Пьезорезонансный датчик давления

(19) (111 1 1 11/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ П(НТ СССР К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1(56) Авторское свидетельство СССР1326921, кл. С 01 1. 11/00, 1985. (54) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения температуры и повысить точность измерения. Датчик 78539 А 1 снабжен вторым дисковым плосковыпуклым кварцевьи, элементом 4 с углом среза и резонанснои частотой, отличающимися от угла среза и резонанснойчастоты первого дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2, и второймембраной 8. При этом зазоры между .плоскими поверхностями элементов 2,4 и соответствующими поверхностямижестких центров прилегающих мембран6, 8 и толщины мембран 6, 8 удовлетворяют определенному соотношению.Работа датчика основана на измерениирезонансных частот элементов 2, 4, которые изменяются под действием давления и температуры. 1 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованодля измерения абсолютных и относительных давлений в замкнутых. объемах итемпературы среды внутри этих объемов.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей датчика засчет обеспечения измерения температу(ры и повьппения точности измерения.На чертеже изображен предлагаемыйдатчик, общий вид.Датчик содержит корпус 1, первыйдисковый плосковыпуклый элемент 2 снапыленным в центре вьпгуклой поверхно сти электродом 2, второй дисковыйплосковыпуклый кварцевый элемент 4 снапыленным в центре электродом 5,первую мембрану 6 с жестким центром7, вторую мембрану 8 с жестким центром 9, гермоввод 1 О и центрирующиекольца 1,Корпус 1 служит для размещения внем дисковых плосковыпуклых кварцевыхэлементов 2 и 4, причем их плоские 25поверхности параллельны соответственно плоскостям жестких центров 7 и 9мембран 6 и 8 и обращены к ним и отстоят от плоскостей жестких центров7 и 9 соответственно на расстоянии. "тКроме того, в корпусе 1 установлены центрирующие кольца 11, служащие,цля центровки жестких центров7 и 9 мембран 6 и 8 относительноцентров дисковых плосковыпуклыхкварцевых элементов 2 и 4 во времясборки датчика и приварки мембран6 и 8 к торцу корпуса 1,ГермовводыО служат для обеспечения электрической связи. генераторов(не показаны) с напыленными в центрахвыпуклойповерхности дисковых плосковьп 1 уклых кварцевых элементов 2 и 4электродов 3 и 5 без наругпения герметичности внутреннего объема корпусаМембраны 6 и 8 служат для преобразования внешнего давления в перемещение жестких центров 7 и 9 относительно плоских поверхностей дисковыхплосковыпуклых кварцевьгх элементов2 и 4.Датчик работает следующим образом.Мембраны 6 и 8 в зависимости отдавления внешней среды прогибаются55в сторону днсковых плосковыпуклыхкварцевых элементов, что приводит кизменению расстояний 11 п, и 11 междуповерхностями жестких центров 7 и 9и плоскими поверхностями дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов 2 и 4, а следовательно, к изменению величины емкостных связей С ,и С между ними.Резонансные частоты Гп, и Гп при управлении последовательно .соединенными с кварцевыми элементами 2 и 4 емкостями Сх 1 и С, определяют по Формулам- + " г оСо,+ С;(2 дей и- начальные резонансные частоты без подключени последовательных емкостей кварцевых элементов 2 и 4 и при температуре, принятой за начальное значение (например, при 273 К); С - статические и динамические емкости кварЦевыхэлементов 2 и 4 соответственно,енение резонансных частот обусловленное влиянием темпеопределяют ноФормулам И ра гурь"о)температурные коэффип 1 енты первого и второго кварцевых элементов соответствено 1 Р( С ,Сп но,(например, 273 К);С- текущее значение температуры.Таким образом, при возбуждении генераторами систем, образованных дисковыми плосковыпукльми 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:ЕоЯ Бгхгог На практике (для удовлетворениятребовании по точности и технологичности) наиболее интересны два случая:случай, когда ЕХ г (например,5000. кГц и 5020 кГц) ттрн различныхК,и Ктг, и случай, когда Ктт:К,.г,а значения частот Е, к Г различаются существенно, что к обеспечиваетизменение Г 1 - Гг в зависимости оттемпературы.Определим, каким требованиям должна удовлетворять конструкция датчикдля обеспечения равенства Г, - тг == сопв 1 при постоянной температуреЗначения Г и Гг определяютсявыражениямии (2),С к 1Учитывая, что с 0,01 кС От С к 1-- (0,01, можно записатьСот+ Схг Ро20 Я т.8 ких центров; Уч З 0 го да"еия еттиД цав тте -равенство я к усло 2 С кт о, , +1 С +С+2 Скг гот хг(9) если из и тг,5Г= Г(Г, СС, К е С.,), где Тх, Си Схг - величины переменные.Величины Ск Сг характеризуют внешнее давление.При изменении давления при постоянной температуре будет выполняться равенство Тогда изменение разности частот будет эависить только от температуры и определяться выражением(5) 2 Сктттг г гС + Сх Используя (б) к (7), изменения частот ДГ и ДГ ., обусловленные введением емкостных связей, можно определить кз выражений2 С.,Дй,- ГС ,+С необходимо, чтобы Л Г т = б Е г, или,учитывая (8) и (9), имеем: 10 Преобразуя выражение (1 О) , падутим: 15 ТогдаЕоЕ -,Хтот электртгческая постояиная;относительная диэлектрическая проницаемость среды;площади поверхностей жестрасстояния От поьерхностижестких центров до плоскихповерхностей кварцевых эле-.ментов. итыв а я, ч то цл я на куумиров а ннот-тика Е= 1 к подставляя знаСх; и С хг в ( ), ттолучкм:(1,т С О 1 + Ео 81)1 тог76, гС,; + Р ттг) "если для - .т;,бых знач тткй будет удовт.етворяться (12), то будет выполнятьс вие Величина прогиба о мембрань. с жестким центром Определяется зависимостьюфЯ (13) козбсЬицкент., зависящий откоэИпцкента 1 туассона материала мембраы к от соотношения радиуса мембоапы к радиуса жесткого центра Белттчкна цтавленкярадиус, ьте;брань,модуль упругости материаламембвзны,3акГ.т=1 т=1,-Г,то(12) определить знаттейкяв случа е о тсу тс такя давления, 157853955 Определение величины давления внешней среды по значению резонансных и учесть, что при максимально допустимом давлении, жесткие центры мембран должны касаться поверхностейкварцевых элементов, следовательно,Ь, и Иявляются величинами проги 5ба мембрай.Используя (13) и считая, что мембраны выполнены из одного материала иравны, получим соотношения, которымдолжны удовлетворять толщины мембранэ)1 оТаким образом, если датчик. давления имеет мембраны, выполненные из од 15ного материала, одинаковые по Форме иудовлетворяющие требованиям выражений (12 ) и (14), в любом диапазонедавлений будет соблюдаться условиеКо- Г " сопэй (при неизменной температуре).При изменении температуры будетизменяться значение разности всоответствии с выражением (5), что позволит определить температуру, при,которой ведется измерение.,Зная значение температуры и используя выражения (3) и (4), можноучесть изменение резонансной частоты,вызванное температурой, что позволитболей точно определить значение измеряемого давления.Упругие мембраны 6 и 8 в зависимости о 1 давления внешней среды про-гибаются в сторону дисковых плоско-. 35выпуклых кварцевых элементов 2 и 4,.что приводит к изменению емкостнойсвязи между поверхностями дисковыхплосковыпуклых кварцевых элементов 2и 4 и жестких центров 7 и 9 упругих 40мембран б и 8, т.е. к изменению ем"костей С х, и С д, что согласно выражениям (1) и (2), приводит к изменениюрезонансной частоты колебаний.Так как мембраны датчика выполнены из одинакового материала, имеютодинаковую Форму и удовлетворяют соотношениям (12) и (14), то в любомдиапазоне давлений внешней среды величины изменения резонансной частоты 50одинаковы для обеих систем и поэтомузначения разности Е о- Г О неизменяется. Изменение значения частотГо, и Гхарактеризует изменениедавления 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 значений Г, Г, К , и Квеличины изменений резонансных частот Г, и Е различны.Это приводит к изменению разности частот Г , - Го, что и характеризует изменение температуры.Определив по величине Г, - Е значение температуры, легко опреде" лить начальное значение частот Г и Ги скорректировать сдвиг градуировочных характеристик датчика.Так как значения величин К т, и К . в диапазоне температур +50 С не прео вышает 5 10 , то изменение крутизны-Ххарактеристики датчика, определяемое значениями Г, и Г , не более 0,17.Таким образом, в предлагаемом датР 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 уче- . том полученного значения температуры.Формула и э о б р е т е н и яПьезорезонансный 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, о т л и ч а ю щ ий с я 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 АТ-среза с углом среза, отличающимся на 1-бО, и резонансной час-, тотой, отличающейся на 0,2-507 от указанных параметров первого диско1 О 1 5) 8539 где С, С Г, , С С к(Ьо,Со,+ Яо Б)Ьо ЕСк 5 5: ой стоянн Составитель Н. Матрохина Техред М.Ходаничор А. Ревин ректор М.Самборская Подписноем и открытиям п наб., д. ч/5 КНТ ССС Гагарина,1 вого плосковыпуклого кварцевого элемента, и второй мембраной с жестким центром, выпочненной из электропро" водного материала и установленной с5 зазором относительно второго дискового кварцевого элемента, причем зазоры Ь и Ьмежду плоскими поверхностями первого и второго дисковых плосковыпуклых кварцевых элементов и 10 соответствующими поверхностями жестких центров мембран выбраны из соотно- шения а толщины Ь и Ь мембран удовлетряют соотношению Заказ 1909 Тираж чб 3ВНИИПИ Государственного комитета по изобретен113035, Москва, Ж, Раушска роизводственно-издательский комбинат Патент", г.ужгород соответственно статические емкости,резонансные частоты,динамические емкостипервого и второгодисковых плосковыпуклых кварцевыхэлементов,площади поверхностейпервого и второгожестких центров мембран, образующих емкостную связь с поверхностью плосковыпуклого кварцевогоэлемента,электрическая по