Главная Промышленная автоматика.

Теоретические характеристики датчика

Используется пьезоэлектрическая керамика PZT-5A, содержащая свинец, цирконий и титан. Она имеет точку Кюри (температура, при которой исчезает пьезоэлектрическая активность), равную 365° С, и характеризуется следующими свойствами при температуре 25° С и частоте 1 кГц: пьезоэлектрическая постоянная /1зз=2,15-10 В/м; диэлектрическая постоянная els =7,35-10- Ф/м; плотность 6=7,75-10 кг/м; модуль продольной упругости сЛ = = 1,45-10" Па.

Керамическое кольцо имеет следующие размеры: толщину d= = 8,89-Ю"* м; площадь электрода Л= 1,19-10- м.

Площадь кольца была аппроксимирована площадью круга при анализе диска преобразователя, представленном в приложении А.

Емкость кольца по формуле приложения (А.31).

С=.езЛ/с(=0,984 нФ. Масса кольца рЛс?=0,82 г при коэффициенте упругости (А.ЗО)

KT=Aci/d= 1,94-Ш° Н/м. Коэффициент упругости для стальной свечи зажигания

Ks=-rAjL, (1)

где As - кольцевая площадь сечения резьбовой части свечи зажигания; Л8=2,6-10- м для свечи «Чемпион 813», примененной в опытном двигателе; L - ширина резьбы свечи зажигания; L= = 1,4-10" м; Y - модуль продольной упругости для стали; F= ==2,1-10" Па.

Поэтому Ks=3,8-10io Н/м и Кэф=Кг + Кз=5,74-10° Н/м. Масса свечи зажигания М==70 г, и, таким образом, резонансная частота по формуле приложения (Б.З)

= У7С = 90,6 кГц,

Что значительно больше требуемой ширины полосы частот датчика, приблизительно равной 15 кГц и необходимой для определения детонации двигателя. Поэтому достижение механического резонанса не является проблемой. Действительно, резонансная частота одного керамического кольца по (А.24)

(о,=(л/с()/Ш/7=2,43 МГц.

При испытании опытного двигателя в следующем режиме: частота вращения 1200 об/мин (половина угловой скорости коленчатого вала двигателя р=63 рад/с), полностью открытая дроссельная заслонка, степень сжатия 6, максимальное давление Ро в цилиндре приблизительно оавно 3,1-10 Па коэффициент избытка .воздуха ф=1; угол опережения зажигания 22°. Обозначая чер Л внутреннюю площадь свечи зажигания, которая равна 1,8Х



XlO-* м\ максимальная скорость распространения волны сжатия поверхности преобразователя по (Б.8)

- = 6,10-10-7 м/с.

Это может ПОЗВОЛИТЬ оценить напряжение разомкнутой цепи Voc При /=0 и Vt = V уравнение (А.296) после подстановки в него (Б.9) для V примет вид

(2)

В соответствии с разомкнутой цепи

М (Х2-р2)

(Б.8) максимальная величина напряжения в

Vo.=AVo/P=20,9B. (3)

Представленный теоретический анализ показывает, что пьезоэлектрический датчик имеет широкую полосу частот для детектирования детонации в двигателе и будет генерировать сигнал боль-шого напряжения (обеспечивающий его высокую чувствительность к изменению давления в цилиндре).

Конструкция датчика

На основании вышеприведенного анализа, -был сконструирован пьезоэлектрический кольцевой преобразователь. Изготовленный прибор был испытан в одноцилиндровом двигателе. Ниже этот

датчик будет сокращенно называться PZT-датчиком.

На рис. 2 показан чертеж преобразователя и его поперечное сечение. Отметим, что внутренний электрод обозначен ,как положительный в связи с тем, что генерируемое на нем напряжение при положительных давлениях, в цилиндре (уменьшение напряжения в пьезоэлектрической «керамике датчика) выше потенциала массы.

Для изготовления экспериментального PZT-датчика была взята пьезоэлектрическая керамика PZT-5A фирмы Кле-вит Корпорейшн, которую выбрали ввиду *ее широкой доступности и наличия соответствующих электромеханических свойств. Изоляционным литьевым материалом послужил КИПЕЛ 5514, изготовляемый фирмой Родиа. Этот тип изоляционного материала-представляет собой полиамидную пластмассу, армированную стекловолокном, которая способна выдерживать высокие температуры и ус-


Рис. 2. Пьезоэлектрический преобразователь давления в цилиндре:

1 - отводящий . проводник; 2 - отводящий кабель фирмы Тефлон; 3 - кремниевое уплотнение; 4 - медный электрод (положительный); 5 -медный заземленный электрод; 6 - медный электрод (масса); 7 -изолятор



тойчива к коррозии. Выбор материала КИНЕЛ 5514 объясняется тем что его можно механически обработать с высокой точностью вследствие высокой прочности на сжатие и высокой температуры начала тепловой деформации (350°С).

Кольцевые электроды датчика выполнены из меди, так как она широко распространена в природе и характеризуется высокой электропроБодностью. В качестве материала для уплотнений был использован «силикон глю энд сил» фирмы Дженерал Электрик ввиду его гибкости и температурной устойчивости до 260° С. В качестве контактного провода был выбран многожильный провод 26 по калибру AWG с изоляцией из материала тефлон. Такая изоляция требуется, чтобы провод выдерживал высокие рабочие температуры. Контактный провод присоединен к коаксильному кабелю с изоляцией из тефлона (этим материалом изолирован как центральный провод, так и наружный экран). Выбор коаксиального кабеля объясняется его высокой теплостойкостью, а также возможностью подавления электрических помех, генерируемых искровым разрядом в свечах. Все использованные материалы широко распространены и имеют невысокую стоимость.

На рис. 3 показана электронная схема обработки и формирования выходного напряжения преобразователя. Схема повторителя напряжения разработана так, что ее выходной сигнал пропорционален давлению в цилиндре при всех рабочих режимах двигателя.

Номинальная емкость экспериментального преобразователя равна 1,66 нФ, сопротивление резистора Яь подбирали соответственно этой величине. Резистор нагрузки Rl необходим для стабилизации работы повторителя напряжения. Без этого резистора на входе получается емкостной делитель на конденсаторах С и Ci„ ко-

торый восприимчив к электрическим помехам и пироэлектрическо-

•. му эффекту, рассмотренному в приложении А.


Рис. 3. Схема повторителя напряжения, обрабатывающего и формирующего выходной сигнал датчика:

S - пп°Р°ь; 2 -экран; 3 - коаксиальный кабель; 4 - операционный усилитель;

- подстроечный потенциометр





0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

0.0034