Пьезорезонансный датчик давления Советский патент 1990 года по МПК G01L11/00 G01L9/06 

Тогда изменение разности частот будет зависить только от температуры и определяться выражением

f0,- f и f, - f2 + (tx - t0)

(

« (Kr,fi - Кт/Р

f 1 С к; Ь о | + С д-т

тг

5Тогда

fzCK2 СЙ2+

(И)

„ Ј0ЈS ЈцЈ S g С г. -с- и f)Ј

he, h,

l«7

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.

На практике (для удовлетворения требований по точности и технологичности) наиболее интересны два случая: случай, когда Ј1 # f (например, 5000. кГц и 5020 кГц) при различных Кт1и Кт/2, и случай, когда КТ1 КГ2, а значения частот f ,( и f различаются существенно, что и обеспечивает изменение f1 - f n зависимости от температуры.

Определим, каким требованиям должна .удовлетворять конструкция датчике для обеспечения равенства f, - Ч 1 const при постоянной температуре,

Значения f, и f-j определяются выражениями (1) и (2).

Учитывая, что ,01 и

С°1 1

-„.,. ... ;о,01, можно записать

Ь л Я |

Jol

Х2

f - f + f lЈ2ii

Ј01 fi ЈiCef+CXI

(6)

PI

f + f 2C

1 2с„,+ с,

01 Xt

Используя (6) и (7), измтот 4f,, и jdf 2s обусловдением емкостных связей, ределить из выражений

fi-f, +f,

2СК,

oi+Cx1

f. -,

1С0.+ СХ1

f - н- Ј,

2С« ,

- L г - L i

Л5 Т1

02

XI

f,

2С

2С

К2

(9)

ог

+ С,,;

x-i

гдг во электрическая постоянная; Ј - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

S л т. S 2 - площади поверхностей жестких центров;

h , „ и о

h.,, - расстояния от поверхности жестких центроь до плоских поверхностей кварцевых элементов .

Учитывая, что для ракуумированно- го дат-:ика Ј- i п подставляя эна- -тения СХ1 п С х± в (П) получим:

) - .Ki M,N

- ,. ч i/

+ Ј

о 1

о«

т.е., если для лтбых значений давлений будет удовлетворяться равенство 02), то будет выполняться и условие

f 02 f ., - f 2 const .

Величина прогиба u 0мембраны с жестким центром определяется зависимостью

F-R

А

(13)

где А - коэффициент, зависящий от

коз Ьф1шие5; i а )гугссояа материала le 1бpлны и от соотношения радиуса мембраны и радиус а же с тк о г о не н i p a t - величина давленгя;

-радиус Ь ембрг.ньч

-модуль упругости материала мембрлкы.

b - толщина мегбраны.

Р R Е

Так как f Ol f 04 f,

то,

если из (12) определить значения h и h0-ji в случае отсутствия давления.

01

и учесть, что при максимально допустимом давлении, жесткие центры мембран должны касаться поверхностей кварцевых элементов, следовательно, h01 и Ь02являются величинами прогиба мембран.

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

(14)

Ъ

01 - 1

Таким образом, если датчик давления имеет мембраны, выполненные из од ного материала, одинаковые по Форме и удовлетворяющие требованиям выражений (12) и (14), в любом диапазоне давлений будет соблюдаться условие foj- Ј„2 const (при неизменной температуре).

При изменении температуры-будет изменяться значение разности в соответствии с выражением (5)-, что позволит 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 от давления внешней среды прогибаются в сторону дисковых плоско- 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 6 и 8, т.е. к изменению емкостей CXl и С Х2,что согласно выражениям (1) и (2), приводит к изменению резонансной частоты колебаний.

Так как мембраны датчика выполнены из одинакового материала, имеют одинаковую форму и удовлетворяют соотношениям (12) и (14), то в любом диапазоне давлений внешней среды величины изменения резонансной частоты одинаковы для обеих систем и поэтому значения разности f 01- f 0 не изменяется. Изменение значения частот fOt и ffll характеризует изменение давления внешней среды.

Определение величины давления внешней среды по значению резонансных

5 0

частот как средней величины повышает точность.

При изменении температуры происходит, в соответствии с выражениями (3 ) и (4), изменение резонансной частоты дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов, причем из-за различных значений ft, f, К Т1 и Кт величины изменений резонансных частот f01 и foa различны.

Это приводит к изменению разности частот f0,- f02, что и характеризует изменение температуры.

Определив по величине f0l- f0 значение температуры, легко определить начальное значение частот f1 и fг и скорректировать сдвиг гра- дуировочных характеристик датчика.

Так как значения величин К, и Кг в диапазоне температур +50°С не превышает 5 О , то изменение крутизны характеристики Датчика, определяемое значениями ft и fi , не более 0,1%.

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

Формула изобретения

. Пьезорезонаисный датчик давления, содержащий корпус, первую мембрану с жестким центром, выполненную из электропроводного материала, и установленный в корпусе первый дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент АТ-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 дисковым плосковыпуклым кварцевым элементом АТ-среза с углом среза, отличающимся на 1-60, и резонансной частотой, отличающейся на 0,2-50% от указанных параметров первого дискового плосковыпуклого кварцевого элемента, и второй мембраной с жестким центром, выпопненной из электропроводного материала и установленной с зазором относительно второго дискового кварцевого элемента, причем зазоры h0j и по между плоскими поверхностями первого и второго дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов и соответствующими поверхностями жестких центров мембран выбраны из соотношения

(h0,C),+ Ј0Si)hoi f,CKi (Ч2С0)+ Ј0S,)hfl| f4cK

а толщины bf и Ьг мембран удовлетворяют соотношению

b /bi h

oz/h о,

JQо578539

где С,

81 t

15

Ч vKt кг

ft, С

и S

Ј0

соответственно статические емкости, резонансные частоты, динамические емкости первого и второго дисковых плосковы- пукльтх кварцевых элементов}

площади поверхностей первого и второго жестких центров мембран, образующих емкостную связь с поверхностью плосковыпуклого кварцевого элемента; электрическая постоянная.