ВИБРАЦИОННЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПЛОТНОСТИ ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК G01N9/34 H04R17/10 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к преобразователям физических величин в электрический сигнал, основанным на пьезоэлектрическом эффекте.

Известен вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой кварцевый пьезоэлектрический резонатор в виде камертона [5]. Такой чувствительный элемент, включенный в цепь обратной связи автогенератора, обеспечивает высокую стабильность частотного выходного сигнала генератора и при соотношении ширины ветвей камертона к их толщине в пределах от 0,1 до 0,75 может использовать для измерения плотности газа в пределах от 0 до 500 кг/м³. Недостатком элемента является низкая чувствительность частоты его резонансных колебаний к плотности газа, из-за чего погрешность измерений с помощью такого элемента резко возрастает при уменьшении плотности газа.

Известен вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой камертонный кварцевый пьезоэлектрический резонатор, ветви которого содержат специальные отверстия в виде сквозной щели [3]. Резонатор с отверстиями в ветвях по сравнению с резонатором без отверстий при одинаковом соотношении между толщиной и широтой его ветвей обладает более высокой чувствительностью к плотности газа. Недостатком такого резонатора является сложность изготовления отверстий в ветвях резонатора. Практически такие отверстия могут быть изготовлены только методом химического травления кварца через защитную маску, однако возникающие при этом технологические трудности ограничивают толщину ветвей резонатора значением 0,25 мм, что в свою очередь ограничивает чувствительно частоты колебаний резонатора к плотности газа.

Прототипом предлагаемого решения является чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой кварцевый пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, у которого расстояние между ветвями в три раза меньше толщины ветвей резонатора [4].

Недостатком такого чувствительного элемента является низкая чувствительность частоты его резонансных колебаний к плотности газа, из-за чего в качестве информативного параметра о плотности (давления) газа используется динамическое сопротивление резонатора [4]. В то же время в качестве информативного параметра желательно использовать частоту колебаний резонатора, поскольку этот параметр более удобен для дальнейшей обработки и, кроме того, в отличие от динамического сопротивления при определенной кристаллографической ориентации резонатора практически не зависит от температуры.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения чувствительности частоты резонансных колебаний пьезоэлектрического резонатора в виде камертона к плотности газа, окружающего резонатор.

Поставленная задача решается тем, что расстояние между ветвями камертона, ширина и толщина ветвей камертона удовлетворяют требованиям 10g < 2B < H, где g - расстояние между ветвями камертона, B - ширина ветвей камертона, H - толщина ветвей камертона.

Использование предлагаемого изобретения позволяет уменьшить погрешность измерения низких значений плотности газа и малых изменений плотности газа.

Сущность изобретения заключается в создании таких соотношений между толщиной и шириной ветвей, а также между толщиной ветвей и расстоянием между ветвями камертона, при которых достигается повышенная чувствительность частоты колебаний резонатора в виде камертона к плотности газа, окружающего резонатор.

На фиг. 1 показана зависимость коэффициента A (характеризующего чувствительность камертона к плотности газа) от отношения толщины ветвей камертона к ширине ветвей и расстоянию между ветвями; на фиг. 2 - вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, где 1 - ветви камертона; 2 - ножка камертона, H - толщина ветвей; B - ширина ветвей; g - расстояние между ветвями; L - длина ветвей; на фиг. 3 - пример использования предлагаемого чувствительного элемента, где 1 - чувствительный элемент плотности газа; 2 - герметичная камера; 3 - проводники; 4 - автогенератор; 5 - частотомер.

Принцип действия вибрационного чувствительного элемента плотности газа основан на зависимости частоты собственных колебаний твердого тела (вибратора) от плотности газа, в который тело погружено. Физическая модель, объясняющая такую зависимость, заключается в том, что вибратор вовлекает в колебания некоторую массу газа, которая увеличивает эффективную массу вибратора и тем самым изменяет частоту его собственных колебаний. Поскольку масса вовлеченного в колебания газа зависит от плотности, то и частота колебаний вибратора зависит от плотности газа.

В рамках такой модели можно показать, что свободные гармонические колебания вибратора, погруженного в невязкую, несжимаемую среду, совершаются с собственной частотой.

,
где
K - жесткость вибратора;
m_в - масса вибратора;
m_r=V• ρ - масса вовлеченного в колебания газа;
V - объем вовлеченного в колебания газа;
ρ - плотность газа.

Из (1) можно получить выражение для функции преобразования, вибрационного чувствительного элемента плотности газа
,
где
f_o=(2 π )^-1•(K/m_в)^1/2 частота колебаний вибратора в вакууме;
A = V/m_o - коэффициент, характеризующий чувствительность вибратора к плотности газа.

Дифференцируя (2) по ρ , можно показать, что чувствительность вибрационного чувствительного элемента при низких значениях плотности газа пропорциональна коэффициенту A
.

На фиг. 1 показана полученная экспериментально для кварцевого пьезоэлектрического резонатора в виде камертона зависимость A от отношения толщины ветвей резонатора H к ширине ветвей B и расстоянию между ветвями g. Видно, что чувствительность резонатора в виде камертона увеличивается с ростом как величины H/B, так и величины H/g.

Нестабильность частоты резонансных колебаний камертонного пьезоэлектрического резонатора в газе составляет около 10^-5. Поэтому для достижения погрешности измерений, например, не более 0,5%, относительное изменение частоты резонатора Δf/f, вызванное изменением плотности газа, должно быть не менее 5•10^-3.

Из выражения (3) следует, что такое относительное изменение частоты достигается при A > 0,01/ Δρ , где Δρ диапазон изменения плотности газа. Так, при измерении плотности газа в диапазоне
Δρ = ρ_max-ρ_min= 7 кг/м³
(здесь ρ_max - верхний предел измерения; ρ_min - нижний предел измерения) коэффициент A должен удовлетворять требованию A>1,5•10^-3. Из фиг. 1 видно, что указанное требование удовлетворяется при следующих соотношениях между размерами ветвей резонатора: H/g>10 и H/B>2.

Таким образом, уменьшение погрешности измерений низких значений плотности газа и малых изменений плотности газа требует увеличения чувствительности к плотности газа частоты колебаний камертона, что можно обеспечить путем выполнения следующих условий: толщина ветвей камертона должна по крайней мере в десять раз превышать расстояние между ветвями и в два раза - ширину ветвей.

Пример выполнения предлагаемого чувствительного элемента приведен на фиг. 2. Резонатор изготовлен из монокристаллического кварца. Ориентация среза кварца XYS/+5, плоскость колебаний ветвей резонатора XY. При такой кристаллографической ориентации температурное изменение частоты собственных колебаний резонатора имеет минимальное значение. Длина, толщина и ширина ветвей резонатора соответственно составляет L=20 мм, H=3 мм, B=1 мм, а расстояние между ветвями g=0,2 мм. Таким образом, значения соотношений H/g и H/B соответственно составляют 15 и 3. На поверхности резонатора находится система электродов, обеспечивающая возбуждение изгибных колебаний ветвей резонатора. Электроды изготовлены из пленки никеля, гальванически осажденной на поверхность кварца. В таком резонаторе можно возбудить колебания с частотой f1=2000 Гц; f2=14000 Гц и f3=34000 Гц. При этом его чувствительность к плотности газа соответственно составляет 3 Гц (кг/м³); 21 Гц/ (кг/м³) и 51 Гц/(кг/м³).

На фиг. 3 показан пример использования чувствительного элемента плотности газа, представляющего собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона.

Предлагаемый чувствительный элемент (резонатор) работает следующим образом. Резонатор 1 с помощью проводников 3 подключают к автогенератору 4. Автогенератор представляет собой замкнутую систему, содержащую усилитель и пьезоэлектрический резонатор 1, включенный в цепь положительной обратной связи. В такой системе возникают незатухающие колебания электрического тока, частота которых практически совпадает с частотой собственных колебаний резонатора. Изменение плотности газа в герметической камере 2 изменяет частоту собственных колебаний резонатора 1 и соответственно частоту колебаний тока в цепях генератора, измерение которой можно осуществить, например, с помощью частотомера 5.

Чувствительный элемент плотномера представляет собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, включенный в цепь автогенератора. Расстояние g между ветвями камертона, ширина В и толщина Н ветвей камертона удовлетворяют требованиям 10 g < 2В < Н. При таком соотношении увеличивается чувствительность частоты резонансных колебаний камертона к плотности газа. Использование изобретения позволяет уменьшить погрешность измерения низких значений плотности газа или малых изменений плотности. 3 ил.

Вибрационный чувствительный элемент плотности газа, представляющий собой пьезоэлектрический резонатор в виде камертона, отличающийся тем, что расстояние между ветвями камертона, ширина и толщина ветвей камертона удовлетворяют требованиям 10g < 2В < Н, где g - растояние между ветвями камертона, В - ширина ветвей камертона, Н - толщина ветвей камертона.