ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE GAGE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления с частотным выходом, и может быть использовано в медицине для измерения давления пульсовой волны (динамического давления) при проведении сфигмографических исследований сердечно-сосудистой системы человека.
Известен пьезорезонансный датчик давления, содержащий корпус с металлической мембраной и дисковый кварцевый пьезоэлемент АТ-среза, установленный параллельно мембране с образованием зазора и снабженный электродом на поверхности, противоположной мембране [1].
Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная гистерезисом датчика из-за несовершенства крепления металлической мембраны к корпусу, а также высокой погрешностью установки начального зазора между мембраной и кварцевым пьезоэлементом.
Известен датчик давления, содержащий корпус, плоскую или гофрированную мембрану с жестким центром, выполненную из электропроводного материала, и дисковый плосковыпуклый кварцевый пьезоэлемент АТ-среза, обращенный плоской поверхностью к плоскости мембраны и снабженный электродом на выпуклой поверхности [2].
Основным недостатком этого устройства также является невысокая точность, обусловленная погрешностью установки начального зазора и сложностью установки плосковыпуклого кварцевого пьезоэлемента параллельно мембране. Кроме этого, при использовании данного пьезоэлемента существенно уменьшается разрешающая способность датчика за счет того, что емкостное отношение m плосковыпуклого пьезоэлемента на первой механической гармонике в 2.3…3.2 раза меньше, чем у плоского, причем это снижение тем больше, чем больше кривизна сферы линзы. Следовательно, информативная девиация частоты
и крутизна характеристики преобразования
данного датчика во столько же раз меньше, чем в датчике с плоским кварцевым пьезоэлементом [3], для которого
0
и f - текущее и номинальное значения частоты датчика соответственно;
0
М
0
М
X=Х-Х, Х и Х - текущий, начальный зазор между мембраной и кварцевым пьезоэлементом и ход мембраны под действием измеряемого давления;
- параметр кварцевого пьезоэлемента, его толщина и диэлектрическая проницаемость соответственно .
Соответственно и существенно уменьшается разрешающая способность датчика
f
где Δ - ширина области вариации значений выходной частоты датчика при фиксированном измеряемом давлении (абсолютная нестабильность частоты автогенераторного измерительного преобразователя).
0
Mmax
В силу этих факторов значительно возрастает вклад дополнительных погрешностей в полную погрешность измерения динамического давления пульсовой волны. Для получения приемлемого значения информационной девиации частоты необходимо в 2…3 раза уменьшить величину Х с одновременным увеличением максимального значения хода мембраны X, что делает устройство [2] практически неработоспособным.
В качестве устройства-прототипа выбран датчик давления, содержащий корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента, в центральной его части, металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепка с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране [4].
Недостатком устройства-прототипа является недостаточная разрешающая способность датчика при измерении динамического (пульсового) воздушного давления во время проведения сфигмографических исследований сердечно-сосудистой системы человека.
СР
~
Это объясняется тем, что при снятии объемной сфигмограммы в окклюзионной манжете необходимо поддерживать постоянное (статическое) избыточное воздушное давление, близкое к среднему артериальному (для практически здоровых людей в состоянии покоя эта величина составляет P=80…90 мм рт.ст.), а амплитуда информативной переменной (динамической) составляющей воздушного давления Р, отображающей сфигмографический сигнал, обычно не превышает 1…1,5 мм рт.ст. [5, 6].
СР
~
СРmax
СРmax
СР
0
0
M
Весьма существенно, что величина P не является информативным параметром сфигмометрических исследований, а задание такого постоянного давления в окклюзионной манжете лишь обеспечивает получение максимальной амплитуды сфигмосигнала Р при минимальном искажении его формы. При игнорировании же данного обстоятельства возникает необходимость начальной настройки датчика для обеспечения возможности измерения как статического, так и динамического воздушного давления в диапазоне P∈[0, P], где P≈(1,5-2)P - максимально возможное значение среднего артериального значения с учетом патологических изменений в организме и возможности проведения сфигмографических исследований при воздействии физической нагрузки. Такая настройка соответствует градуировочной характеристике (1) при величине начального зазора порядка X=60…65 мкм и эффективной области рабочих изменений значений зазора X=Х-X от 0 до 55…60 мкм. Начальная крутизна такой градуировочной характеристики определяется выражением (2), а ее типовые значения приведены в таблице 1.
Таблица 1Типовые значения крутизны градуировочной характеристики
f<sub>0</sub>, МГц
X, мкм
0
10
20
30
40
60
80
100
200
S<sub>F</sub>x, 10<sup>-6</sup>/мкм
1
8,5
8,06
7,65
7,27
6,92
6,29
5,75
5,27
3,58
5
42,5
33
26,3
21,5
17,9
13
9,8
7,7
3,1
10
85
52,7
35,8
25,9
19,6
12,4
8,5
6,2
2,07
30
262
78
36,9
21,4
14
7,3
4,5
3
0,84
0
0
F
0
F
-6
-6
Анализ данных показывает, что для плоского кварцевого пьезоэлемента с номинальной частотой f=10 МГц при величине начального зазора порядка X=60…65 мкм крутизна S не превышает значений (12,4…10,8)×10/мкм. Это ограничивает эффективность использования градуировочной характеристики датчика при измерении переменной (информационной) составляющей воздушного давления в окклюзионной манжете. В то же время компенсация постоянной составляющей окклюзионного давления позволяет уменьшить величину Х до 10…15 мкм, что, в свою очередь, приводит более чем к четырехкратному увеличению крутизны S (до значений (52,7…44,2)×10/мкм), а следовательно, в соответствии с (4), и разрешающей способности датчика, значительно повышая тем самым эффективность определения информационной (динамической) составляющей давления при сфигмографических исследованиях.
В основу изобретения поставлена задача повышения разрешающей способности при измерении динамического воздушного давления.
Поставленная задача повышения разрешающей способности решается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента, в центральной его части, металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепку с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране, согласно предлагаемому изобретению в него дополнительно введены первый пневматический канал в виде сообщающихся пневматического фильтра и дросселя, выполненных соответственно в форме вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, заполненного фильтрующим материалом, например войлоком, и дросселя в виде горизонтального цилиндрического канала малого диаметра, второй пневматический канал в виде сообщающихся вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, часть которого заполнена фильтрующим материалом, и горизонтального цилиндрического канала с уравнительным подпружиненным клапаном в виде цилиндра с кольцевой проточкой по его поверхности и нажимной головкой, причем вход пневматического фильтра и вход второго пневматического канала сообщаются с входным отверстием корпуса, выход дросселя и выход второго пневматического канала сообщаются с объемом, ограниченным стенками, донной частью основания и внутренней поверхностью мембраны, а этот объем сообщается с входным отверстием корпуса через второй пневматический канал посредством уравнительного клапана в момент приведения датчика в исходное состояние.
На фиг.1 показан предлагаемый датчик давления. Здесь введены следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - основание; 3 - пьезоэлемент; 4 - заклепка; 5 - упругий элемент; 6 - кварцедержатель; 7 - вывод датчика; 8 - опорное кольцо; 9 - регулировочный винт; 10 - мембрана; 11 - прижимная гайка; 12 - уплотнительное кольцо; 13 - сообщающиеся вертикальный и горизонтальный каналы; 14 - втулка; 15 - цилиндр с кольцевой проточкой; 16 - нажимная головка; 17 - дроссель; 18 - герметизирующий компаунд; 19 - пневматический фильтр; 20 - фильтрующий материал; 21 - фиксирующая планка.
K1
K2
Ф
др
K1
K2
K1
K2
На фиг.2 представлена пневматическая схема датчика давления, где K1 и K2 - первый и второй пневматические каналы; V, V - объемы первой и второй камеры; R, R - пневматические сопротивления фильтра и дросселя; ПЭ - пьезоэлемент; М - мембрана; УК - уравнительный клапан; X - перемещение мембраны; Р и Р - давления в объемах V и V;
0
~
Р+P - суммарное давление.
ФК
др
др
др
На фиг.3 приведены амплитудно-частотные характеристики датчика давления в зависимости от высоты фильтрационной камеры h для двух значений длины дросселя l: а) l=1 мм; б) l=5 мм.
Предложенный датчик давления (фиг.1) состоит из полистиролового корпуса 1, содержащего штуцер и шесть установочных штырей, обеспечивающих механическое закрепление датчика на монтажной плате. С помощью клея корпус 1 соединен с металлическим (материал Д16) основанием 2.
Между верхней проточкой основания 2 и прижимной гайкой 11 установлено уплотнительное кольцо 12. На выступ основания 2 у донной его части установлен узел кварцедержателя, содержащий соосно соединяемые заклепку с цилиндрической головкой 4, упругий элемент 5 в виде плоской круглой пружины - прорезной шайбы, кварцедержатель 6. Элементы 4, 5, 6 жестко соединены развальцовкой оконечной части заклепки 4. Упругий элемент 5 выполнен из сплава 36НХТЮ. На рабочую поверхность кварцедержателя 6 с помощью клея соосно с кварцедержателем установлен плоский дисковый пьезоэлемент 3 АТ-среза, на поверхность, обращенную к кварцедержателю 6, которого напылен круглый электрод, соединенный электрически с потенциальным выводом датчика 7, выполненным из провода ПЭЛШО - 0.25 и выведенным наружу датчика через герметичное отверстие в донной части основания 2 через отверстия в кварцедержателе 6 и упругом элементе 5.
Упругий элемент 5 защемлен по контуру между выступом основания 2 и металлическим опорным кольцом 8 усилием, создаваемым прижимной гайкой 11 и осуществляющим одновременно защемление по контуру и мембраны 10. Усилие защемления как упругого элемента 5, так и мембраны 10 образуется при перемещении прижимной гайки 11 по ее резьбовому соединению с основанием 2 и передается на мембрану 10 - опорное кольцо 8 - упругий элемент 5 - основание 2 поверхностью выступа прижимной гайки 11. В центре этой гайки имеется сквозное отверстие для передачи воздуха, а также два глухих отверстия под торцевой ключ.
Величина начального зазора устанавливается регулировочным винтом 9, механически контактирующим своей сферической оконечной частью с плоской частью головки заклепки 4 и установленным в резьбовое отверстие в центре донной части основания 2, а образовавшееся резьбовое соединение герметизировано после окончания настройки компаундом 18.
В боковых стенках основания 2 путем сверления сформированы два пневматических канала: первый состоит из сообщающихся пневматического фильтра 19 (вертикального канала, заполненного фильтрующим материалом) и дросселя 17; второй - из сообщающихся вертикального и горизонтального каналов 13, один из которых (вертикальный) также частично заполнен фильтрующим материалом 20, образуя фильтр малой плотности с пренебрежимо малым пневмосопротивлением. В качестве фильтрующего материала пневматических каналов выбран войлок. Наличие фильтрующего материала в обоих пневматических каналах позволяет устранить загрязнение пьезоэлемента тальком и другими механическими примесями, которые присутствуют в окклюзионной манжете.
Второй пневматический канал содержит уравнительный клапан в виде подпружиненного цилиндра с кольцевой проточкой 15, нажимной полистироловой головкой 16 и фиксирующей планкой 21, которые закреплены при помощи клея в данной части основания 2.
После окончательной сборки датчика пневматические каналы и потенциальный вывод герметизируются при помощи компаунда 18 и втулки 14.
В донной части основания 2 имеется три технологических глухих отверстия с резьбой, предназначенных для фиксации основания в процессе сборки датчика.
Собранный датчик устанавливается в отверстие в печатной плате прибора: большое - по диаметру основания 2 и шесть малых - по диаметру крепежных штырей. Поверхность наружного выступа основания 2 выполняет роль корпусного электрода датчика и контактирует с корпусной шиной на печатной монтажной плате прибора.
∑
0
~
0
~
Ф
др
K1
K1
K1
Ф
∑
Ф
Принцип работы заявляемого датчика состоит в следующем (фиг.2). Суммарное давление P=P+P, где Р - постоянная (медленноменяющаяся) и Р - переменная (информативная) составляющие, подается через войлочный фильтр с пневмосопротивлением R и пневмодроссель, сопротивление которого P, по первому пневматическому каналу датчика K1 в камеру давления мембранного преобразователя с объемом V. Параметры фильтра, дросселя и камеры V выбраны таким образом, что представляют собой пневматический фильтр нижних частот (ПФНЧ), давление с выхода которого Р=K(f)·Р, где K(f) - передаточная функция ПФНЧ, поступает на гофрированную мембрану 10 (М). Течение газа считается изотермическим.
∑
K2
K2
K1
~
∑
0
По второму пневматическому каналу К2 давление P подается в камеру с объемом V. Мембрана М выполняет функцию вычитания давлений и разностное давление, действующее на нее, равно ΔP=Р-Р. Параметры ПФНЧ выбраны таким образом, что он полностью подавляет переменную составляющую P суммарного давления P, пропуская на выход только его постоянную и медленноменяющуюся составляющую Р:
K1
Ф
∑
Ф
0
Ф
~
0
Ф
~
Р=K(f)·P=K(f)·P+K(f)·P=P, так как K(f)·P≈0.
K2
K1
0
~
0
~
~
Таким образом, в процессе работы данного устройства, происходит компенсация постоянной (медленноменяющейся) составляющей давления окклюзионной манжеты ΔР=Р-Р=Р+P-Р=P что в целом позволяет представить передаточную характеристику датчика в диапазоне рабочих частот в виде пневматического фильтра верхних частот (ПФВЧ). Разностное давление ΔР преобразуется в перемещение мембраны X, модулирующее емкость зазора пьезоэлемента, что вызывает информативное изменение частоты датчика только от динамического давления Р.
K1
K2
K1
K2
Для приведения датчика в исходное состояние перед началом измерений служит уравнительный клапан (УК), который в открытом состоянии уравнивает давления Р и Р в объемах V и V.
Определим основные соотношения для расчета параметров пневматических каналов. Частота среза ПФВЧ определяется выражением [7]
K1
где  - пневмоемкость фильтрационной камеры V;
∑
Ф
др
R=R+R - суммарное пневматическое сопротивление;
ФК
ФК
, D и h - высота и диаметр фильтрационной камеры;
- газовая постоянная;
Т - температура газа (воздуха).
Сопротивление тканевого фильтра определяется как
где  - перепад давления на тканевом фильтре;
ν - скорость движения воздушного потока через фильтр;
- площадь сечения отверстия тканевого фильтра,
Ф
d - диаметр отверстия тканевого фильтра.
Для материала тканевого фильтра войлок:
и
для
Сопротивление дросселя равно [7]
др
др
где l, d - длина и диаметр дросселя;
3
ρ - плотность воздуха при нормальных условиях, ρ=1,205 кг/м;
η=А+B·Т - динамический коэффициент вязкости газов;
-7
-7
А, B - постоянные коэффициенты (для воздуха А=37,4×10 Па·с, В=0,506×10 Па·с);
-4
При нормальных условиях (Т=293 K) динамический коэффициент вязкости воздуха η=0,186×10Па·с [7].
ср
ФК
Ф
др
др
ФК
10
3
Частота среза ПФВЧ определяется спектром сфигмографических сигналов - (0,036…60) Гц [5, 6] и составляет приблизительно f≈0,03 Гц. Основываясь на выбранной частоте среза, с учетом реального размера D=40 мм и полученного сопротивления тканевого фильтра R=8,32·10 Па·с/м, определим в соответствии с (5-7) конструкционные параметры дросселя (диаметр d и длину l) и высоту фильтрационной камеры h (таблица 2, 3 и фиг.3).
ср
ФК
∂р
др
др
др
др
др
Ф
др
∑
ФК
Анализ полученных данных показывает, что существенное влияние на частоту среза f оказывает высота фильтрационной камеры h (таблицы 2, 3). Для d≤0,1 мм сопротивление дросселя R существенно зависит от l и должно учитываться при расчете ПФВЧ (фиг.3а, б). В то же время для d=(0,2…1) мм и l=(1…10) мм сопротивление дросселя R намного меньше сопротивления тканевого фильтра R>>R и может не учитываться при расчете суммарного сопротивления R. В этом случае параметры ПВФЧ определяются в основном высотой фильтрационной камеры h (таблица 3).
Ф
др
Таким образом, предлагаемая конструкция ПФНЧ с последовательным соединением R и R позволяет варьировать параметры дросселя в зависимости от технологических возможностей производства и реализовывать его без применения специальной капиллярной технологии.
Таблица 2Выбор геометрических размеров элементов ПФВЧ
h<sub>ФК</sub>, мм
f<sub>ср</sub>, Гц
l<sub>др</sub>, мм при d<sub>др</sub>=0,1 мм
1
2,5
5
10
1
0,11
0,107
0,093
0,073
2
0,0595
0,0539
0,0465
0,0365
3
0,0397
0,0359
0,031
0,0243
4
0,0298
0,0269
0,0232
0,0182
5
0,0238
0,0215
0,0186
0,0146
10
0,0119
0,0108
0,0093
0,0073
Таблица 3
Выбор высоты фильтрационной камеры при d<sub>др</sub>=(0,2…1) мм и l<sub>др</sub>=(1…10) мм
h<sub>ФК</sub>, мм
1
2
3
4
5
10
f<sub>ср</sub>, Гц
0,128
0,064
0,0427
0,032
0,0256
0,0127
Приведенные расчеты подтверждают возможность повышения разрешающей способности заявляемого датчика при измерении динамического воздушного давления (более чем в 4 раза по сравнению с известными устройствами) путем введения предлагаемых конструктивных решений при обеспечении его серийной пригодности даже на предприятиях с относительно невысоким уровнем технической оснащенности.
Заявляемая конструкция, кроме того, позволяет устранить дрейф линии нулевого уровня, возникающий при медленном изменении давления в окклюзионной манжете при объемной сфигмографии и изменения давления в воронке, вызванном непостоянством усилия прижатия ее к артерии, при локальной сфигмометрии. Благодаря этому обеспечивается повышение достоверности сфигмометрического диагностирования состояния сердечно-сосудистой системы компьютерными методами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вильщук В.А., Фроловский СИ. Пьезорезонансные датчики с переменным зазором. // Пьезо и акустоэлектронные устройства. - Омск: ОМПИ, 1981, с.102-105.
2. А.с. СССР №1326921 G01L 11/00, 9/8. Пьезорезонансный датчик давления. / Ю.С.Шмалий и др. - Опубл. в Б.И. №28, 1987.
3. Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генереторов. - М.: Связь, 1975, с.17.
4. Пат. 2098783 России, МКИ G01L 9/08, 9/12. Датчик давления. / Ф.Ф.Колпаков, Г.Л.Хильченко, С.К.Пидченко. // Бюл. - 1997. - 34.
5. Терехова Л.Г. Практические вопросы сфигмографии. - Л.: Медицина, 1968. - 119 с.
6. Сфигмография при гемодинамических измерениях в организме. - Рига: Зинатне, 1976. - 168 с.
7. Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами. - М.: Химия, 1970. - 320 с.