Введение к работе
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 необходи-
мьгх требований
1.3. 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. Калибровку ПДДД в области сверхнизких переменных давлений порядка 30 Па принято целесообразным проводить с помощью пистонфонов - калибраторов для пьезоэлектрических микрофонов, а в области до 10 Па - в вибрационном режиме путем пересчета через эквивалентное давление.
1.4. 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 частности, 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 20С до 300С. Показана слабая зависимость механических свойств от температуры. Уточнены справочные данные по этому материалу.
Рекомендована номенклатура конструкционных материалов для разработки ПДДД с различным динамическим диапазоном в целях обеспечения требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик.
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, позволяющая проектировать датчики с заданными метрологическими характеристиками.
1.5. Практическая ценность работы
Выполненные исследования позволили реализовать динамический диапазон ПДДД 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
Разработаны и внедрены в производство технологии сборки и калибровки ПДДД, позволяющие обеспечить надежные характеристики с ресурсом работы до
100000 срабатываний в год
Предложенные схемно-конструктивное исполнение и способ изготовления позволяет проектировать номенклатурный ряд ПДДД с заданными метрологическими характеристиками
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.
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), НИИ «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.
