ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения как постоянного давления, так и динамического давления при быстро протекающих переходных процессах. В частности, оно может быть использовано для определения давления при гомогенизации различных жидких продуктов в биотехнологии, пищевой, фармацевтической и химической промышленности, например, для измерения давления при приготовлении высокодисперсных эмульсий медико-биологического назначения (жировые эмульсии для парентерального питания, искусственные кровезаменители на основе перфторорганических соединений, лекарственные липосомальные суспензии и т.п.), а также в научно-исследовательской практике при исследовании гидродинамических процессов.
Пьезоэлектрические датчики находят широкое применение для измерения быстроменяющихся (динамических) давлений в диапазоне от 0,01 до 10 МПа и частотном диапазоне от единиц герц до десятков килогерц. Измеряемым динамическим давлениям, как правило, сопутствуют относительно высокие уровни (до 60 МПа) квазистатических давлений [1].
Существуют две основные разновидности конструкций, которые различаются по используемому пьезоэффекту - продольному или поперечному. В обеих разновидностях съем зарядов осуществляется с одной стороны через корпус датчика и с другой стороны через специальный токосъемник. Пьезоэлемент или несколько пьезоэлементов поджаты к мембране и друг к другу с помощью прижимного элемента (гайки). Чувствительность конструкции с продольным пьезоэффектом определяся по формуле:
где q - заряд на обкладках пьезоэлемента;
Р - амплитуда приложенного динамического давления;
33
d - пьезоэлектрический модуль;
эф
s - эффективная площадь мембраны;
м
r - радиус мембраны;
п
r - радиус прокладки.
Существенным требованием к конструкции пьезоэлектрического датчика давления является высокая прочность. При проектировании датчика стремятся получить максимально простую конструкцию, обеспечивающую высокую частоту собственных колебаний, линейную функцию преобразования и достаточную чувствительность; при этом элементы передачи давления - мембрана, прокладки, токосъемники - должны иметь как можно меньшую массу и (за исключением мембраны) как можно большую жесткость.
Основные требования к материалам корпуса и мембраны - высокая прочность и стойкость к коррозии. Для изготовления корпусов и мембран в настоящее время с успехом применяют нержавеющие стали марок Х18Н9Т, 36НХТЮ и др.
На датчики динамических давлений, как правило, воздействуют весьма мощные вибрационные нагрузки. Для увеличения вибропрочности механических соединений элементов датчика все резьбовые соединения перед сборкой покрывают клеем (эпоксидным компаундом). Таким же клеем заполняют внутренние полости датчика, чем обеспечивается вибропрочность монтажных электрических соединений, а также герметичность датчика со стороны разъема (кабельной перемычки). Резонансные свойства пьезоэлектрических датчиков определяются характеристиками всей конструкции датчика в целом.
д
н
Исходными данными для проектирования являются заданные чувствительность, максимальная амплитуда динамического давления, максимальное значение квазистатического давления, температурный и частотный диапазоны, параметры входной цепи электронно-преобразующей аппаратуры (С, С), метрологические характеристики и условия эксплуатации.
В общем виде функция преобразования датчика имеет вид:
33
где d - пьезоэлектрический модуль;
ΔР - амплитуда динамического давления;
эф
s - эффективная площадь мембраны;
д
С - емкость датчика;
н
С - нагрузочная емкость (на входе электронно-преобразующей аппаратуры).
Датчики динамических давлений устанавливают на объекте измерения, как правило, с помощью резьбового соединения. Выбор и прочностные расчеты несущих элементов конструкции датчика (резьбы корпуса, резьбы поджимающей гайки) следует проводить, ориентируясь на нагрузку, равную сумме максимального значения квазистатического давления и максимальной амплитуды динамического давления.
Для сохранения постоянства чувствительности датчика во всем диапазоне статических давлений (обеспечения линейности в статике) собранные датчики подвергают статическому обдавливанию, в результате которого мембрана, претерпевая пластические деформации, плотно прилегает к верхней прокладке столбика с пьезоэлементами.
Известен целый ряд пьезоэлектрических датчиков давления для гомогенизаторов лабораторного и промышленного назначения.
Известен также датчик давления описанный в [2]. Согласно этому патенту, в полости корпуса датчика расположены измерительный элемент и плоская мембрана, которая имеет центральную, кольцевую и периферическую части. Кольцевая часть мембраны расположена вокруг центральной, а периферическая вокруг кольцевой части мембраны и последняя постоянно прикреплена к корпусу для его уплотнения от измеряемой среды. Мембрана присоединена также к измерительному элементу для передачи к нему измеряемого давления вблизи периферической поверхности измерительного элемента, по которой он присоединен к корпусу, имеющему кольцевую часть, граничащую с центральной частью. Кольцевая часть мембраны в ненагруженном состоянии имеет криволинейную или коническую форму и выступает в полость корпуса, причем до сборки высота этой части больше, чем после сборки, благодаря чему обеспечено предварительное натяжение измерительного элемента.
Недостатками данного датчика давления являются:
- сложность изготовления мембраны;
- малый диапазон измеряемых давлений;
- сложность регулировки датчика.
Известен датчик давления, описание которого приведено в [3]. Датчик состоит из корпуса с мембраной, основания, на котором установлен чувствительный элемент, собранный из отдельных пьезоэлементов, переходной втулки, в резьбовое отверстие которой ввинчивается регулируемый шток. Кроме того, во втулке выполнены радиальные отверстия, сообщающиеся с прорезями на резьбовой поверхности переходной втулки и образующие совместно с полостью единую полость, заполненную фиксирующим составом. Измеряемое давление воздействует на мембрану, усилие с которой через шток и втулку передается на чувствительный элемент. С выхода датчика снимается электрический заряд, пропорциональный измеряемому давлению. Отличительной особенностью описываемого аналога является то, что он снабжен контактирующим с мембраной регулируемым штоком, переходная втулка чувствительного элемента выполнена с резьбовым отверстием, в котором установлен регулируемый шток, причем во втулке выполнены сообщающиеся между собой радикальные отверстия и продольные прорези на ее резьбовой поверхности, которые заполнены фиксирующим материалом.
Недостатками данного датчика давления являются:
- недостаточная чувствительность датчика;
- сложность сборки и регулировки;
- небольшой диапазон измеряемых давлений.
Известен пьезоэлектрический датчик давления описанный в [4]. Датчик содержит корпус, втулку, установленную во внутреннем отверстии корпуса, диски-пьезоэлементы, прокладку, которая размещена между мембраной и нижним диском-пьезоэлементом, электрод, установленный между пьезоэлементами и связанный при помощи проводника с вторичными приборами, и прижимной элемент в виде втулки с наружной резьбой. Мембрана выполнена как единое целое с корпусом. За счет обеспечения перпендикулярности внутренней поверхности мембраны к оси отверстия корпуса обеспечивается фиксированное положение в пространстве (перпендикулярное оси отверстия) верхней поверхности нижнего диска-пьезоэлемента. Втулка, устанавливаемая в корпусе датчика вместе с верхним диском-пьезоэлементом и электродом, в начальный момент базируется по внутренней поверхности отверстия корпуса, а затем под действием усилия со стороны прижимной втулки переходит на базирование по нижней торцовой поверхности электрода. При этом обеспечивается полное прилегание рабочих поверхностей электрода и нижнего диска-пьезоэлемента и минимальное электрическое сопротивление контакта между ними, что способствует получению повышенного выходного сигнала и, следовательно, высокой чувствительности. Динамическое давление действует на мембрану датчика и передается через прокладку на диски-пьезоэлементы. Возникающий при этом электрический заряд снимается с рабочих поверхностей дисков-пьезоэлементов и при помощи электрода по проводнику передается на вторичные приборы. Датчик может работать без усилительной аппаратуры.
Отличительной особенностью данного датчика давления является то, что втулка выполнена в виде цилиндра, диаметр которого равен внутреннему диаметру отверстия d, длиной l≥1,4d, установленного по посадке по внутренней поверхности отверстия корпуса.
Недостатками данного датчика давления являются:
- недостаточный частотный диапазон из-за плотной посадки по внутренней поверхности отверстия корпуса;
- сложность сборки и регулировки;
- небольшой диапазон измеряемых давлений.
Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является датчик давления описанный в [5]. Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения переменных давлений в жидких и газообразных средах с высокой точностью. Воздействие давления исследуемой среды на выпуклую мембрану, выполненную за одно целое с корпусом, передается через цилиндрический силопередающий элемент (подушку) и токосъемы на пьезоэлектрические диски, вследствие чего на них появляются электрические заряды, величина которых зависит от величины давления. Изоляционная втулка предотвращает соприкосновение токосъемов и пьезоэлектрических дисков с корпусом. Кольцо служит для лучшего поджатия элементов датчика винтом. Выполнение торца подушки, обращенного к мембране, в виде части сферы обеспечивает ее плотное прилегание к мембране в области центра без зазора независимо от величины поджатия и величины измеряемого давления, что обеспечивает наилучшие условия передачи усилия от мембраны на диски без дополнительных погрешностей, вызванных неплотностью указанного прилегания.
Отличительной особенностью прототипа является то, что в нем мембрана имеет выпуклую форму, а торец силопередающего элемента, обращенный к мембране, выполнен в виде части сферы.
Недостатками данного датчика давления являются:
- сложность изготовления мембраны;
- небольшой диапазон измеряемых давлений;
- сложность сборки и регулировки датчика.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и оперативность измерения пульсирующего давления при сохранении стерильности гомогенизируемого продукта.
Это достигается тем, что предлагаемый пьезоэлектрический датчик давления содержит корпус с внутренним отверстием и перекрывающую его на торце мембрану, выполненную как единое целое с корпусом, последовательно установленные в отверстии корпуса цилиндрическую силопередающую втулку, пьезоэлементы в виде дисков, токосъемник и прижимной элемент. Перекрывающая мембрана выполнена плосковогнутой с радиусом кривизны вогнутой части 0,5d≤R≤3d, где d - диаметр мембраны. Цилиндрическая силопередающая втулка выполнена со стороны мембраны в виде усеченного конуса, а со стороны пьезоэлементов имеет цилиндрическое углубление с цилиндрическим выступом в центре углубления. Пьезоэлементы (два или более) в виде дисков помещены в токоизолирующую цилиндрическую гильзу, которая размещается в углублении силопередающей втулки так, что один из пьезоэлементов контактирует с выступом в углублении силопередающей втулки, а другой пьезоэлемент контактирует с токосъемником. Прижимной элемент, выполненный, например, в виде специальной гайки со шлицами для ее ввинчивания, прижимает токосъемник и пьезоэлементы друг к другу, а также к контактирующему выступу. С внешней стороны корпуса вокруг мембраны имеется уплотнительный элемент из мягкого металла, например, из медно-никелевого сплава МН19.
На фиг.1 схематически показан заявляемый пьезоэлектрический датчик для измерения динамического давления. Он содержит корпус 1, мембрану 2, цилиндрическую силопередающую втулку 3 с торцом в виде усеченного конуса 4, с одной стороны, и с выступом 6 на дне цилиндрического углубленя 5, на другом конце. Пьезоэлементы 7 (два или более) в виде дисков помещены в токоизолирующую гильзу 8, которая вставлена в углубление 5, так, что один из внешних пьезоэлементов контактирует с выступом 6, а другой внешний пьезоэлемент контактирует с токосъемником 9. Токосъемник 9 прижат к пьезоэлементу прижимным элементом 10, который ввинчивается в корпус 1. Токосъемник связан электрически проводом 16 с электрическим разъемом 11. Разъем 11 закреплен на колпаке 12 с помощью шайбы 14 и гайки 15. Колпак 12 прижат к корпусу датчика с помощью гайки 13. Для увеличения вибропрочности прижимной элемент 10 после поджатия пьезоэлементов покрывается клеем (эпоксидным компаундом) 17. С внешней стороны корпуса вокруг корпуса 1 в районе мембраны 2 имеется уплотнительный элемент 18 из мягкого металла, например, из медно-никелевого сплава МН19.
Датчик работает следующим образом. Воздействие исследуемой среды на мембрану 2 передается через силопередающую втулку 3 на пьезоэлектрические диски 7, вследствие чего на них появляются электрические заряды, величина которых зависит от величины давления согласно формуле (2). В датчике используется продольный пьезоэффект. Съем напряжения с пьезоэлементов 7 осуществляется, с одной стороны, через выступ 6 втулки 3, на корпус датчика 1 и корпус электрического разъема 11, а с другой стороны, через токосъемник 9 и провод 16 на центральный контакт электрического разъема 11. Перед началом работы пьезоэлектрический датчик закрепляется с помощью резьбового соединения в месте измерения давления, например, на гомогенизирующей головке гомогенизатора высокого давления. При этом герметизация достигается с помощью уплотнительной прокладки 18, изготовленной из мягкого металла, которая устанавливается вокруг мембраны датчика и в результате ее обжатия закрепляется там. Затем с помощью прижимного элемента 10 достигается плотное прижатие к мембране втулки 3, в районе цилиндрического выступа 6, пьезоэлементов 7 и токосъемника 9. При выполнении операции поджатия электрический разъем 11, колпак 12 и гайка 13 не устанавливаются на корпусе 1. При этом токосъемник 9 электрически связан с разъемом 11 проводом 16 и возможно снятие электрического напряжения от измеряемого давления, и, следовательно, возможна регулировка прижатия. Это позволяет регулировать чувствительность датчика и позволяет определение частотных и резонансных параметров при различных давлениях. После достижения необходимых параметров преобразования измеряемого давления в электрический сигнал, прижимной элемент 10 фиксируется клеем (эпоксидным компаундом), в корпус датчика устанавливается колпак 12 с электрическим разъемом 11, который прижимается гайкой 13. С разъема 11 датчика давления снимается электрическое напряжение, создаваемое пьезоэлементами под воздействием на них внешнего давления. Снимаемое электрическое напряжение должно быть линейно и прямо пропорционально измеряемому внешнему давлению в заданном интервале этого измеряемого давления.
Вогнутость мембраны датчика способствует повышению чувствительности, вследствие увеличения прогиба мембраны в ее центре при одновременной высокой прочности по периметру мембраны. Радиус кривизны вогнутой части мембраны R ограничивается, с одной стороны, диаметром мембраны d (R≥0,5d), меньше которого радиус кривизны не может быть, а с другой стороны, величиной прогиба, который при R≥3d становится слишком мал и, следовательно, не способствует увеличению чувствительности мембраны. Наличие торца силопередающей втулки в виде усеченного конуса позволяет создать надежный контакт с центром мембраны. Установка пьезоэлектрических дисков в токоизолирующей гильзе и размещение их в углублении силопередающей втулки позволяет избежать радиальных сдвигов пьезоэлементов.
2
2
Преимуществами предлагаемого датчика давления являются высокая чувствительность датчика и хорошая линейность выходного напряжения в интервале давлений от 0 до 200 МПа (0-2000 кгс/см). Конструкция датчика позволяет проводить его стерилизацию автоклавированием при температуре до 120°С и избыточном давлении до 0,1 МПа (1 кгс/см) в течение до 1 часа. Датчик позволяет сохранять стерильность гомогенизируемого продукта, давление гомогенизации которого измеряется.
Список использованной литературы
1. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под. ред. Е.П.Осадчего. М.: Машиностроение, 1979.
2. Патент США №4711129.: МКИ4 G01L 7/08,19/04, опубл. 12.08.87. "Изобретения стран мира", т.1085, №2.
3. Авт. свид. №1383120, МКИ4 G01L 9/08, опубл. 23.03.88, бюлл. №11, "Датчик давления" (Чувыкин Ю.В., Федулова З.М., Кащеев В.В.).
4. Авт. свид. СССР №1368676, МКИ4 G01L 9/08, 23/10, опубл. 23.01.88, бюлл. №3, "Датчик давления" (Орлов Ю.М.).
5. Авт. свид. №1493891, МКИ 4 G01L 9/08, G01L 23/10, опубл. 15.07.89, бюлл. №26, "Датчик давления" (Пустовит Ю.П.).