К вопросу исследования и проектирования высокотемпературного датчика динамического давления

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

Значительный прогресс в совершенствовании датчиков динамических давлений связан с переходом на современные технологии конструирования и изготовления, но и в этом случае основным конструктивным элементом датчика является чувствительный элемент, определяющий общее техническое совершенство датчика [1-3].

Использование современных конструкционных материалов и методов стабилизации узлов в чувствительном элементе и в датчике в целом позволит обеспечить работоспособность конструкции при температуре 700 °С без принудительного охлаждения.

Материалы, применяемые в датчиках, должны обладать большим числом специальных свойств, что позволяет применять самые различные сплавы металлов, полимерные материалы, керамику, специальные стекла, сапфир, кварц кристаллический, кристаллы лантангаллиевого силиката и многие другие материалы.

Основными показателями при выборе материалов являются:

- работоспособность при воздействии температур от криогенных до сверхвысоких без изменения основных характеристик материала;

- согласование коэффициентов теплового расширения материалов, из которых выполняются соприкасающиеся между собой детали, с целью уменьшения температурной погрешности конструкции;

- технологичность;

- высокая прочность и изоляционные свойства;

- стабильность характеристик.

Высокие метрологические характеристики пьезоэлектрических датчиков динамических давлений обеспечиваются уникальными физическими свойствами кристаллического кварца. Однако верхняя граница рабочего диапазона температур этого пьезоматериала, как известно, теоретически ограничена температурой фазового перехода а^Р кварц, которая равна 573 °С, а кварцевые чувствительные элементы устойчиво работают при еще более низких температурах [4]. Вместе с тем существует большое количество новых пьезоэлектрических кристаллов, применение которых может расширить функциональные возможности и позволить конструировать высокотемпературные пьезоэлектрические датчики.

Проведены исследования ряда перспективных пьезокристаллов для построения чувствительных элементов высокотемпературных датчиков. К ним относятся такие кристаллы, как галлосиликат лантана

УДК 681.586.773.001.63

К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ДАТЧИКА ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

К. И. Бастрыгин

85

Надежность и качество сложных систем. № 2 (10), 2015

La3Ga55Tao,5O14, фосфат галлия GaPO4, танталат лития LiTaO3 и некоторые другие. Эти кристаллы обладают высокой стабильностью электрофизических характеристик, достаточной механической прочностью, химической стойкостью и технологичностью в обработке и применении, имеют достаточно высокую температуру плавления, не изменяют электрофизические свойства, химический состав и кристаллическую структуру в рабочем диапазоне температур, в них также отсутствуют побочные сегнето-, пиро- или другие эффекты, вносящие помехи в полезный сигнал.

Наибольший интерес для построения высокотемпературных чувствительных элементов датчиков представляют кристаллы лангасита и лангатата.

Лангасит La3Ga5SiO14 (ЛГС) - синтетический монокристалл, выращивается из расплава методом Чохральского при температуре 1470 ± 20 °С [5]. Важной особенностью этих кристаллов является отсутствие в них пиро- и сегнетоэлектрических свойств, приводящих к разбросу временной и температурной нестабильности электромеханических параметров. Кристаллы обладают большей, чем у кварца, акустической добротностью, большим коэффициентом связи и не имеют фазовых переходов ниже температуры плавления, что позволяет применять данный кристалл для высокотемпературных датчиков [6].

В табл. 1 представлены основные пьезоэлектрические свойства различных кристаллов.

Таблица 1

Сравнительные характеристики лангасита с другими пьезоэлектрическими материалами

Наименование кристалла

Характеристика кристалла а-Кварц SiO2 Фосфат галлия GaPO4 Лангасит La3Ga5SiO14 Танталат лития LiTaO3 Тетраборат лития Li2B407

Постоянные элементарной ячейки, А°:

a 4,9138 4,901 8,162 5,154 9,479

с 5,4052 11,048 5,087 13,784 10,280

Плотность, г/см-3 2,649 - 5,754 7,454 2,451

Пьезоконстанты, Кл/м-2:

е 11 0,171 - 0,45 -0,38 0,290

е14 -0,0407 - -0,07 1,09 0,928

КТЛР, 10-6:

а11 13,71 - 5,11 16,2 11,1

а33 7,48 - 3,61 4,1 -3,74

Диэлектрическая проницаемость: eS11/ е0 4,58 18,87 42,58 8,90

eS33/ е0 4,70 - 49,32 42,81 8,07

еТ11/ е0 4,50 5,2 18,99 53,55 10,97

еТ33/ е0 4,63 5,1 49,32 43,39 61,58

Твердость (по Моосу) 7 - 6,5 6,7 -

t фазового перехода, °С 573,5 933 Нет 660 Нет

t плавления, °С 1710 - 1470 1650 917

Из таблицы видно, что кристалл лангасит по некоторым своим физическим свойствам занимает промежуточное положение между кварцем и танталатом лития. По плотности и твердости этот материал сравним с кварцем, пьезомодули d11 примерно в 3 раза, а пьезомодуль d14 в 6 раз больше, чем у кварца.

Высокотемпературные исследования амплитудно-частотных характеристик термочувствительных элементов из лангасита с частотой 5 МГц проводились в диапазоне температур от -80 до + 1000 °С. Измерения крутизны ТЧХ проведены до температуры 800 °С. При более высоких температурах пьезоактивность элементов уменьшалась практически до нуля, однако даже после нагревания до + 1000 °С и последующего охлаждения пьезоэлементы сохраняли работоспособность [6].

Результаты проведенных исследований пьезоматериала лангасит позволяют создать из этого кристалла высокоэффективные высокотемпературные пьезопреобразователи, работающие в широком диапазоне температур (рис. 1).

86

Диагностические методы обеспечения надежности и качества сложных систем

Лангатат La3Ga55Tao,5O14 (ЛГТ) - кристалл лантагаллиевого танталата - имеет следующие преимущества по сравнению с традиционными материалами (пьезокерамикой и кварцем), применяемыми в датчиках физических величин:

- отсутствие у кристаллов ЛГТ фазовых переходов вплоть до температуры плавления 1450 °С;

- отсутствие у кристаллов ЛГТ пироэлектрического эффекта;

- отсутствие у кристаллов ЛГТ гистерезиса физических свойств;

- высокий КЭМС у кристаллов ЛГТ, более чем в два раза превышающий КЭМС кварца;

- постоянный в диапазоне температур до 700 °С пьезомодуль d11;

- высокое удельное сопротивление (не менее 108 Омпри температуре 540 °С) [6].

Рис. 1. Конструкция пьезопреобразователя на основе высокотемпературных пьезоматериалов лангасит и лангатат

Эти кристаллы обладают высокой стабильностью электрофизических характеристик, достаточной механической прочностью, химической стойкостью и технологичностью в обработке и применении, имеют достаточно высокую температуру плавления, не изменяют электрофизические свойства, химический состав и кристаллическую структуру в рабочем диапазоне температур, в них также отсутствуют побочные сегнето-, пиро- или другие эффекты, вносящие помехи в полезный сигнал [7-9].

Элементом составной части, определяющим конструкцию чувствительного элемента, является пьезоэлектрический элемент (элемент блока измерительного), от которого зависит работоспособность чувствительного элемента при воздействии высоких давлений и температур.

Нами рассмотрены конструктивные решения блока измерительного для вновь создаваемого высокотемпературного чувствительного элемента. Сложность решения этой задачи заключается в выборе оптимального способа крепления пьезопреобразователя с деталями блока измерительного. Выбранный способ должен обеспечивать высокую степень изоляции, а также прочность в условиях давлений, вибраций и ударов.

Учитывая, что в настоящее время отсутствуют токопроводящие клеи, работоспособные при температурах 600...700 °С, рассматривались способы крепления с помощью высокотемпературных сереброзаменяющих припоев и сварки. Однако применение сереброзаменяющих припоев усложняет конструкцию узла за счет обязательного введения дополнительных деталей и усложняет техпроцесс сборки блока измерительного.

87

Надежность и качество сложных систем. № 2 (10), 2015

Рассмотрим сварную конструкцию чувствительного элемента (рис. 2).

На рис. 2,а представлена конструкция измерительного блока на основе двух пьезопреобразователей, позволяющая увеличить чувствительность чувствительного элемента и тем самым расширить его диапазон измерения в область малых уровней давлений.

На рис. 2,б представлена конструкция измерительного блока на основе одного пьезопреобразователя, у которой чувствительность вдвое ниже, чем у конструкции на рис. 2,а, однако этот вариант чувствительного элемента наиболее предпочтителен при воздействии высоких давлений и температур, так как обеспечивает более высокое сопротивление изоляции и прочность.

Рис. 2. Элемент блока измерительного чувствительного элемента

Блок измерительный содержит 1 - пьезопреобразователи из монокристаллических материалов (лангасит или лангатат); 2 - токосъемники из стальной ленты 0,05 мм и изолятор 3 из высокотемпературной пленки (слюды). Пьезопреобразователи стягиваются токосъемниками, которые свариваются между собой и с токоведущими жилами кабеля.

График результатов исследований пьезопреобразователей представлен на рис. 3.

Рис. 3. Результаты проверки изменения пьезоэлектрической чувствительности и гистерезиса высокотемпературных пьезопреобразователей от температуры

Результаты исследований показали, что пьезопреобразователи из высокотемпературных кристаллов лангасита и лангатата характеризуются абсолютной стабильностью характеристик пьезочувствительности во всем рабочем диапазоне температур, отсутствием гистерезиса и работоспособны при температуре 800 °С.

На рис. 4 представлена базовая конструкция чувствительного элемента датчика динамических давлений, который состоит из корпуса 1, блока измерительного 2, механически закрепленного на основании 5, установочной втулки с резьбой 4, кабеля 3. Корпус выполнен как одно целое с мембраной из жаропрочного сплава. Кабель содержит два провода, размещенных в металлическом кожухе и изолированных минеральной засыпкой из периклаза. Кабель проходит по центру основания и образует с ним на нескольких участках герметичный высокотемпературный спай на

88

Диагностические методы обеспечения надежности и качества сложных систем

основе стекла и стеклокерамики, в результате чего сопротивление изоляции чувствительного элемента остается постоянным в течение длительного периода работы.

2

и

Рис. 4. Базовая конструкция чувствительного элемента датчика динамического давления

Работоспособность конструкции чувствительного элемента при рабочих температурах до 700 °С определяется тем, что чувствительный элемент выполнен из высокоэффективного стабильного пьезокристалла, а также тем, что разработана специальная технология сборки высокотемпературных конструкций.

Проведенные исследования высокотемпературного чувствительного элемента для пьезоэлектрических датчиков давления обеспечивают решение следующих задач:

- расширения рабочего диапазона температур до 700 °С за счет применения новых высокотемпературных кристаллов лантангаллиевого силиката;

- повышения надежности за счет выбора оптимальных решений конструкции блока измерительного на основе высокотемпературного пьезокристалла;

- повышения точности и стабильности характеристик во всех температурных диапазонах.

Список литературы

1. РМГ 29-99 «Метрология». Основные термины и определения. - М., 2000.

2. Дивеев, А. И. Синтез оптимального закона управления потоками транспорта в сети автодорог на основе генетического алгоритма / А. И. Дивеев, Н. А. Северцев // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2003. - № 3. - С. 87.

3. Особенности разработки макромоделей надежности сложных электронных систем / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, С. Н. Полесский, И. А. Иванов, А. В. Лысенко // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2014. - Т. 1. - С. 101-102.

4. Третьяков, Ю. Д. Химия твердого тела. Теория и приложения : в 2 ч. Ч. 1: Вест-А / Ю. Д. Третьяков. -М. : Мир, 1988. - 206 с.

5. Зеленка, И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применения : пер. с чешск. / И. Зеленка. - М. : Мир, 1990. - 584 с.

6. Тюнина, Е. А. Лангатат и лангасит: состав, строение, свойство : дис. ... канд. хим. наук / Тюнина Е. А. -М., 2008. - 156 с.

7. Балышева, О. Л. Материалы для акустоэлектронных устройств : учеб. пособие / О. Л. Балышева. - СПб., 2005. - 244 с.

8. Лысенко, А. В. Способ снижения величины вибрационных нагрузок в несущих конструкциях ЭС и методика, его реализующая / А. В. Лысенко // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 4. -С. 41-44.

89

Надежность и качество сложных систем. № 2 (10), 2015

9. Северцев, Н. А. К вопросу об утрате работоспособности систем / Н. А. Северцев, А. В. Бецков, А. М. Самокутяев // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. - Т. 2. - С. 268-270.

Бастрыгин Кирилл Игоревич

аспирант,

начальник отдела,

Научно-исследовательский институт физических измерений

79875016845

E-mail: nik2@niifi.ru

Аннотация. Проведены исследования ряда перспективных пьезокристаллов. Рассмотрены конструктивные решения блока измерительного для высокотемпературного чувствительного элемента. Представлена базовая конструкция чувствительного элемента датчика динамического давления.

Ключевые слова: пьезоэлектрический датчик, пьезокристалл, динамическое давление, пьезоматериал, чувствительный элемент.

Bastrygin Kirill Igorevich postgraduate student, head of department,

Research Institute of Physical Measurement

Abstract. Investigations of a number of promising p'ezokristallov. Considered constructive solutions unit of measurement for high temperature sensing element. Shows the basic design of the sensitive element dynamic pressure sensor.

Key words: piezoelectric sensor, p'ezokristall, dynamic pressure, p'ezomaterial, sensitive element.

УДК 681.586.773.001.63 Бастрыгин, К. И.

К вопросу исследования и проектирования высокотемпературного датчика динамического давления / К. И. Бастрыгин // Надежность и качество сложных систем. - 2015. - № 2 (10). - С. 85-90.