Датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления, и может быть использовано для измерения абсолютного и избыточного давлений.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в датчике давления, содержащем неметаллические цилиндрический корпус, основание и мембрану, образующие замкнутую полость, плоский дисковый кварцевый пьезоэлемент, расположенный в этой полости и установленный своей посадочной поверхностью на посадочной поверхности выступа параллельно мембране с образованием зазора, и два электрода, первый из которых нанесен на поверхности мембраны, предусмотрены следующие отличия: наружный радиус посадочной кольцевой поверхности больше радиуса кварцевого пьезоэлемента на величину разности температурного расширения корпуса и кварцевого пьезоэлемента, а внутренний равен радиусу мембраны, поверхность кварцебо- го пьезоэлемента, противоположная посадочной, упруго соединена по своему периметру с основанием посредством прижимной тарельчатой пружины и жестко соединенных с ней четырех стоек, первый круглый электрод связан с помощью пленочного проводника, нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса, с первым электрическим выводом, закрепленным в оснований, причем в месте прохождения пленочного проводника по посадочной кольцевой поверхности кварцевый лемент содержит {эздиальный паз, ширина которого превышает ширину упомянутого проводника, второй электрод нанесен на поверхность пьёзоэ/темента; соединён со; вторым электрический выводом, также закрепленным в основании и проходящим через отверстие в прижимной тарельчатой Пружине, гибким проводникому корпус и изготовленная с ним за одно целое мембрана, а также основание, сваренное с корпусом, выполнены из кварцевого стекла, причем отношение радиуСсг мембраны RM к ее толщине Им определено из условия Kl(F/Јmax}V3 RM/ПМaS . К2(1 /Pmax)n, f 1) где коэффициенты -:. .Ч:: KИ1ДO,5mfo-F)1/3(2) (1/Knp)1/2, n-1/2 при PmaxS: Prp .-..-.г.... ;

,2(1/Kx)14, при (4)

,065Кх/к:2пр (5) граничное давление в МПа;

Ртах - максимальное измеряемое дзв- лёниевЦПа; . т:-у : ., ;- ...

Кх Ьм/Хтах - коэффициент запаса помак симальнйму ходу мембраны Хтах(.м10);

Кпр-коэффициент запаса по прочности мембраны (,5..,3)

fo, F - рабочая частота кварцевого пьё- збэлейента при минимальном давлений, равном давлению во внутренней полос датчика, и величина ее изменения при ёЬз- действия Ртах соответственно;

m - ёмкостное отношение кварцевого пьезоэлемента.

предложенная в заявляемом устройстве установка кварцевого пьезоэлемента на посадочную кольцевую поверхность выступа с соответствующим выбором размеров последней и с помощью дополнительно введенных прижимной тарельчатой пружины и

четырех стоек, упруго соединяющих кварцевый пьезоэлемент с основанием, позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерений.

Достижение положительного эффекта стало возможным по нескольким причинам. Во- первых, равномерное упругое прижатие по периметру плоского кварцевого пьезоэлемента к посадочной кольцевой поверхности

с помощью прижимной тарельчатой пружины и четырех стоек, приваренных к пружине и жестко закрепленных в основании, обеспечивает по сравнению с клеевым соединением высокую параллельность плоской

мембраны и кварцевого пьезоэлемента, а также высокую точность установки необходимого начального зазора между мембраной и кварцевым пьезоэлементом, Так, при соответствующей обработке посадочной

кольцевой поверхности и поверхностей кварцевого пьзоэлемёнта путем их шлифовки с последующей полировкой погрешность установления зазора составляет около 1 мкм. При этом в процессе работы датчика

под действием различных влияющих факторов, в частноститемпературы,; величина зазора практически не изменяется, так как температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла на порядок

меньше, чем, у кремния, и составляет 0,4х . При использовании же в качестве материала для мембраны, корпуса и основания кварцевого стекла, легированного двуокисью; ;. титана, температурный

коэффициент линейного расширения удается понизить до 0,044 10 /°С. Кроме этого, выбором радиуса, кварцевого п ьезрэлемента Рпэ в два раза большим, чем в обычных кварцевых резонаторах, из выражения

Rn3 60hn3,,...: ;(6) где Кпэ -, толщина кварцевого пьезоэлемента, полностью исключается влияние ортогбналь- ных поверхности кварцевого пьезоэлемента Механических напряжений, возникающих в

последнем в точках его прижатия к посадочной кольцевой поверхности, на рабочую час- тоту толщинно-сдвйговых колебаний Кварцевого пьезоэлемента, локализованных

в подэлёктродной области, т.е. обеспечи вается акустическая развязка краев кварцевого пьезоэлемента,

Вб-вторых, выбор наружного радиуса посадочной кольцевой поверхности, равного внут рейнему радиусу корпуса Р1К, большим, чем

радиус кварцевого пьезоэлемента, на величину разности температурного расширения корпуса и кварцевого пьезоэлемента из условия

aTiCW-To)R11ka T2(Tmax- То)1(7)

где on, а та - температурные коэффициенты линейного расширения кварцевого пье- зоэлемента и корпуса соответственно; Т0, Tmax номинальная и максимальная температуры соответственно; R1Y-наружный радиус корпуса, позволяет полностью исключить влияние радиальных силовых воздействий, возникающих вследствие прижатия кварцевого пьезоэлемента к корпусу при температурном расширении последних, на рабочую частоту кварцевого пьезоэлемента. Кроме того, наличие сопряжения двух полированных поверхностей (посадочной кольцевой поверхности и посадочнойповерхности кварцевого пьезоэлемента) вместо их клеевого соеди-. нения позволяет также значительно снизить влияние на рабочую частоту кварцевого пьезоэлемента радиальных сил, возникающих вследствие трения между этими поверхностями,

Существенным отличием также является выполнение корпуса, изготовленной с ним за одно целое мембраны и основания, сваренного с корпусом, из кварцевого стекла при выборе величины отношения радиуса мембраны к ее толщине из условия (1).

В заявляемом устройстве условием (1) величина отношения радиуса мембраны к ее толщине ограничена сверху необходи- .мым значением основной погрешности датчикадавления, задаваемой соответствующим выбором коэффициентов запаса по прочности КПр и по максимальному ходу мембраны Кх, причем в зависимости от соотношения максимального измеряемого давления Ртах и граничного давления Ргр более жестким является условие по прочности (3) либо по максимальному ходу мембраны (4). Рекомендуемые для прецизионных измерений значения коэффициентов КПр, Кх составляют ,5.,.3/5, с. 23/, .,.10/5,с. 141/, Снизу величина отношения RM/hM ограничена необходимым значением чувствительности датчика давления и соответственно значением дополнительной погрешности, так как рост чувствительности приводит к увеличению полезной девиации частоты кварцевого пьезоэлемента в диапазоне измеряемых давлений по отношению к уходам частоты под действием различных влияющих факторов, например температуры, что, в свою очередь, обеспечивает снижение дополнительной погрешности.Задаваясь значениями максимального измеряемого, давления Ртах, нестабильностью рабочей частоты кварцевого пьезоэлемента под действием влияющих факторов, коэффициентов Кпр и Кх из условия (1), можно определить наиболее рациональную величину отношения RM/ИМ, минимизирующую значения основной и дополнительной погрешности.

Таким образом, за счет выполнения мембраны за одно целое с корпусом из

кварцевого стекла и выбора ее геометрических размеров из условия (1) достигается положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерений.

Техническая сущность и принцип деиствия предложенного устройства поясняется фиг. 1-3, причем на фиг. 1 показан продольный разрез датчика давления; на фиг. 2 - кварцевый пьезоэлемент; на фиг. 3 - прижимная тарельчатая пружина.

Датчик давления состоит из выполненных из кварцевого стекла цилиндрического корпуса 1, мембраны 2, изготовленной за одно целое с корпусом 1 и основания 3, сваренного с корпусом 1, которое образуют

замкнутую полость датчика. В полости находятся посадочная кольцевая поверхность 4, кварцевый пьезоэлемент АТ-среза 5, прижимная тарельчатая пружина 6, четыре стержня 7, два круглых пленочных электрода, первый из которых 8 нанесен в центре мембраны 2, а второй 9 - в центре кварцевого пьезоэлемента 5 на поверхности, противоположной мембране 2, а также первый и второй электрические выводы 10. Кварцевый пьезоэлемент 5 своей посадочной поверхностью установлен на посадочной кольцевой поверхности 4 параллельно мембране 2 и соосно с ней. Равномерное упругое прижатие кварцевого пьезозлемента 5

по его периметру к посадочной кольцевой поверхности 4 осуществляется прижимной тарельчатой пружиной 6, жестко соединенной с основанием 3 с помощью четырех стержней 7, верхний конец каждого из которых через отверстие 11 в прижимной тарельчатой пружине 6 приварен к ней, а нижний жестко закреплен в основании 3. Первый электрод 8 соединен со вторым электрическим выводом 10, жестко закрепленным в основании 3, посредством пленоч- ного проводника 12, нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса 1, и гибкого проводника 13. В месте прохождения пленочного проводника 12 по посадочной

кольцевой поверхности 4 кварцевый пьезоэлемент 5 содержит паз 14, ширина которого превышает ширину упомянутого проводника 12. Второй электрод 9 соединен с первым электрическим выводом 10, верхний конец которого проходит через отверстие 15 в прижимной тарельчатой пружине 6, а нижний жестко закреплен в основании 3, посредством гибкого проводника 13. В основании 3 датчика имеется штенгель 16, с помощью которого в случае измерения абсолютных давлений осуществляется вакуу- мирование полости, а в случае измерения избыточных давлений - заполнение полости инертным газом под необходимым давлением,

С целью повышения точности измерений геометрические размеры мембраны 2 выбираются из условия (1). Внутренний радиус посадочной кольцевой поверхности 4 равен радиусу мембраны 2, а наружный для уменьшения температурной погрешности больше радиуса кварцевого пьезоэлемента 5 на величину разности температурного расширения корпуса 1 и кварцевого пьезоэлемента 5 в соответствии с выражением (7), Радиус кварцевого пьезоэлемента 5 для развязки внерабочего толщинмо-сдвигово- го колебания от краевых эффектов в местах установки пьезоэлемента 5 выбирается из выражения (б).

Описанный датчик давления работает следующим образом. При номинальном давлении к электродам 8,9 прикладывается переменное напряжение, частота которого равна частоте колебательной системы, образованной кварцевым пьезоэлементом 5 и емкостью зазора между электродами мембраны 2 и кварцевого пьезоэлемента 5. Измеряемое давление, воздействуя на мембрану 2, вызывает прогиб последней, который с высокой точностью трансформируется в изменение зазора и соответственно в измене- ние емкости между электродами 8 и 9, что, s свою очередь, приводит к уходу частоты колебательной системы от ее номинального значения, который регистрируется, например, с помощью частотомера.

Предложенное устройство обладает целым рядом преимуществ перед прототипом. Прежде всего, в нем уменьшена основная погрешность датчика за счет снижения гистерезиса путем выполнения мембраны 2 за одно целое с корпусом 1 из кварцевого стекла, а также за счет снижения погрешности установки зазора между мембраной 2 и кварцевым пьезоэлементом 5 путем равномерного упругого прижатия последнего к посадочной кольцевой поверхности 4 прижимной тарельчатой пружиной 6. Значительно уменьшена и дополнительная температурная погрешность датчика давлений, бо-первЫх, за счет выполнения корпуса 1, мембраны 2 и основания 3 из кварцевого стекла, имеющего намного меньший температурный коэффициент линейного расширения по сравнению с кремнием, во-вторых, за счет выбора наружного радиуса посадочной кольцевой поверхности 4 большим радиуса кварцевого пьезозлемента 5 на величину разности температурного расширения корпуса 1 и кварцевого пьезоэлемента 5 из выражения (7), в-третьих, за счет установки кварцевого пьезоэлемента 5 на посадочную кольцевую поверхность 4 равномерным упругим прижатием его прижимной тарельчатой пружиной 6 без использования клеевого соединения, толщина которого в диапазоне рабочих температур, а также со временем будет

0 изменяться, и, в-четвертых, за счет достижения максимальной чувствительности датчика при сохранении высокой точности измерений путем выбора геометрических размеров мембраны из условия (1). Эти пре5 имущества позволяют повысить точность измерений в рассматриваемом устройстве по сравнению с прототипом более чем на порядок.

Помимо технических преимуществ, за0 являемое устройство характеризуется повы- шенным качеством измерений, что обусловлено высокой точностью результатов измерений, а также правильным выбором геометрических размеров мембраны 2

5 из условия (1) в зависимости от диапазона измеряемых давлений и нестабильности частоты кварцевого .пьезоэлемента 5. Кроме этого, в предлагаемом датчике давления упрощена его сборка по сравнению с прототи0 пом, где из-за установки кварцевого пьезоэлемента на выступах с помощью клея практически невозможно обеспечить высокую параллельность мембраны и кварцевого пьезоэлемента и точность задания

5 начального зазора между ними.

.Формула изобретения Датчик давления, содержащий первые и вторые электроды и выводы соответственно и неметаллический цилиндрический корпус, с

0 одного торца которого размещена мембрана, а с другого - основание, в котором расположен плоский дисковый кварцевый пьезрэле- м ент, установленный на посадочной поверхности выступа, выполненного на внут5 ренней поверхности корпуса с зазором относительно мембраны, на которой расположен первый электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен тарельчатой пружиной, двумя гибкими про0 водниками м одним пленочным, при этом мембрана с корпусом выполнены за одно целое, а основание соединено с корпусом сваркой, дисковый кварцевый пьезоэлемент закреплен на кольцевом выступе со стороны,

5 обращенной к мембране с зазором относительно нее, внутренний радиус кольцевого выступа равен радиусу мембраны, пьезоэлемент установлен относительно внутренней цилиндрической поверхности корпуса с зазором, выводы выполнены в виде стерж

ней, края тарельчатой пружины контактируют с поверхностью пьезоэлемента, обращенной к основанию, а ее дно закреплено на стойках, вмонтированных в основание, электроды выполнены круглыми, первый электрод нанесен на центральную часть мембраны на поверхность, обращенную к пьезоэлементу, а второй нанесен на поверхность пьезоэлемёнта, обращенную к дну тарельчатой пружины, выводы вмонтированы в основание, а их концы расположены по обе стороны от него, при этом конец перво- то вывода размещен в отверстии, выполненном в дне тарельчатой пружины, первый . электрод Связан с вторы вьгв6д6м..пленМ-ным проводником, нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса, иги&ким выводом, второй электрод связан с первым гибким проводникам, вг1ьёзоэле(и|е;нте ита- рёльчатой пружине напротив плёночного проводника выполнен радйальный-паз,; Шй- рина которого больше шириныпленочного проводника, а корпуе, мембрана и бснова- ние выполнены из кварцевогостекла, при

0

5 ; 0 ;

чем отношение радиуса мембраны RM к ее толщине hM определено из условия

Ki(F/Рмакс)13 : RM//KM К2(1/Рмакс)П,

гдеК1 11,8(0,5тЦ-01/3:

1(,7 (1 /Кпр)1/, /2 При Рмакс ЈРгр

ИЛИч/л

,2(1/2 Кх) , /4 при Рмакс Ргр, ,065 Кх/Кпр2- граничноедавление,

мпа;..:. : - :.-. : . - - --.. .

Рмакс максимальное, измеряемое давление, МПа; „.. :

S ; Кх НмУхмаке - коэффици ент запаса по максимальному ходу мембраны Хмакъ .

Ш. Кпр-коэффициент запаса по прочности мембраны, ,5-3,0;. fp, F - рабочая 4acT6ta. кварцееого зозлемен.при минимальном давлений, равном давлению во внутренней полости датчик, и величина ее изменения при боз- действми Рмакс срответствеийр; ; ; hi - емкостное отношение кеарцевого

1ййз е1 И(.:,;; : ; . :.., ; :: . -: 1- -- - :г

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления, и может быть использовано для измерения абсолютного и избыточного давлений. Цель изобретения - повышение точности измерений. Сущность изобретения: датчик давления состоит из выполненных из кварцевого стекла цилиндрического корпуса, мембраны, изготовленной за одно целое с корпусом,и основания, сваренного с корпусом. В корпусе датчика выполнена посадочная кольцевая поверхность, а в полости датчика размещен пьезоэлемент (КПЗ) AT- среза, прижимная тарельчатая пружина, жестко связанная с основанием с помощью четырех стержней, два круглых пленочных электрода, первый из которых нанесен в центре мембраны, а второй - в центре КПЗ на поверхности, противоположной мембране, а также первый и второй электрические выводы, жестко закрепленные в основании. Кварцевый пьезоэлемент установлен параллельно мембране и соосно с ней путем его равномерного упругого прижатия по периметру с помощью пружины. Первый электрод соединен со вторым электрическим выводом посредством пленочного проводника, нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса, причем в месте прохождения пленочного проводника по посадочной поверхности КПЗ содержит паз, ширина которого превышает ширину упомянутого проводника. Второй электрод 9 соединен с первым электрическим выводом, проходящим через отверстие в пружине, гибким проводником. Внутренний радиус посадочной поверхности равен радиусу мембраны, а наружный - больше радиуса КПЗ на величину разности температурного расширения корпуса и КПЗ. Отношение радиуса мембраны к ее толщине выбрано из условия, обеспечивающего минимальную основную и дополнительную погрешности датчика. 3 ил. (Л С со ю

Фиг. I