Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления

Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно пьезорезонансным измерительным преобразователям (датчикам) давления.

Известны пьезорезонансные измерительные преобразователи давления, содержащие корпус, рабочую камеру с пьезорезонансным чувствительным элементом - сенсором, электронную схему, гермоввод, соединяющий контакты сенсора с электронной схемой - автогенератором (Малов В.В. М.:Энергоатомиздат,1989 г.). Как правило, у высокоточных преобразователей сенсор целиком выполнен из кристаллического кварца и представляет собой герметичный манометрический блок с упругим элементом (мембраной или стенкой блока), к которой жестко присоединен тензочувствительный пьезорезонатор толщинно-сдвиговых или изгибных колебаний. Для того, чтобы рабочая среда, давление которой измеряется датчиком, не влияла (химически или механически) на манометрический блок, полость камеры заполняют нейтральной к материалу блока жидкостью (обычно кремнеорганической). При воздействии измеряемого давления на сенсор происходит деформация упругого элемента, что влечет за собой деформацию резонатора. Изменяется резонансная частота резонатора, соответственно изменяется частота периодических импульсов выходного сигнала автогенератора. Если рабочая среда нейтральна к материалу сенсора, то наличие промежуточного (разделительного) упругого элемента и кремнеорганической жидкости необязательно. В этом случае рабочая среда непосредственно контактирует с сенсором.

Прототипом предлагаемого устройства является пьезорезонансный измерительный преобразователь давления, сенсор которого имеет форму цилиндра и полностью выполнен из пьезоэлектрического кристалла кварца (Benjaminson A., Hammond D.L., Piezoelectric transducer and method for mounting same. Pat USA 3617780, 1971). Тензочувствительный резонатор этого сенсора представляет собой линзообразную перегородку в цилиндре сенсора. В линзе посредством золотых тонкопленочных электродов возбуждаются толщинно-сдвиговые колебания на частоте 5 МГц по третьей гармонике. Роль упругого элемента выполняет цилиндрическая стенка сенсора. Сенсор помещен в цилиндрическую камеру и закреплен в ней специальными держателями, расположенными по оси цилиндра. Камера заполнена кремнеорганической жидкостью с малым коэффициентом объемного расширения. Для передачи давления внутрь камеры используются мембраны малой жесткости. Выполнение сенсора целиком из пьезокварца позволило авторам получить уникальные метрологические характеристики. Цилиндрическая поверхность сенсора упрощает технологию изготовления сопрягаемых с ним деталей преобразователя и уменьшает объем кремнеорганической жидкости, что снижает температурную погрешность преобразователя.

Однако прототип имеет ряд существенных недостатков. Сенсор в виде монолитного цилиндра с перегородкой в центре, выполненный из пьезоэлектрического кристалла, чрезвычайно сложен и трудоемок в изготовлении, а как следствие дорог. Его размеры и масса довольно велики. Крепление такого массивного сенсора в двух точках на оси, с одной стороны, недостаточно надежно, с другой - приводит к тому, что сенсор от воздействия даже незначительных ударов и вибраций «ощущает деформации корпуса» и изменяет показания. Это снижает надежность преобразователя.

Задачей данного изобретения является снижение себестоимости пьезорезонансного измерительного преобразователя давления и повышение его надежности.

Поставленная задача решается следующим образом.

В пьезорезонансном измерительном преобразователе давления, содержащем корпус с рабочей камерой, помещенный в камеру сенсор и гермоввод, причем сенсор состоит из нескольких жестко соединенных друг с другом деталей, выполненных из кристаллического кварца, а в полости сенсора сформирован тензочувствительный пьезорезонатор, края которого жестко соединены со стенками полости, детали сенсора имеют форму пластин и соединены по периферийным областям больших граней в пакет, полость образована углублениями в соединяемых гранях пластин, стенки полости образованы соединенными периферийными областями граней пластин, тензочувствительный пьезорезонатор изгибных колебаний сформирован во внутренней пластине пакета посредством сквозных отверстий в пластине и состоит из двух одинаковых и параллельных друг другу стержней, параллельных друг другу и соединяемым граням, причем концы стержней объединены общей периферией и жестко соединены с внешними пластинами пакета.

Длина L полости направлена вдоль осей стержней, ширина полости А и ширина сенсора В параллельны плоскости соединяемых граней и перпендикулярны осям стержней, высота полости Н перпендикулярна соединяемым граням, причем между этими параметрами соблюдаются следующие соотношения: L≥2А, Н≤А, 2Н≤В-А.

Соседние внешние грани пакета, параллельные осям стержней, составляют друг с другом углы 90° или более. В варианте исполнения поверхности сенсора придана (по крайней мере, частично) форма цилиндра с осью, параллельной осям стержней.

В одном варианте исполнения края внутренней пластины не выходят на внешнюю поверхность сенсора. В другом варианте исполнения края внутренней пластины выходят на внешнюю поверхность сенсора.

На соединяемых поверхностях пластин пакета образованы углубления и выступы, углубления заполнены соединяющим материалом, например клеем или стеклом, а выступы соединяемых пластин расположены друг против друга и входят в соприкосновение.

Преобразователь снабжен выполненным из упругого материала стаканом с крышкой, гермоввод имеет выступ, входящий в рабочую камеру, сенсор помещен в стакан с зазором между поверхностью сенсора и поверхностью стакана. Причем стакан плотно посажен на выступ гермоввода и без зазора с ее стенками введен в рабочую камеру, а в стенках, и/или дне, и/или крышке стакана выполнены сквозные отверстия.

Изобретение иллюстрируется чертежами Фиг.1 - 5. На Фиг.1 изображен вариант исполнения сенсора с плоскими внешними гранями и не выходящей на его внешнюю поверхность внутренней пластиной. На Фиг.2 изображен вариант исполнения сенсора с частично цилиндрическими внешними гранями и выходящей на его внешнюю поверхность внутренней пластиной. На Фиг.3 изображен внешний вид внутренней пластины с тензочувствительным пьезорезонатором. На Фиг.4 изображен узел «сенсор - стакан». На Фиг.5 изображен измерительный преобразователь давления.

На чертежах используются следующие обозначения: 1 - сенсор, 2 - внешние пластины сенсора, 3 - внутренняя пластина сенсора, 4 - внешние грани сенсора, 5 - сквозные отверстия, 6 - стержни, тензочувствительный пьезорезонатор, 7 - электроды, 8 - контактные площадки, 9 - скосы, 10 - полость сенсора, 11 - периферийные области внутренней пластины, 12 - стакан, 13 - зазор, 14 - рабочая камера, 15 - кремнеорганическая жидкость, 16 - отверстия в стенках стакана, 17 - корпус преобразователя, 18 - внешняя среда, 19 - упругий элемент, мембрана, 20 - гермоввод, 21 - выступ, 22 - конус, 23 - цилиндр, 24 - гайка, 25 - выводы, 26 - электронная схема, 27 - выводы питания электронной схемы, 28 - вывод выходного сигнала, 29 - входное отверстие в преобразователь, 30 - крышка стакана, 31 - соединительный материал, например клей или легкоплавкое стекло, 32 - углубления, 33 - выступы на поверхностях внешних пластин пакета, 34 - ось симметрии тензочувствительного пьезорезонатора, ось чувствительности, А - ширина полости, В - ширина сенсора, Н - высота полости, L - длина полости, Р - измеряемое давление, F - выходной сигнал, частота.

Преобразователь устроен следующим образом. Сенсор 1 собран в виде пакета пластин: внешних 2 и внутренней 3 (Фиг.1 и 2). Внешние грани 4 сенсора 1 имеют плоскую (Фиг.1) или плоскоцилиндрическую поверхность (Фиг.2). Во внутренней пластине 3 посредством сквозных отверстий 5 выполнен тензочувствительный пьезорезонатор, состоящий из двух стержней 6, проходящих от одного периферийного края 11 пластины 3 до другого (Фиг.3). Длина стержней на порядок и более превышает их ширину и толщину. Причем стержни одинаковы и параллельны друг другу. Они симметричны относительно оси симметрии 34 тензочувствительного пьезорезонатора. В стержнях 6 посредством тонкопленочных электродов 7 возбуждаются противофазные изгибные колебания. Противофазность колебаний и одинаковость стержней - компенсирует изгибные моменты реакции в концах стержней, объединенных общей периферией пластины 3, и позволяет получить высокую добротность (а, следовательно, стабильность) колебаний пьезорезонатора. Электроды 7 выводятся из полости сенсора 1 на контактные площадки 8, выполненные на концах сенсора 1 посредством скосов 9 в пластинах 2. В пластинах 2 имеются углубления 10, образующие внутреннюю полость сенсора 1 и позволяющие беспрепятственно колебаться ветвям сдвоенного камертона 6. Внутренняя пластина 3 крепится к внешним пластинам по периферии 11 посредством соединительного материала 31, например, клея или припоя, или стеклоцемента, или другого материала. Формирование стержней 6 посредством профилированных отверстий 5 может быть осуществлено, например, сквозной прошивкой пластины 3 ультразвуком или сквозным химическим протравливанием. В первом случае геометрическая форма сдвоенного камертона задается профилем инструмента ультразвукового станка (поэтому отверстие профилированное), а во втором случае - профилем защитной маски и фотошаблона. Остальные поверхности тензочувствительного пьезорезонатора образованы большими гранями пластины 3.

Длина L полости 10 направлена вдоль оси стержней (или оси 34), ширина А полости 10 и ширина В сенсора 1 параллельны плоскости соединяемых граней пластин 2 и 3 и перпендикулярны осям стержней, высота полости Н перпендикулярна соединяемым граням, причем между этими параметрами соблюдаются следующие соотношения: L≥2А, Н≤А, 2Н≤В-А. Это обеспечивает минимальное присутствие сдвиговых напряжений в пластинах и соединительных швах сенсора, т.е. необходимую прочность сенсора в широком диапазоне рабочих давлений за счет нагружения преимущественным сжатием, как вдоль оси чувствительности сенсора 1 (оси 34), так и вдоль остальных осей. Известно, что предел прочности кристаллов на сжатие во много раз выше, чем предел прочности на растяжение. Таким образом, за счет заявляемого соотношения размеров сенсора 1 обеспечивается большой динамический диапазон его работы, что позволяет увеличить полезное изменение частоты тензочувствительного пьезорезонатора и соответственно относительно снизить погрешности, вызванные такими факторами, как температура, старение и др.

Соседние внешние грани 4 сенсора, если они плоские, как в варианте Фиг.1, составляют друг с другом угол около 120°. В случае сенсора, изображенного на Фиг.2, этот угол еще больше и даже равен 180° в тех местах, где поверхность сенсора цилиндрическая. Такая геометрическая форма сенсора обеспечивает минимальный объем кремнеорганической жидкости внутри преобразователя.

В варианте, изображенном на Фиг.1, пластина 3 не выходит на внешнюю поверхность сенсора и целиком находится в полости сенсора 1, что уменьшает ее габариты, позволяет использовать групповую технологию (изготовление в одной пластине несколько однотипных деталей, например, химическим травлением) и снижает себестоимость наиболее трудоемкой пластины сенсора. В варианте, изображенном на Фиг.2, пластина 3 выходит на внешнюю поверхность сенсора 1, что позволяет нагружать пьезорезонатор 6 давлением Р непосредственно, а не через внешние пластины 2 и соединительный материал 31. Это повышает точность преобразователя и надежность его показаний. Эта же задача решается путем выполнения на соединяемых поверхностях пластин пакета углублений 32 и выступов 33, как показано на виде I Фиг.2. При сборке сенсора углубления 32 заполняются соединяющим материалом 31, например клеем или стеклом, а выступы 33 соединяемых пластин располагаются друг против друга и путем сжатия пластин 2 и 3 вводятся в соприкосновение без зазора. В результате при воздействии измеряемого давления Р соединительный материал 31 в деформации стенок сенсора не участвует, что обеспечивает высокие метрологические характеристики сенсора и преобразователя. Соединительный материал 31 в этом случае выполняет только роль герметизатора полости сенсора.

Описанная конструкция сенсора 1 и тензочувствительного пьезорезонатора 6 более проста в изготовлении, чем прототип, поскольку состоит из простых по геометрической форме деталей. Это позволяет использовать групповые методы технологии их изготовления: резки, шлифовки, химического травления. Сборка такого сенсора тоже относительно несложна. Формирование одинаковых стержней 6, колеблющихся в противофазе, реализует высокодобротный резонатор изгибных колебаний с большой (до 10%) рабочей перестройкой частоты, что позволяет получить требуемую высокую точность измерительного преобразователя. Таким образом, ряд одних заявляемых признаков позволяет получить работоспособность сенсора, а ряд других - получить такие же высокие метрологические характеристики, как у прототипа, без существенного усложнения конструкции сенсора.

Преобразователь снабжен стаканом 12, выполненным из упругого материала (Фиг.4). Стакан имеет крышку 30. Сенсор 1 помещен в стакан 12 с зазором 13 между боковыми стенками стакана, дном и крышкой. Материал стакана должен быть упругим для того, чтобы не возникал гистерезис рабочей характеристики преобразователя, вызванный необратимым изменением объема стакана при обжатии его измеряемым давлением. Зазор 13 необходим для того, чтобы термодеформация стакана 12 не передавалась на сенсор 1 и не приводила к погрешностям в показаниях преобразователя. Величина зазора должна быть минимальна, но не меньше величины термодеформаций сенсора 1.

Стакан 12 плотно без зазора помещен в рабочую камеру 14 преобразователя (Фиг.5). Для того чтобы измеряемое давление Р без помех поступало на сенсор 1, рабочая камера 14 заполнена кремнеорганической жидкостью 15, а в стенках и/или дне стакана 12 выполнены сквозные отверстия 16. Рабочая камера 14 выполнена в корпусе 17 преобразователя. Она отделена от внешней среды 18 посредством упругого элемента - мембраны 19. В качестве упругого элемента может быть использован сильфон.

Если рабочая среда является непроводящей и неагрессивной по отношению к материалам сенсора, то присутствие мембраны в конструкции не является обязательным. В этом случае давление рабочей среды передается на сенсор непосредственно, а не через мембрану и кремнеорганическую жидкость.

Со стороны внутренней полости преобразователя рабочая камера 14 загерметизирована посредством гермоввода 20, который имеет выступ 21, входящий вовнутрь рабочей камеры 14. На выступ 21 плотно надет стакан 12 с сенсором 1. Герметизация рабочей камеры 14 осуществляется по поверхностям гермоввода (конус 22) и корпуса (цилиндр 23) посредством поджатая гермоввода 20 гайкой 24. Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять сборку узла «стакан - сенсор» отдельно, а после сборки этого узла вводить его в рабочую камеру преобразователя при герметизации гермовводом 20. Это повышает качество сборки, исключая возможные перекосы и заклинивания сенсора 1 в рабочей камере, помогает уменьшить объем рабочей камеры 14 и соответственно кремнеорганической жидкости 15, заполняющей камеру.

Электрические выводы 25 соединяют сенсор 1 с электронной схемой 26, которая питается через выводы 27. Выходной сигнал F снимается с вывода 28. Входное давление Р поступает через отверстие 29.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление Р через отверстие 29 поступает на мембрану 19. Посредством жидкости 15 через отверстия 16 в стенках стакана 12 это давление от мембраны передается на сенсор и воздействует на него, как показано на Фиг.2. Векторы усилий, вызванных давлением, в перпендикулярных оси 34 направлениях не вызывают деформации тензочувствительного пьезорезонатора, благодаря соотношениям геометрических размеров, указанным выше. На пьезорезонатор воздействует только та компонента давления, вектор которой параллелен оси 34. Под воздействием этого давления пьезорезонатор деформируется, а частота его изменяется. Электронная схема 26 формирует периодический электрический сигнал, частота F которого отслеживает частоту пьезорезонатора 6.

Предлагаемый преобразователь на порядок дешевле преобразователя-прототипа, практически не уступая ему в точности. Он надежен в условиях вибраций и ударов и удобен в работе.

1. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления, содержащий корпус с рабочей камерой, помещенный в рабочую камеру сенсор и гермоввод, причем сенсор состоит из нескольких жестко соединенных друг с другом деталей, выполненных из кристаллического кварца, а в полости сенсора сформирован тензочувствительный пьезорезонатор с тонкопленочными электродами, края которого жестко соединены со стенками полости, отличающийся тем, что детали сенсора имеют форму пластин и жестко соединены по периферийным областям больших граней в пакет, полость образована углублениями в соединяемых гранях пластин, тензочувствительный пьезорезонатор изгибных колебаний сформирован во внутренней пластине пакета посредством сквозных отверстий в ней и состоит из двух одинаковых стержней, параллельных друг другу и соединяемым граням, причем концы стержней объединены общей периферией и жестко соединены с внешними пластинами пакета.

2. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что длина L полости направлена вдоль осей стержней, ширина полости А и ширина сенсора В параллельны плоскости соединяемых граней и перпендикулярны осям стержней, высота полости H перпендикулярна соединяемым граням, причем между этими параметрами соблюдаются соотношения L≥2A, H≤A, 2Н≤В-А.

3. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что соседние внешние грани пакета, параллельные осям стержней, составляют друг с другом углы 90° или более.

4. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что внешней поверхности сенсора придана, по крайней мере, частично форма цилиндра с осью, параллельной осям стержней.

5. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что края внутренней пластины не выходят на внешнюю поверхность сенсора.

6. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что края внутренней пластины выходят на внешнюю поверхность сенсора.

7. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что на соединяемых гранях пластин пакета образованы углубления и выступы, углубления заполнены соединяющим материалом, например клеем или стеклом, а выступы соединяемых пластин расположены друг против друга и входят в соприкосновение.

8. Пьезорезонансный измерительный преобразователь давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что преобразователь снабжен выполненным из упругого материала стаканом с крышкой, гермоввод имеет выступ, входящий в рабочую камеру, сенсор помещен в стакан с зазором между поверхностью сенсора и поверхностью стакана, причем стакан плотно посажен на выступ гермоввода и без зазора с ее стенками введен в рабочую камеру, а в стенках, и/или дне, и/или крышке стакана выполнены сквозные отверстия.