Датчик давления

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСК ЕСПУБЛИК(19 51)5 О 01 1. 9/08 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Харьковский авиационный институт им. Н. Е, Жуковского(57) 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 (КПЭ) АТ- . среза, прижимная тарельчатая пружина, жеИзобретение относится к контрольноизмерительной 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, содержастко связанная с основанием с помощью четырех стержней, два круглых пленочных электрода, первый из которых нанесен в центре мембраны, а второй - в центре КПЭ 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 повеохности КПЭ 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 КПЭ на величину разности температурного расширения СО корпуса и КПЭ. Отношение радиуса мембра- ф ны к ее толщине выбрано из условия, обеспечивающего минимальную основную и Д, дополнительную погрешности датчика. 3 ил. уОО щем 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: на- четырех стоек, упруго соединяющих кварцеружный радиус посадочной кольцевой по- вый пьезозлементсоснованием,позволяет верхности больше радиуса кварцевого получить положительный эффект, заключапьезоэлемента на величину разности темпе- ющийся в повышении точности измерений.ратурного расширения корпуса и кварцево Достижение положительного эффекта стало го пьезоэлемента, а внутренний равен возможным по нескольким причинам. Ворадиусу мембраны, поверхность кварцево- первых, равномерное упругое прижатие по го пьезоэлемента, противоположная поса- периметру плоского кварцевого пьезоэледочной, упруго соединена по своему мента кпосадочной кольцевой поверхности периметру с основанием посредством при-, ".0 с помощью прижимйой тарельчатой пружижимной тарельчатой пружины и жестко сое- ны и четырех стоек, приваренных к пружине диненных с ней четырех стоек, .первый и жестко закрепленных в основании, обескруглый электрод связан с помощью пле- печивает по сравнению с клеевым соединеночного проводника, нанесенного на вну 1- нием высокую параллельность плоской .реннюю поверхность корпуса; с первым 15 мембраны и кварцевого пьезоэлемента, а электрическим выводом, закрепленным в также высокую точность установки необхо-основании; причем в месте прохождения димого начального зазора между мемб ам рапленочного проводника по посадочной ной икварцевым пьезоэлементом, Так, при кольцевой поверхности кварцевый пьезоэ- соответствующей обработке посадочной лемент содержит радйальный паз,ширина 20 кольцевой поверхности и поверхностей которого превышает ширину упомянутого кварцевого пьзоэлемента путем их шлифовпроводника; второй электрод нанесен на киспоследующейполировкойпогрешность поверхность пъезоэлвмента, соединен со. установления зазора составляет около 1 вторым электрическиМ выводом; также за-.мкм. При этом в процессе работы датчика . крепленным воснованиии проходящим че поддейстеием различных влияющих факто.рез отверстие в прижимной тарельчатой- ров, вчастноститемпературы; величина зйпружине;гибкимпроводйиком,коРпусииз-зора практически не изменяется, так как : готавленная с ним за одно целое мембрана, температурный коэффициент линейногоа также основание, сваренное с корпусом, : расширения кварцевого стекла на порядок выполнены из кварцевого стекла, причем З 0 меньше, чем у кремнйя, и составляет 0,4 х отношение радиусг мембраны Ям к ее тол О /С. При использовании же в качестве щине пм определено из условияматериала для мембраны, корпуса и основа 1 Н гпэх) . - Ймйм- К 2(1/Рвах), (1) . - Ния кварцевого. стекла, легированного двугде коэффициенты ..окисьютитана, температурныйК 1 щ 1118(0,5 во-Р):. (2) З 5 .коэффициент линейного.аасширения удаетК 2=12,7(1/Кпр), п=1/2 при Рвах- Ргр ся понизить до 0,04 10/С. Кроме этого,или (3)( ) - .: .; . выбором радиуса, кварцевого пьезоэлеменК 2-25,2(1/Кх),.п/4 при РвахРгр (4) " та йпэ в два разабольшим, чем в обычных Ргр,0%Кх/К пр - (5) кварцевых резонаторах, из выраженияграничное давление в МПа;: .: . 440 йпэ=60 йпэ.(6)Рпэх - максимальное измеряемое дав- . где ппэ -толщина кварцевого пьезоэлемента,ление в МПа;: .: . полностью исквочается влияние ортогональКх=ЧЪ/хпщ - коэффициент Запаса пО мак- нЫх повеРхности кваРцевого пьезоэлементасимальному ходу мембраны хгээх(Кх 2,10);: механических найряжений, возникающих вКпр- КОзффИцИЕНт ЗаПаСа ПО ПрОЧНОСтй 45 ПОСЛЕДНЕМ В тОЧКаХ ЕГО ПрИжатИя К ПОСадОЧ- : мембраны (Кпр=1,5,.;3); .: ной кольцевой поверхности, на рабочую час 1, Р - рабочая частота кварцевогопье-; тоту толщиннО-сдвиговых колебанийзоэлемента при минимальном давлений, кварцевого пьезоэлемента, локализованных равном давлению во внутренней полости . в подэлектродной области, т,е, обеспечивает- датчика, и величина ее изменения при воз ся акустическая развязка краев кварцевого действия Рпэх соответственно; пьезоэлемента.а - емкостное отношение кварцевого, Во-вторых, выбор наружного радиуса посадочной кольцевой поверхности, равного внут.Предложенная в заявляемом устройст- реннему радиусу корпуса В х, большим, чемве установка кварцевого пьезоэлемента на 55 радиус кварцевого пьезоэлемента, на величину посадочную кольцевую поверхность высту- разноститемпературного расширения корп сак пусапа с соответствующим выбором размеров и кварцевого пьезоэлемента из условия ПОСЛЕдНЕй И С ПОМОЩЬЮДОПОЛНИТЕЛЬНО ВВЕ Й К=йпэ(1+ СТ 1(ТвЭх То) Й ИХ т 2(Тщэх денных прижимной тарельчатой пружины и То, (7)где ат 1, О т 2 - температурные коэффициенты линейного расширения кварцевого пьезоэлемента и корпуса соответственно; То, Твоих - номинальная и максимальная температуры соответственно; Я- 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 посадочной поверхности кварцевого пьезоэлемента) вместо их клеевого соединения 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 необходимым значением основной погрешности датчика давления, задаваемой соответствующим выбором коэффициентов запаса по прочности Кпр и по максимальному ходу мембраны Кпричем в зависимости от соотношения максймального измеряемого давления Рвах 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 Кпр=1,5.3/5, с, 23/, Кх=210/5, с.141/. Снизу величина отношения йм/пм 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 Рвх, нестабильностью рабочей частоты кварцевого пьезоэлемента пад действием влияющих факторов, коэффициентов Кпр и Кх из условия(1), можно определить наиболее рациональную величину отноше с первым электрическим выводам 10, верх 55 ний конец которого проходит через отверстие 15 в прижимной тарельчатай пружине 6, а нижний жестко закреплен в основании3, посредством гибкого проводнлка 13. В основании 3 датчика имеется штенгель 16, с помощью которого в случае измерения аб 5 10 15 20 2530 3550 ния Й/, 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 действия 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 нел, Равномерное упругое прижатие кварцевого пьезоэлемента 5 по его периметру к посадочной кольцевой поверхности 4 осуществляется прижимнойтарельчатой 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 пленочного проводника 12, нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса 1, и гибкого проводника 13. В месте прохожденияпленочного проводника 12 по посадочнойкольцевой поверхности 4 кварцевый пьезоэлемент 5 содержит паз 14, ширина которого превышает ширину упомянутого проводника 12, Второй электрод 9 соединен5 10 15 выражения (6) 20 30 салатных давлений осуществляется вакуумирование 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 его рабочего толщинно-сдвигового колебания от краевых эффектов в местах установки пьезоэлемента 5 выбирается из 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 изменение емкости между электродами 8 и 9, что, в 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 давления, во-первых, за счет выполнения корпуса 1, мембраны 2 и основания 3 из кварцевого стекла, имеющего намного меньший температуоный коэФФициент линейного расширения по сравнению с кремнием, во-вторых, за счет выбора наружного радиуса посадочной кольцевой поверхности 4 большим радиуса кварцевого пьезоэлемента 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 изменяться, и, в-четвертых, за счет достикения максимальной чувствительности датчика при сохранении высокой точности измерений путем выбора геометрических размеров мембраны из условия (1). Эти преимущества позволяют повысить точность измерений в рассматриваемом устройстве по сравнению с прототипом более чем на порядок.Помимо технических преимуществ, заявляемое устройство характеризуется повышенным качеством измерений, что обусловлено высокой точностью результатов измерений, а также правильным выбором геометрических размеров мембраны 2 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 прототипом, где из-за установки кварцевого пьезоэлемента на выступах с помощью клея практически невозможно обеспечить высокую параллельность мембраны и кварцевого пьезоэлемента и точность задания начального зазора между ними.Формула изобретения Датчик давления, содержащий первые и вторые электроды и выводы соответственно и неметаллический цилиндрический корпус, с одного торца которого размещена мембрана, а с другого - основание, в котором расположен плоский дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на посадочной поверхности выступа, выполненного на внутренней поверхности корпуса с зазором относительно мембраны, на которой расположен первый электрод, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен тарельчатой пружиной, двумя гибкими проводниками и 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, 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.9ней, края тарельчатой пружины контактиру- чем отношение радиуса мембраны Вм к ее ют с поверхностью пьезоэлемента, обра-. толщине пм определено из условия щенной к основанию, а ее дно закрепленона стойках, вмонтированных в основание, . К 1(Е/Рмакс)Вм//мК 2(1/Рмакс), электроды выполнены круглыми, первый 5 где К 1=11,8(0,5 а 1 о-Е)з. - электрод нанесен на центральную часть К=12,7(1/Кпр), п=1/2 при Рмакс Ргр1 й мембраны на поверхность, обращенную к илипьезоэлементу, а второй нанесен на повер-. КО=25,2 (1/2 Кх), п=1/4 при РмаксРгр,1/4 хность пьезоэлемента, обращенную к дну Рр=0,065 Кк/Кпр -граничноедавление,2 тарельчатой пружийц, выводы вмонтирова МПа;ны в основание, а их концырасположены по . - Рмас - максимальное. измеряемое давобе стороны от него, при этом конец перво- .ление, МПа;го вывода размещен в отверстии, выполнен-, Кх=Ьм/хмс - коэффициент запаса по ном в дне тарельчатой пружины, .первый максимальному ходумембраны Хмакс, Кх- электрод связай с вторым"выводом йпеноч 10;нымпроводником,нанесеннымна внутрен- .: Кпр-коэффициентзапасапойрочностй нюю поверхность корпуса, и гибким мембраны, Кр=1,5 - 3;0; выводом, второй электрод связан с первым:.:., Ь, Е - рабочая частота. кварцевого пье-гибким проводником, в пьезоэлементе и та- заэлемента при: минимальном давлении,репьчатой пружине найротив пленочного 20 равном давлению во внутренней полостипроводника. выполнен радиальный паз, ши- . датчика, и величйна ее измейения при возрина. которого больше ширины пленочного . действии Рмакс; соответствейно; проводника, а корпус, мембрана и основа- ;: Ы- емкостное отношение кварцевого " ние выполнены из кварцевого Стекла, при-: .-"пьезоэлементад1812458 оставитель О.Полевехред М.Моргентал Ко тор Н. Ревска дак Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина,Заказ 1571 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5