Датчик давления
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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 9/08
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4939335! 10, (22) 27.05,91 (46) 30.04,93, Бюл, N. 16 (71) Харьковский авиационный институт им.
Н. Е. Жуковского (72) Ф. Ф. Колпаков, И. А. Рак, О. Е. Руднев и С. В. Хутарненко (56) Пьезо- и акустоэлектронные устройства.
Омск, ОмПИ, 1981, с. l02 — 105.
Авторское свидетельство СССР
N 1326291, кл. G 01 (11/00, 1984.
Авторское свидетельство СССР
N. 1425488, кл. 6 011 9/08, 1986. (54) ДАТ Ч И К ДА ВЛ Е Н И Я
{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) AT- . 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, содержа„„БАЛ„„1812458 Аl стко 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 п ро водником. В нутрен н ий радиус посадочной поверхности равен радиусу мембраны, а наружный — больше радиуса КПЭ на величину разности температурного расширения СО корпуса и КПЭ. Отношение радиуса мембраны к ее толщине выбрано из условия, обес- с " печивающего минимальную основную и ф, дополнительную погрешности датчика. 3 ил. у 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 мембра1812458 ны, 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- 5 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 внут- 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 мембрапленочного проводника по посадочной ной и кварцевым пьезоэлементом, Так, при кольцевой поверхности кварцевый пьезоэ- соответствующей обработке посадочной лемент содержит радиальный паз,ширина 20 кольцевой поверхности и поверхностей которого превышает ширину упомянутогб 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 восновании и проходящим че- 25 под действием различных влияющих факто.рез отверстие в прижимной тарельчатой- ров, вчастноститемпературы; величина запружине;гибкимпроводйиком,корпус ииз- .. зара практически не изменяется, так как
: готавленная с ним за одно целое мембрана, температурный коэффициент линейного а также основание. сваренное с корпусом, : расширения кварцевого стекла на порядок выполнены из кварцевого стекла, причем 0 меньше, чем у кремнйя, и составляет 0,4х отношение радиусВ мембраны Яи к ее тол- .1О / С. При использовании же в качестве щине h определено из условия:: . материала для мембраны, корпуса и основа@=/Фаз») ЙмВм Щ/Рва»), (1) . ния кварцевого стекла, легированного двугде коэффициенты . :: . окисью .. титана, температурный
К111,8(0,5в4 -F)1:. (2) З5 .коэффициент линейного.расширения удает1/3
К =12,7(1/Кдр), п=1/2 при Pm Ргр ся понизить до 0,04 10 / С. Кроме этого, или(3) . -: - -... —...; .: выбором радиуса. кварцевого пьезоэлеменК -25,2(1/К»)"-,.и-1/4 при I m »<Ргр (4):. та йпэ в два раза большим, чем в обычных
I p-0,0%К»/К лр -.. (5) кварцевых резонаторах, из выражения граничное давление в МПа; ..: . 40 Räð=60hä, ; .:: (6) .Р » - максимальное йзмеряемое дав- . где hns- толщина кварцевого пьезоэлемента, ление в МПа;:: . :...: полностью исключается влияниеортогональК»= hv/xmax — коэффициент запаса по мак- ных поверхности кварцевого пьезоэлемента симальному ходу мембраны xm »(K»=2 IO); механических напряжений, возникающих в
К р- коэффициент запаса по прочности 45 последнем в точках ere прижатия к посадоч: мембраны (Knp=1,5..;3); .:: ной кольцевой поверхности, на рабочую часf, F — рабочая частота кварцевого пье-; тоту толщинно-сдвиговых колебаний зоэлемента при минимальном давлении, кварцевого пьезоэлемента, локализованных равном давлению во внутренней полости . в подэлектродной области, т.е. обеспечиваетдатчика, и величина ее изменения при воз- 50 ся акустическая развязка. краев кварцевого действия Pm » соответственно; пьезоэлемента. а — емкостное отношение кварцевого, Во-вторых, выбор наружного. радиуса посапьезоэлемента. дочной кольцевой поверхности, равного внут- - .Предложенная в заявляемом устройст- реннему радиусу корпуса R <, большим, чем ве установка кварцевого пьезоэлемента на 55 радиус кварцевого пьезоэлемента, на величину посадочную кольцевую поверхность высту- разноститемпературного расширения корпуса па с соответствующим выбором размеров и кварцевого пьезоэлемента из условия последней и с помощьюдополнительно sac- R к=йдэ(1+ ют)(Тщд» To) R" pa т (Тщд» денных прижимной тарельчатой пружины и То)), (7) 1812458 где ат1, а 12 — температурные коэффициенты линейного расширения кварцевого пьезоэлемента и корпуса соответственно; Т, Tmax — номинальная и максимальная температуры соответственно; R k — наружный pa1t диус 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 К„причем в зависимости от соотношения максймального измеряемого давления Pmax и граничного давления Р,р более жестким является условие по прочности (3) либо по максимальному ходу мембраны (4). Рекомендуемые для прецизионных измерений значения коэффициентов Кпр, Кх составляют Knp=1,5...3/5, с. 23/, Кх=2...10/5, C.
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 Рп х, нестабильностью рабочей частоты кварцевого пьезоэлемента пад действием влияющих факторов, коэффициентов
К р и Кх из условия (1), можно определить наиболее рациональную величину отноше5
50 ния RM/hM, 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 AT-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 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 пленочного 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 выводам 10, верх55 ний конец которого проходит через отверстие 15 в прижимной тарельчатай пружине
6, а нижний жестко закреплен в основании
3, посредством гибкого проводнлка 13. В основании 3 датчика имеется штенгель 16, с помощью которого в случае измерения аб1812458
15 выражения (6}
30 солютных 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 температурный 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 дости>кения максимальной чувствительности датчи- . ка 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, отличающийся 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 стерж10
1812458 .9 ней, края тарельчатой пружины контактиру- чем отношение радиуса мембраны RM к ее ют с поверхностью пьезоэлемента, обра- толщине hM определено из условия щенной к основанию, а ее дно закреплено /з 1» на стойках вмонтированных в основание, . K1(F/PMBKc) RM//hv Кз(1/Рмакс), t гз. электроды выполнены круглыми, первый 5 где К =11,8(0,5m -F) ; электрод нанесен на центральную часть . К =12,7(1lK»p), n=1/2 при Р ахс Р р
1/2 мембраны на поверхность, обращенную к или пьезоэлементу, а второй нанесен на повер-. Q=25,2 (1/2 Кх), й=1/4 при Pva c " ние выполнены из кварцевого Стекла, при-: .-"пьезоэлемента. Фиг. 1812458 Фиг. 2 Фиг. 3 Составитель О.Полев Техред М.Моргентал КорректорН.Ревская Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 Заказ 1571 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
