическом
давлении.
Выделение энергии в жидкости при проведении
определенных технологических операций (например,
в разрядно-импульсных технологиях) ведет к возник-
новению гидродинамического возмущения и распро-
странению волн давления. Волна давления поочеред-
но проходит через слой жидкости в технологической
камере, приемное донышко-мембрану 4 датчика, про-
кладку из вибродемпфирующего материала 5, про-
кладку из диэлектрического материала с высокой
электрической прочностью 6, токосъемник 7, пьезо-
элемент 8, медный волновод 9.
Выбор толщины и типа материала прокладки из
вибродемпфирующего материала 5 позволяет осла-
бить амплитуду волны давления и увеличить верхний
предел измерения датчика давления. Наличие про-
кладки из диэлектрического материала с высокой
электрической прочностью 6 позволяет избежать
электрического контакта между корпусом 1 с прием-
ным донышком-мембраной 4 и пьезоэлементом 8.
При воздействии волны давления на пьезоэле-
мент 8 на его торцах вследствие явления пьезоэффек-
та появляется разность потенциалов. Напряжение с
помощью припаянных к пьезоэлементу 8 медного
волновода 9, токосъемника 7 и проводников 10, 16
подается на измерительный тракт. Длина медного
волновода 9 выбирается из условия отсутствия влия-
ния на пьезоэлемент 8 волн давления, отраженных от
его торца, что позволяет исследовать волны давления
длительностью до 80 мкс.
Центровка волновода 9 в цилиндрическом кор-
пусе 1 осуществлено резиновыми амортизаторами 11.
Плотность прилегания поверхностей приемного до-
нышка-мембраны 4, прокладок 5 и 6, токосъемника 7
обеспечивает механическое воздействие пружины 13
с помощью шайбы 12, изоляционной шайбы 14
и гайки 15.
В качестве материала изоляционных прокладок
был использован паронит ПМБ ГОСТ 481-80 и поли-
этилентерефталат ПЭТ-Э ГОСТ 24234-80, в качестве
материала пьезоэлемента - ЦТС-19 ГОСТ 13927-74.
Внешний вид волноводного датчика давления
ДТХ-1 представлен на рис. 5.
Рис. 5. Внешний вид волноводного датчика давления ДТХ-1
Волноводный датчик давления ДТХ-1 обладает
значительно большей чувствительностью (примерно
на два порядка) по сравнению с датчиками давления
DPX 101-5К и PS-02, благодаря этому уровень полез-
ного сигнала более чем на порядок превышает уро-
вень «токовых наводок». Для примера на рис. 6 при-
ведена осциллограмма тока, напряжения и сигнала с
датчика ДТХ-1 при электрическом взрыве медного
проводника диаметром 0,14 мм в воде.
58 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5
Рис. 6. Осциллограмма импульса давления и электрических
характеристик при электрическом взрыве медного провод-
ника (диаметр проводника – 0,14 мм; длина – 0,038 м;
зарядное напряжение – 10 кВ; запасенная энергия – 1 кДж;
гидростатическое давление – 20 МПа): 1 – ток в канале раз-
ряда (инвертированный); 2 – напряжение на разрядном
промежутке; 3 – сигнал с датчика ДТХ-1
Тарировка волноводного датчика давления.
Тарировка датчика ДТХ-1 выполнялась путем срав-
нения тарировочных (опорных) импульсов давления с
сигналами, полученными с помощью датчика ДТХ-1.
По результатам сравнения выполнялся расчет коэф-
фициента чувствительности датчиков.
В качестве тарировочных импульсов давления
использовались данные, полученные с помощью вто-
ричного эталона (датчика давления DPX 101-5К) при
следующих параметрах установки: зарядное напря-
жение конденсаторной батареи – 15 кВ; емкость кон-
денсаторной батареи – 2,26 мкФ; индуктивность цепи
– 4,29 мкГн. При данных параметрах контура удалось
отделить во времени «токовую помеху» и полезный
сигнал датчика DPX 101-5К.
Инициирование разряда осуществлялось медным
проводником диаметром 0,14 мм и длиной 50 мм, что
повышало стабильность амплитуды волны давления.
Гидростатическое давление в камере поддерживалось
на уровне 10 МПа. Датчиком давления ДТХ-1 фикси-
ровались импульсы от пяти разрядов. Полученные
результаты подвергались статистической обработке,
находилось среднее значение, по которому определя-
лась чувствительность тарируемого датчика.
Тарировка ДТХ-1 проводилась совместно с из-
мерительным трактом (см. рис. 3), имеющим сле-
дующие параметры:
электрическая емкость изготовленного датчика
давления ДТХ-1 С1 – 150 пФ;
электрическая емкость измерительного кабеля
РК 50-2-16 С2 длиной 10 м – 1166 пФ;
электрическая емкость нагрузочного конденса-
тора С3 – 66340 пФ.
Таким образом, тарировка датчика с трактом за-
ключалась в определении его чувствительности при
воздействии импульса давления известной амплитуды
(полученного на сертифицированном датчике).
На рис. 7 приведены совмещенные временные
профили опорного импульса (1) и профиля импульса,
регистрируемого волноводным датчиком ДТХ-1 (2).
Для удобства сравнения осциллограмм амплитуды
обоих сигналов приведены к одному значению. При-
веденные результаты (см. рис. 7) показали, что совпа-
дение сигналов как по фронту нарастания импульса
давления, так и по длительности его спада удовлетво-
рительное.
Рис. 7. Профили импульсов волны давления:
1 – опорный импульс давления;
2 – импульс волноводного датчика давления ДТХ-1
Согласно результатам тарировки, чувствитель-
ность разработанного датчика ДТХ-1 с измеритель-
ным трактом – 0,0346 В/МПа.
Проведенные лабораторные испытания показали
стабильность чувствительности датчика при измере-
нии волн давления с амплитудой до 150 МПа и долго-
срочной работе в диапазоне гидростатических давле-
ний (0,1-20) МПа, температур (10-80) С.
Разработанные датчики давления ДТХ-1 исполь-
зовались для регистрации импульсных давлений при
выполнении ряда научно-исследовательских работ в
ИИПТ НАН Украины, опытный образец был постав-
лен исследовательскому центру во Франции.
Выводы.
1. Предложена конструкция и схемное решение
помехоустойчивого волноводного датчика давления
для электроразрядных технологий, обеспечивающего
стабильность и достоверность показаний на близком
расстоянии от канала высоковольтного разряда в за-
мкнутом объеме жидкости.
2. Разработан волноводный датчик импульсного
давления ДТХ-1 с измерительным шлейфом, позво-
ляющий исследовать спектральные характеристики
волн давления при высоковольтном электрическом
разряде в закрытых объемах жидкости при гидро-
статическом давлении до 20 МПа и температуре до
80 °С.
3. Разработанный датчик может быть применен для
изучения волн давления с максимальным амплитуд-
ным значением до 150 МПа. Согласно результатам
тарировки, чувствительность разработанного датчика
ДТХ-1 с измерительным трактом – 0,0346 В/МПа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шарапов В.М., Полищук Е.С., Кошевой Н.Д. Датчики:
справочное пособие. – М.: Техносфера, 2012. – 624 с.
2. Fomin N.A. Diagnostics of Rapidly Proceeding Processes in
Fluid and Plasma Mechanics // Journal of Engineering Physics
and Thermophysics. – 2008. – vol.81. – no.1. – pp. 68-81. doi:
10.1007/s10891-008-0010-y.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 59
3. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 то-
мах / под ред. А.Е. Панича. – Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ
ВШ, 2006.
4. Шамраков А.Л. Перспективы развития пьезоэлектриче-
ских датчиков быстропеременных, импульсных и акустиче-
ских давлений // Датчики и системы. – 2005. – №9. – С. 4-8.
5. Бескаравайный Н.М., Поздеев В.В. Теоретические осно-
вы измерения импульсных давлений в жидких средах. –
Киев: Наукова думка, 1981. – 190 с.
6. Elkarous L., Robbe C., Pirlot M., Golinval J.-C. Dynamic
calibration of piezoelectric transducers for ballistic high-
pressure measurement // International Journal of Metrology and
Quality Engineering. – 2016. – vol.7. – no.2. – р. 201. doi:
10.1051/ijmqe/2016004.
7. https://www.bksv.com/en.
8. Poklonov S.G., Zhekul V.G., Smirnov A.P. Technique and
results of experimental investigations of the influence of the elastic
barrier on pressure wave parameters in electric discharge in water //
Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2007. –
vol.43. – no. 5. – pp. 350-353. doi: 10.3103/S1068375507050079.
9. Швець І., Жекул В., Поклонов С., Смірнов О., Мельхер
Ю., Литвинов В., Конотоп С., Хвощан О., Залога Є. Елект-
ророзрядний спосіб відновлення продуктивності артезіансь-
ких свердловин // Вісник аграрної науки Причорномор‘я. –
2013. – №3. – С. 200-205.
10. Пат. 115393 Україна, МПК G01L 9/08, G01L 23/10, H01L
41/08. П`єзоелектричний хвилевідний датчик імпульсного
тиску / Тафтай Е.І., Жекул В.Г., Смірнов О.П., Хвощан О.В.,
Швець І.С. Ін-т імпульсних процесів і технологій. – № u
2016 11774; Заявл. 21.11.2016; Опубл. 10.04.2017, Бюл. № 7.
REFERENCES
1. Sharapov V.M., Polishchuk E.S., Koshevoi N.D. Datchiki:
spravochnoe posobie [Sensors: a reference book]. Moscow,
Tekhnosfera Publ., 2012. 624 p. (Rus).
2. Fomin N.A. Diagnostics of Rapidly Proceeding Processes in
Fluid and Plasma Mechanics. Journal of Engineering Physics
and Thermophysics, 2008, vol.81, no.1, pp. 68-81. doi:
10.1007/s10891-008-0010-y.
3. Panich A.E. P'ezoelektricheskoe priborostroenie: sbornik v
3 tomakh [Piezoelectric instrument making: a collection in 3
volumes]. Rostov-na-Donu, SKNTs VSh Publ., 2006. (Rus).
4. Shamrakov A.L. Prospects for the development of piezo-
electric sensors for fast-changing, pulsed and acoustic pressures.
Sensors and systems, 2005, no.9, pp. 4-8. (Rus).
5. Beskaravainyi N.M., Pozdeev V.V. Teoreticheskie osnovy
izmereniia impul'snykh davlenii v zhidkikh sredakh [Theoretical
basis for measuring pulsed pressures in liquid media]. Kiev,
Naukova Dumka Publ., 1981. 190 p. (Rus).
6. Elkarous L., Robbe C., Pirlot M., Golinval J.-C. Dynamic
calibration of piezoelectric transducers for ballistic high-
pressure measurement. International Journal of Metrology and
Quality Engineering, 2016, vol.7, no.2, р. 201. doi:
10.1051/ijmqe/2016004.
7. Available at: https://www.bksv.com/en (accessed 22 July
2016).
8. Poklonov S.G., Zhekul V.G., Smirnov A.P. Technique and
results of experimental investigations of the influence of the elas-
tic barrier on pressure wave parameters in electric discharge in
water. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2007,
vol.43, no. 5, pp. 350-353. doi: 10.3103/S1068375507050079.
9. Shvets І., Zhekul V., Poklonov S., Smіrnov O., Mel'kher Ju.,
Litvinov V., Konotop S., Khvoshchan O., Zaloga Je. Electro-
discharge method of restoration of productivity of artesian well.
Ukrainian Black Sea region agrarian science, 2013, no.3, pp.
200-205. (Ukr).
10. Taftaj E.I., Zhekul V.G., Smirnov O.P., Khvoshchan O.V.,
Shvets I.S. P`jezoelektrychnyj hvylevidnyj datchyk impul'snogo
tysku [Piezoelectric waveguide impulse pressure sensor] Patent
UA, no. u 2016 11774, 2017. (Ukr).
Поступила (received) 03.08.2017
Жекул Василий Григорьевич1, к.т.н., ст. науч. сотр.,
Смирнов Алексей Петрович1, к.т.н., ст. науч. сотр.,
Тафтай Эдуард Иванович1, мл. науч. сотр.,
Хвощан Олег Вильямович1, к.т.н., науч. сотр.,
Швец Иван Сафронович1, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр.
1 Институт импульсных процессов и технологий (ИИПТ)
НАН Украины,
54018, Николаев, просп. Богоявленский, 43-А,
тел/phone +380 512 224113,
e-mail: Smirnovap1978@gmail.com, Khvoshchan@gmail.com
V.G. Zhekul1, O.P. Smirnov1, E.I. Taftaj1, O.V. Khvoshchan1,
I.S. Shvets1
1 Institute of Pulse Processes and Technologies (IPPT) of NAS
of Ukraine,
43-A, Bohoyavlensky Ave., Mykolayiv, 54018, Ukraine.
Piezoelectric waveguide sensor for measuring pulse pressure
in closed liquid volumes at high voltage electric discharge.
Purpose. Investigations of the characteristics of pressure waves
presuppose the registration of the total profile of the pressure
wave at a given point in space. For these purposes, various
types of «pressure to the electrical signal» transmitters (sen-
sors) are used. Most of the common sensors are unsuitable for
measuring the pulse pressure in a closed water volume at high
hydrostatic pressures, in particular to study the effect of a pow-
erful high-voltage pulse discharge on increasing the inflow of
minerals and drinking water in wells. The purpose of the work
was to develop antijamming piezoelectric waveguide sensor for
measuring pulse pressure at a close distance from a high-
voltage discharge channel in a closed volume of a liquid. Meth-
odology. We have applied the calibration method as used as a
secondary standard, the theory of electrical circuits. Results.
We have selected the design and the circuit solution of the wa-
veguide pressure sensor. We have developed a waveguide pulse-
pressure sensor DTX-1 with a measuring loop. This sensor
makes it possible to study the spectral characteristics of pres-
sure waves of high-voltage pulse discharge in closed volumes of
liquid at a hydrostatic pressure of up to 20 MPa and a tempera-
ture of up to 80 °C. The sensor can be used to study pressure
waves with a maximum amplitude value of up to 150 MPa and
duration of up to 80 µs. According to the results of the calibra-
tion, the sensitivity of the developed sensor DTX-1 with a meas-
uring loop is 0.0346 V/MPa. Originality. We have further de-
veloped the theory of designing the waveguide piezoelectric
pulse pressure sensors for measuring the pulse pressure at a
close distance from a high-voltage discharge channel in a
closed fluid volume by controlling the attenuation of the ampli-
tude of the pressure signal. Practical value. We have developed,
created, calibrated, used in scientific research waveguide pres-
sure pulse sensors DTX-1. We propose sensors DTX-1 for sale
in Ukraine and abroad. Sensors DTX-1 can be used to study
pressure waves with a maximum amplitude value of up to 150
MPa in closed fluid volumes at a hydrostatic pressure of up to
20 MPa and a temperature of up to 80 °C. References 10,
figures 7.
Key words: piezoelectric sensor, pulse pressure, electrical
characteristics, high-voltage discharge, closed volume of
liquid.
|