Пьезорезонансный датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения температуры и повысить точность измерения. Датчик снабжен вторым дисковым плосковыпуклым кварцевым элементом 4 с углом среза и резонансной частотой, отличающимися от угла среза и резонансной частоты первого дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2, и второй мембраной 8. При этом зазоры между плоскими поверхностями элементов 2, 4 и соответствующими поверхностями жестких центров прилегающих мембран 6, 8 и толщины мембран 6, 8 удовлетворяют определенному соотношению. Работа датчика основана на измерении резонансных частот элементов 5, 4, которые изменяются под действием давления и температуры. 1 ил.

СОВХОЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU „„1578539 щ) G О1 L 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЫ:ТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П.(НТ СССР

1 (2)) 4436055/24-1 0 (22) 28 . 03, 88 (46) 1 S 07 . 90. Бюл. № 26 (72) А.И. Вервейко, Р. В. Гудков, В,В. Скрынник, 10.Ä. Солодовников и Л.Д.Фроликов (53) 531 .787(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1326921, кл. С 01 L 11/00, 1985. (54) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измери— тельной технике и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения температуры и повысить точность измерения. Датчик

2 снабжен вторым дисковым плосковыпуклым кварцевым, элементом 4 с углом среФ. за и резонанснои частотой, отличающимися от угла среза и резонансной частоты первого дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2, и второй мембраной 8. При этом зазоры между . плоскими поверхностями элементов 2, 4 и соответствующими поверхностями жестких центров прилегающих мембран

6, 8 и толщины мембран 6, 8 удовлетворяют определенному соотношению.

Работа датчика основана на измерении резонансных частот элементов 2, 4, которые изменяются под действием давления и температуры. 1 ил.

1578539

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения абсолютных и относительных давлений в замкнутых. объемах и температуры среды внутри этих объемов.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей датчика за счет обеспечения измерения температу( ры и повьппения точности измерения..

На чертеже изображен предлагаемый датчик, общий вид.

Датчик содержит корпус 1, первый дисковый плосковьп1уклый элемент 2 с напыленным в центре вьпгуклой поверхно-15 сти электродом 2, второй дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент 4 с напыленным в центре электродом 5, первую мембрану 6 с жестким центром

7, вторую мембрану 8 с жестким центром 9, гермоввод 1 О и центрирующие кольца l, Корпус l служит для размещения в нем дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов 2 и 4, причем их плоские 25 поверхности параллельны соответственно .плоскостям жестких центров 7 и 9 мембран 6 и 8 и обращены к ним и отстоят от плоскостей жестких центров

7 и 9 соответственно на расстоянии о,и or

Кроме того, в корпусе: 1 установлены центрирующие кольца 11, служащие,цля центровки жестких центров

7 и 9 мембран 6 и 8 относительно центров дисковых плосковыпуклых

35 кварцевых элементов 2 и 4 во время сборки датчика и приварки мембран

6 и 8 к торцу корпуса 1.

Гермовводы 1 Î служат для обеспечения электрической связи. генераторов (не показаны) с напыленными в центрах выпуклой поверхности дисковых плосковьп1уклых кварцевых элементов 2 и 4 электродов 3 и 5 без нарушения герме- 45 тичности внутреннего объема корпуса

Мембраны 6 и 8 служат для преобразования внешнего давления в перемещение жестких центров 7 и 9 относительно плоских поверхностей дисковых плосковыпуклых кварцевьгх элементов

2 и 4.

Датчик работает следующим образом.

Мембраны 6 и 8 в зависимости от давления внешней среды прогибаются

55 в сторону днсковых плосковыпуклых кварцевых элементов, что приводит к изменению расстояний h, и Ь между поверхностями жестких центров 7 и 9 и плоскими поверхностями дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов 2 и 4, а следовательно, к измененик величины емкостных связей С,и С„ между ними.

Резонансные частоты fo, и fп2 при управлении последовательно .соединенными с кварцевыми элементами 2 и 4 емкостями С 1 и С, определяют по

Формулам — + " i c

0 . С +

1 (2) 02 где f u f — начальные резонансные частоты без подключения последовательных емкостей кварцевых элементов 2 и 4 и при температуре, принятой за начальное значение (например, при 273 К), С„,, С„„С„, и С к — статические и динамические емкости кварЦевых элементов 2 и 4 соответственно.

Изменение резонансных частот и 1 2, обусловленное влиянием температуры, определяют но Формулам

Еп„,, =, . К„(t x to)+,; (3) г О2 Г Кт<(t „ tî)+ < 2(4 где К и К вЂ” температурные коэффи77 т2 пненты первого и вто рого кварцевых элементов соответственно; значение температуры, принятое за начальное (например, 273 К); — текущее значение температуры.

tî с х

Таким образом, при возбуждении генераторами систем, образованных дисковыми плосковыпукльм и кварцевыми элементами 2 и 4. с напыленными на выпуклых сторонах электродами 3 и 5 и жесткими центрами 7 и 9, образующими емкостную связь с плоскими поверхностями кварцевых элементов 2 и 4, получаем:

578539 б

Для того, чтобы 111 — Е „

» (f, + 3f ) — (f> + df<) = const

2С« (! О) const о7

Г Ск С!!!+

Г Ск7 С,, +

Тогда

F-î È, x-. о

Ео8 S

1(@7

На практике (для удовлетворения требовании по точности и технологичности) наиболее интересны два случая: случай, когда f „ f 7 (например, 5000. кГц и 5020 кГц) прк различных

К„,и Кт7, и случаи, когда Кт, =K,-7, а значения частот f, к Я различаются существенно, что к обеспечивает изменение Е! — Е в зависимости от температуры.

Определим, каким требованиям должна удовлетворять конструкция датчика для обеспечения равенства f, — х =

= const при постоянной температуре., Значения f„ и fg определяются выражениями (!) и (2).

С к1

Учитывая, что -3, О l к

СО! Ск1 — — (0, О!, можно записать

01 х2

Ео

Я т. 8 ких центров;

"и, к !.!

Уч го да

"е™кя

f l0 к »» !

»! » 1 .1 ений цяв 1!е— равенство я к усло2С к(С„+ С„, (6) (7) где А

2С „, = К1

Ca + Сх! (8) + f 2С" г 7С +С

M X7. . С

c0, + Сх !

Так к толщ1!ня 1!ембряны (9) если из и h„-„„

5 1 о F(f q Ск С -Кт . с „. С ), где х, Сх1 и Скг ве чины переменные.

Величины С х„к Сх характеризуют внешнее давление .

При изменении давления при постоянной температуре будет выполняться равенство

Тогда изменение разности частот будет эависить только от температуры и определяться выражением — + (t — t )х

О! 07. 1 г х о

° (к„к, — к,р,), (5) 2Скт - 7 "С, + С„, Используя (6) к (7), изменения частот df и ДЙ, обусловленные введением емкостных связей, можно определить кз выражений

2С„-, ЛЕ, =f ++f„

Г

1 1С +С необходимо. чтобы d f, = Д f g, или, учитывая (8) и (9), имеем:

1L Преобразуя выражение (!О), полу%HM: электр!г ескяя постояиная; относительная диэлектрическя". проницаемость среды; и".oösä!. поверхностей жестрасстояния от поьерхности жестких центров до плоских поверхностей кварцевых эле-ментов. итывая, что для вякуумировянно ==ккя F= l к —. одс (являя зна

Сх; и С х в (!! ), получим: (!1о; С !1. + Е0 51)!!о;

76,.С,„- F-, )nn„ т. е ., если для!;.-,бых зная ькй будет удовлетворяться (! 2), то б-, дет выполнять с вие

Ео,— f, = f — и = =onst

Величина прогиба щ мембрянь. с жестким центром определяется зависимостью г. к

4! = - "., (!З)

,!,ь козбсЬицкент» зависящий î f коэИ!1!!кента i!уяссоня материала ме.!бря»ы и от соотношения рядится мембраны к радиуса жесткого центps„ ьел?г кна д,!вленр ь, радиус . мембрянь.;, модуль упругîcòè материала мембвя! и. I ак .,=!, =,—, то, (12) определить зня !ейкя в случае ",тсутствкя давления, 1 578539

Определение величины давления внешней среды по значению резонансных и учесть, что при максимально допустимом давлении, жесткие центры мембран должны касаться поверхностей кварцевых элементов, следовательно, ho, и h ÿâëÿþòcÿ величинами проги5 ба мембрай.

Используя (13) и считая, что мембраны выполнены из одного материала и равны, получим соотношения, которым должны удовлетворять толщины мембран э

О ()Д)

Ь

Таким образом, если датчик. давления имеет мембраны, выполненные из од15 ного материала, одинаковые по Форме и удовлетворяющие требованиям выражений (12 ) и (14), в любом диапазоне давлений будет соблюдаться условие

f 01 f pg const (при неизменной тем — 20 пературе).

При изменении температуры будет изменяться значение разности в соответствии с выражением (5), что IIO3волит определить температуру, при ,которой ведется измерение..

Зная значение температуры и используя выражения (3) и (4), можно учесть изменение резонансной частоты, вызванное температурой, что позволит более точно определить значение измеряемого давления.

Упругие мембраны 6 и 8 в зависимости о г давления внешней среды про- гибаются в сторону дисковых плоско-. 35 выпуклых кварцевых элементов 2 и 4, .что приводит к изменению емкостной связи между поверхностями дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов 2 и 4 и жестких центров 7 и 9 упругих мембран б и 8, т.е. к изменению емкостей С <, и С z<, что согласно выражениям (1) и (2), приводит к изменению резонансной частоты колебаний.

Так как мембраны датчика выполне- 45 ны из одинакового материала, имеют одинаковую Форму и удовлетворяют соотношениям (12) и (14), то в любом диапазоне давлений внешней среды величины изменения резонансной частоты 50 одинаковы для обеих систем и поэтому значения разности f о„- Е < не изменяется. Изменение значения частот . и f «характеризует изменение давления внешней среды. частот как средней величины повышает точность

При изменении температуры происходит, в соответствии с выражениями (3 ) и (41, изменение резонансной частоты дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов, причем из-за различных

3H+)IeHHH f f f K I I H KT BeJIH)IHHbI изменений резонансных частот f, и

Е„ различны.

Это приводит к изменению разности частот Е, — Ео, что и характеризует изменение температуры.

0IIpepелиВ по Величине f z, f +< значение температуры, легко определить начальное значение частот f и f < и скорректировать сдвиг градуировочных характеристик датчика.

Так как значения величин К, и К . в диапазоне температур +50 С не прео вышает 5 10, то изменение крутизны

-Х характеристики датчика, определяемое значениями f, и fq, не более О, IX.

Таким образом, в предлагаемом дат Р чике имеется возможность по изменению. разности частот двух систем, образо" ванных кварцевыми элементами и жесткими центрами мембран, определить температуру, при которой производится измерение давления, и скорректировать результаты измерения давления с учетом полученного значения температуры.

Формула и э о б р е т е н и я

Пьезорезонансный датчик давления, .содержащий корпус, первую мембрану с жестким центром, выполненную из электропроводного материала, и установленный в корпусе первый дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент

AT-среза, обращенный плоской. поверхностью к плоскости мембраны и снабженный электродом на выпуклой поверхности, при этом плоский торец жесткого центра мембраны образует зазор с плоской поверхностью кварцевого элемента, отличающийся тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей за счет обеспечения измерения температуры и повышения точности измерения, он снабжен установленным в корпусе вторым диско" вым плосковыпуклым кварцевым элементом AT-среза с углом среза, отличающимся íà l-бО, и резонансной час-, тотой, отличающейся на 0,2-50Х от указанных параметров первого дискоl0

1 578539 где С„, С

fi t СК19 С К2

Я и Я (hp Cpt+ Ep S )hpz fqCк1 а толщины b u bz мембран удовлетвоf ряют соотношению!

hoz h о

Составитель Н. Матрохина

Техред M.Õoäàíè÷

Редактор А. Ревин

Корректор М.Самборская

Заказ 1909 Тираж 4б3 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. /5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина,101 вого плосковыпуклого кварцевого элемента, и второй мембраной с жестким центром, выпочненной из электропро" водного материала и установленной с

5 зазором относительно второго дискового кварцевого элемента, причем зазоры h01 и hÎя между rMocKHMH повер ностями первого и второго дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов и 10 соответствующими поверхностями жестких центров мембран выбраны из соотношения соответственно статические емкости, резонансные частоты, динамические емкости первого и второго дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов, площади поверхностей первого и второго жестких центров мемб— ран, образующих емкостную связь с поверхностью плосковыпуклого кварцевого элемента, электрическая постоянная.