ЧАСТОТОРЕЗОНАНСНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЧАСТОТОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
FREQUENCY RESONANT DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR AND FREQUENCY RESONANCE DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к частоторезонансным чувствительным элементам (ЧЭ) дифференциального давления и построенным на их основе преобразователям, и датчикам с частотным и цифровым выходными сигналами, способных с высокой точностью измерять относительно малые перепады на фоне высокого статического давления жидких и газообразных агрессивных сред.
Основу конструкции аналогов заявляемого ЧЭ дифференциального давления составляет упругий элемент в виде плоской или профилированной измерительной мембраны круглой или прямоугольной формы жестко и герметично установленной в корпус датчика и разделяющей друг от друга среды со сравниваемым давлением. В случае превышения давления с одной стороны мембраны над давлением с другой стороны она прогибается в сторону меньшего давления. При этом участки поверхности мембраны со стороны меньшего давления в ее центральной части растягиваются, а на периферии сжимаются и наоборот со стороны большего давления ее центральные участки будут сжиматься, а периферийные растягиваться [1, 2]. Для упругих мембран с идентичными параметрами воздействие на них сосредоточенной или распределенной силы вызовет пропорциональные и в определенных пределах воспроизводимые деформации (смещения) ее частей. Для круглых мембран толщиной -Не радиусом - R это максимальный прогиб - П в ее центре и равные между собой радиальные и тангенциальные деформации, описываемые следующими зависимостями:
1) , где ;
2) , где , где:
П - максимальный прогиб мембраны;
R - радиус мембраны
Н - толщина мембраны;
Y - модуль Юнга материала мембраны;
Д - перепад давления;
П
К - коэффициент прогиба;
ν - коэффициент Пуассона
- радиальная деформация;
- тангенциальная деформация;
ε
К - коэффициент деформации;
i
R - текущие радиусы до элементарных участков мембраны;
i - 1, 2, 3, ….
В выбранных за аналоги ЧЭ преобразование полезной деформации мембран в электрический сигнал осуществляется через закрепленные на них тензочувтвительные элементы построенныей на различных физических принципах действия. Это могут быть обкладкиа электрической емкости, накладные или диффузные тензорезисторы, или частоторезонансные микроэлектромеханические системы (МЭМС) из монокристаллического материала [3].
Известны ЧЭ у которых накладные тензорезисторы, сформированные в эпитаксиальной пленке кремния на сапфировой подложке (КНС структуры) припаиваются твердым припоем на титановую мембрану. Достоинством ЧЭ КНС является высокая степень их защищенности от измеряемой агрессивной среды. Но ЧЭ на основе КНС имеют ограничения по достижимой точности из-за интенсивного старения и существенного гистерезиса от давления и температуры в следствие применения не упругого соединения припоем деталей мембраны и отсутствия термомеханической развязки титановой мембраны от корпуса датчика [4].
На порядок лучше характеристики стабильности у тензорезистивных датчиков с так называемым интегральным кремниевым ЧЭ, у которых в качестве упругого элемента, воспринимающего давление применяется мембрана, выполненная из монокристаллической кремниевой пластины, у которой с одной плоской стороны сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные по мостовой схеме Уитсона, а с другой стороны выполнено углубление, образующее тонкую рабочую часть мембраны, на которой концентрируется полезная деформация. Мембрана со стороны углубления утолщенной периферией герметично соединена легкоплавким стеклом с основанием, выполненным из монокристаллического кремния с углом среза идентичным углу среза мембраны. В основании со стороны соединения с мембраной выполнено углубление, образующее подмембранную полость, в которую через металлический штуцер и отверстие в этом основании подается одно из сравниваемых давлений. Основание может состоять из нескольких частей. Верхняя часть выполняется из кремния, а нижняя часть, соединенная с металлическим штуцером выполняется из стекла или керамики.
С внешней стороны мембраны там, где сформированы диффузионные тензорезисторы по ее контуру в вакууме может быть присоединена защитная кремниевая крышка с выборкой, образующая вакуумированную надмембранную полость. Такая конструкция ЧЭ служит основой датчика абсолютного давления [5]. Для датчика дифференциального давления не агрессивных сред в защитной крышке выполнено отверстие для подачи через второй штуцер сравниваемого давления без специальной защиты от измеряемой среды так называемые Low cost-решения. При работе с агрессивными средами ЧЭ без защитной крышки через штуцер основания герметично монтируется в металлическом корпусе, а электрические вывода с тензомоста также через металлостеклянные гермовывода выводятся из корпуса датчика и соединяются с электронным блоком.
Для защиты ЧЭ и его электрических соединений от воздействия агрессивной среды применяются известные способы. Это заливка мембраны и выводов силиконовым гелем и формирование сверху эластичной полимерной пленки [6]. Но наиболее надежная защита - это установка между измеряемой агрессивной средой и ЧЭ мембранных жидкостных разделителей. В этих разделителях давление агрессивной среды воспринимает разделительная мембрана из нержавеющей стали, которая прогибаясь передает его через не агрессивную кремнийорганическую жидкость на измерительную мембрану ЧЭ.
В дифференциальном датчике применяют два мембранных жидкостных разделителя, которые передают сравниваемые давления на противоположные поверхности измерительной мембраны, заставляя ее прогибаться в сторону меньшего давления. В целях зашиты ЧЭ от перегрузки по давлению применяют системы, ограничивающие прогиб разделительных мембран. Это может быть подмебранное основание, выполненное в виде чашки, повторяющей профиль разделительной мембраны, прогнутой максимально допустимым давлением [7].
Известны и другие системы защиты от односторонней перегрузки одного из каналов давления: системы с тремя мембранами [8].
Недостатком емкостных и тензорезистивных ЧЭ является преобразование деформации упругого элемента (измерительной мембраны) в аналоговый электрический сигнал, который для высокоточных датчиков и автоматических систем сбора данных и управления, необходимо преобразовать в частотный или цифровой сигнал. Это преобразование усложняет электронную схему датчика и снижает его точность.
Кроме того, изменение температуры значительно влияет на показание датчика, компенсировать полностью которое сложно.
В ряде публикаций сообщается, что на данный момент конструкции датчиков с аналоговыми ЧЭ достигли предела по увеличению своей стабильности и что новые возможности раскрываются в конструкциях датчиков на основе частоторезонансных ЧЭ [3, 4].
У частоторезонансных ЧЭ суммарная (интегральная) деформация участка упругого элемента вызывает соответственное растяжение или сжатие закрепленного хотя бы двумя разнесенными узловыми точками высокодобротного тензочувствительного резонатора (TP), у которого участок между узловыми точками под действием электронного генератора может совершать один из возможных видов (мод) резонансных колебаний, которые по цепи обратной связи поддерживают на выходе генератора переменный электрический сигнал с частотой механического резонанса ТР. Вид и частота резонансных колебаний TP зависят от его формы, физических свойств материала и способа возбуждения TP: оптического, пьезоэлектрического или магнитоэлектрического [3]. Причем зоны TP около узловых точек, не участвующие в резонансных колебаниях, предотвращают потери накопленной энергии резонансных колебаний и обеспечивают минимальное влияние внешних не управляемых дестабилизирующих термомеханических воздействий на ТР. В тоже время приложение к этим точкам силы растягивающей или сжимающей TP вызывает воспроизводимое с высокой точностью увеличение или уменьшение резонансной частоты соответственно.
Известны ЧЭ для высокоточных преобразователей давления, выполненные на основе кварцевого TP изгибных или толщиносдвиговых колебаний, жестко соединенного узловыми точками к тензопередающему корпусу, выполненному из пьезокварца той же кристаллографической ориентации. ЧЭ имеет форму коробки, выполненной из монокристаллического кварца, содержит две крышки, соединенные друг с другом через кольцевую проставку. Одна из крышек служит мембраной, на которой внутри или снаружи полости узловыми точками закреплен кварцевый TP [9]. Для построения датчика дифференциального давления во второй крышке, разделяющей измеряемые среды с противоположных поверхностей мембраны, выполняется отверстие и вклеивается штуцер, через который подается одно из сравниваемых давлений. Второе из сравниваемых давлений поступает снаружи кварцевой коробки, заключенной в металлический корпус.
Соединение резонатора с мембраной, мембраны с проставкой, проставки с разделительной крышкой осуществляется легкоплавким стеклом [10]. На мембране методом вакуумного напыления нанесены тонкопленочные электроды, проходящие через зону стеклоспая мембраны с разделительной крышкой, и образующие снаружи контактные площадки, предназначенные для подключения TP к внешней электронной схеме. Измеряемая разность давления воздействует на мембрану. Под действием этого давления мембрана прогибается, растягивая TP и изменяя его резонансную частоту. В результате изменяется частота выходного сигнала датчика. Для увеличения чувствительности и аппаратной компенсации воздействия температуры и статического давления применяют дифференциальное включение двух идентичных ТР. Один монтируют в центральной зоне мембраны с деформацией одного знака, а второй у внешнего края мембраны испытывающей деформацию другого знака. Поэтому при подаче дифференциального давления резонансная частота одного резонатора увеличивается, а другого уменьшается [1] (см. фиг. 1).
В результате аппаратного вычитания сигналов пары TP получаем существенное увеличение отношения полезный сигнал-шум.
Недостатком рассмотренных кварцевых и подобных ЧЭ из других материалов - это ограниченные условия их применения для измерения разности давлений только газообразных чистых неагрессивных сред при небольших статических давлениях. Это связано с тем, что при увеличении плотности среды, в которой совершает резонансные колебания TP, интенсивно снижается их добротность вплоть до срыва колебаний.
Возможность измерения дифференциального давления жидких и газообразных агрессивных сред при небольшом статическом давлении до 0,7 МПа можно реализовать в известных конструкциях частоторезонансных датчиков, у которых ЧЭ содержат две измерительные мембраны, на поверхностях которых обращенных друг к другу в центральной части закреплены два ТР. Эти мембраны, соединенные по периферии через проставку, образуют герметичную вакуумированную полость, которая позволяет сохранить высокодобротные колебания пары TP при измерении разницы давлений агрессивных сред.
Известны подобные ЧЭ выполненные из монокристаллического кварца АТ-среза с TP с пьезоэлектрическим возбуждением толщиносдвиговых резонансных колебаний [1] (с. 165, 166, рис. 5.23 а), а так же ЧЭ, выполненные из монокристаллического кремния, содержащие две идентичные мембраны разделенные вакуумированным промежутком с эпитаксиально выращенными на них TP, с магнитоэлектрическим возбуждением резонансных колебаний [11].
Основным недостатком этих ЧЭ и датчиков на их основе является невозможность измерять с высокой точностью малые перепады давлений на фоне больших статических давлений.
Из-за наличия вакуума между двумя мембранами, на их внешние поверхности действует полное (некомпенсированное) статическое давление, уменьшая тем самым разрешающую способность измерения разницы давлений, так как для предотвращения разрушения мембран необходимо увеличивать их толщину пропорционально величине этого статического давления. Кроме того, при дифференциальном включение TP, расположенных на двух мембранах, предъявляются повышенные требования к их идентичности с целью получения близких коэффициентов преобразования, позволяющих произвести наиболее полную компенсацию дестабилизирующих внешних воздействий (шума). Изготовление датчика дифференциального давления с ЧЭ на двух мембранах, которые по сути являются монолитной сборкой двух ЧЭ абсолютного давления, и из-за повышенного брака по идентичности трудоемко и непроизводительно. В этом случае проще выполнить датчик дифференциального давления на предварительно подобранных по идентичности раздельных ЧЭ абсолютного давления.
Выше отмеченные недостатки аналогов преодолены во взятых за прототипы частоторезонансных ЧЭ серии EJX в составе датчика дифференциального давления DPharp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) японской фирмы YOKOGAWA [12] и Европейский патент ЕР 0456029 А1 [13]. В частоторезонансном ЧЭ серии EJX в качестве упругого элемента используется кремниевая мембрана, на которой с одной стороны методами эпитаксии выращены два кремниевых TP Н-образной удлиненной формы, отделенных от внешней среды капсулами в виде выступающих над поверхностью мембраны герметичных сводов, создающих вокруг TP вакуумированные полости, обеспечивающие сохранение добротности резонансных колебаний, а также защиту резонаторов от статического давления. В отличие от мембраны, на прогиб которой статическая составляющая сравниваемых давлений не влияет, своды вакуумированных защитных капсул прогибаются под действием всего поданного давления, синхронно изменяя по мере его роста резонансные частоты TP и при превышении его определенного значения, разрушаются. Чем уже П-образное поперечное сечение капсулы и толще ее стенки, тем больше предельное давление ее разрушения.
Основные достоинства прототипа в составе датчика дифференциального давления, отличающее его от аналогов, - это возможность за счет применения защитных капсул измерять с высокой точностью малые перепады больших давлений. Резонаторы, закрытые защитными капсулами расположены на центральном и периферийном участках мембраны испытывающими, при подаче с ее противоположных сторон отличающихся давлений, деформации с разными знаками. При этом у резонатора, предварительно настроенного на большую резонансную частоту, резонансная частота увеличивается, а у резонатора с меньшей частотой она уменьшается. В прототипе возбуждение резонансных механических колебаний и их преобразование в электрический частотный сигнал происходят за счет использования эффекта электромагнитной индукции путем пропускания через них переменного электрического тока при одновременном воздействии поперечного магнитного поля постоянного магнита. В электронном блоке датчика выделяется электрический частотный сигнал равный текущей разнице резонансных частот резонаторов. Это так называемое дифференциальное включение ТР. Точность преобразования деформации мембраны под действием дифференциального давления в электрический частотный сигнал тем выше, чем больше сумма тензочувствительностей пары резонаторов и чем меньше и идентичнее их чувствительности к статическому давлению и к дестабилизирующим воздействиям (шумам). Особенно важна роль идентичности, так как электронный блок датчика настроен так, что полезные изменения частот пары TP, вызванных дифференциальным давлением, суммируются, а их паразитные изменения частот от дестабилизирующих воздействий внешних и внутренних факторов вычитаются. Поэтому при обеспечении равенства чувствительностей пары TP к паразитным факторам их дестабилизирующее влияние на выходной сигнал исключается.
Но из известных расчетов и экспериментов следует, что для плоской круглой мембраны, жестко защемленной по периферии, при монтаже на ее поверхности одного TP, максимальную чувствительность можно получить при расположении TP по диаметру мембраны симметрично с ее центром и при длине TP равной 0,6-0,7 части диаметра мембраны, за пределами которого при нагрузке следует смена знака деформации ее элементарных участков. Поэтому протяженности периферийной зоны измененной деформации мембраны недостаточна для монтажа второго TP с длиной равной 0,7 части диаметра мембраны. Следовательно, в данном варианте можно смонтировать пару идентичных TP с длиной, не превышающей протяженность периферийной зоны деформации одного знака (см. фиг. 1). Можно также, идентичные TP, с длиной равной протяженности центральной зоны деформации одного знака, смонтировать с перехлестом по длине с захватом участка мембраны с противоположным знаком деформации, или при параллельном смещении относительно диаметра на разные расстояния (см. фиг. 2, 3). В любом из этих вариантов суммарная чувствительность ЧЭ к давлению будет меньше удвоенной максимально достижимой чувствительности ЧЭ с одиночным ТР. У прототипа идентичные с одинаковой чувствительностью TP смонтированы с одной стороны мембраны в пределах зон деформаций одного знака, но из-за их удаленности друг от друга сила воздействия на них внешних дестабилизирующих факторов может значительно различаться. И это усложняет их нейтрализацию и ограничивает пределы повышения точности датчика. Приведенное выше справедливо и для мембран не круглой формы с разной средней толщиной и мембран с переменным рельефом по толщине [2].
Задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, ЧЭ и датчика дифференциального давления на его основе, заключается в получении возможности по сравнению с прототипом увеличить точность, разрешающую способность и долговременную стабильность измерений дифференциального давления за счет получения технического результата, выраженного в увеличении полезной чувствительности к давлению и более полной нейтрализации дестабилизирующих факторов: температуры, вибраций, ударов, старения, статического давления, включая их взаимное влияния и других факторов «шума».
В части ЧЭ дифференциального давления технический результат достигается тем, что в частоторезонансном ЧЭ дифференциального давления содержащим измерительную мембрану, на поверхности которой в зонах с разным знаком деформаций, возникающих при ее прогибе, узловыми точками жестко закреплены два TP, настроенные на разную резонансную частоту и герметично закрытые в вакууме или в среде нейтрального газа защитными крышками с углублениями, а по контуру измерительной мембраны с одной или в варианте с обеих ее сторон герметично смонтирована одна или соответственно две разделительные крышки смонтирована одна или соответственно две разделительные крышки с выборками перекрывающими TP с защитными крышками, форма соединения которых определяет форму и площадь рабочей части мембраны, причем в выборках разделительных крышек, глубиной превышающей высоту защитных крышек, выполнены сквозные отверстия, предназначенные для раздельной подачи сравниваемых давлений, на противоположные стороны измерительной мембраны, новым является то, что составляющие пару, закрытые защитными крышками и настроенные на разную резонансную частоту, TP расположены с противоположных сторон измерительной мембраны в ее центральной части со смещением по толщине относительно ее нейтральной плоскости во внешние стороны.
При таком размещении пары идентичных TP с противоположных сторон мембраны при длине их активных частей равных протяженности центральных зон однородных деформаций, возникающих при прогибе мембраны, получаем максимально возможную суммарную чувствительность к полезной силе, прогибающей мембрану по сравнению с суммарной чувствительностью пары TP при ином ее расположении на поверхности мембраны. Кроме того, близкое расположение TP друг к другу и удаленность от контура мембраны создают условия, когда состав, величина и время воздействия на них дестабилизирующих факторов будут близкими. Если при этом применять TP с максимально идентичной конструкцией обладающих одинаковой чувствительностью к дестабилизирующим факторам и статическому давлению, то по сравнению с прототипом в заявляемом варианте получим более полную их компенсацию и соответственно большее отношение полезный сигнал - «шум».
В варианте исполнения ЧЭ для получения меньших искажений формы прогиба тонких мембран, вызванных упругим противодействием пары TP, закрытых защитными крышками, TP этой пары расположены в центре с противоположных сторон измерительной мембраны так, что их оси симметрии параллельные толщине совпадают, а проекции осей тензочувствительности резонаторов, совпадающие с осями симметрии по их длине, пересекаются под прямым углом.
В ЧЭ с относительно толстыми мембранами, предназначенными для измерения относительно больших дифференциальных давлений, искажение формы прогиба измерительной мембраны упругим противодействием пары относительно тонких TP незначительно. Поэтому для большей идентичности воздействий дестабилизирующих факторов резонаторы этой пары, герметично закрытые защитными крышками, расположены соосно и зеркально с противоположных сторон измерительной мембраны в ее центре.
Для получения высокой добротности резонансных колебаний в широком диапазоне температур и минимизации переходных процессов при ударном воздействии внешних факторов, в заявляемом варианте ЧЭ тензочувствительные резонаторы с защитными крышками, измерительная мембрана с одной или двумя разделительными крышками выполнены из монокристаллического материала с близкой кристаллографической ориентацией и соединены между собой соединительным материалом с близким температурным коэффициентом линейного расширения. Известно, что монокристаллические материалы обладают высокими упругими свойствами и малым внутренним трением.
К наиболее технологически освоенным монокристаллическим материалам относятся кремний и кварц. В варианте выполнения ЧЭ из кремния можно получить миниатюрную технологичную конструкцию. Но кремний не обладает пьезоэлектрическим эффектом и для возбуждения резонансных колебаний используется энергозатратный магнитоэлектрический способ.
Для работы при высоких температурах, в условиях повышенной радиации ЧЭ выполнен из деталей монокристаллического кварца Z-среза, причем TP выполнены в форме бруска или сдвоенного камертона изгибных колебаний относительно низкой частоты (в пределах от трех до пятисот кГц), возбуждаемых пьезоэлектричским способом, а все соединения выполнены легкоплавким стеклом с близким температурным коэффициентом линейного расширения. Кроме малого потребления, низкочастотные TP изгибных колебаний имеют высокую относительную сило- и тензочувствительность до десяти процентов от резонансной частоты.
Для большего быстродействия и возможности беспроводной передачи сигнала, предлагаемый ЧЭ выполнен из деталей монокристаллического кварца АТ-среза, причем TP выполнены в форме полоска толщинносдвиговых колебаний с резонансной частотой более трех МГц.
Для технологичности сборки и обеспечения сохранения высокой добротности TP при высоких статических давлениях защитные крышки ЧЭ выполнены в виде набора пластин, состоящего из рамки с одной стороны герметично соединенной с поверхностью измерительной мембраны, а с другой - с плоскопараллельной пластиной, а внутри образованной полости к поверхности измерительной мембраны зонами у узловых точек закреплен ТР.
При этом толщина его зон у узловых точек, расположенных у торцов ТР.меньше толщины рамки, но больше толщины его резонирующей части,
чем обеспечивается гарантированный зазор вокруг резонирующей части
ТР.
Для защиты от высоких статических давлений TP и ширина полости выполнены максимально узкими, а все соединения выполнены легкоплавким стеклом.
Для повышения долговременной стабильности за счет уменьшения площади соединений в предлагаемом варианте ЧЭ защитные крышки выполнены в виде набора пластин, состоящего из рамки с одной стороны соединенной с поверхностью измерительной мембраны, а с другой с плоскопараллельной пластиной, причем рамка, выполненная как часть защитной крышки, является так же зоной узловых точек ТР., которая выполнена монолитно (без соединительных швов) с резонирующей частью, расположенной внутри рамки. Причем толщина резонирующей части ТР. меньше толщины рамки, что обеспечивает гарантированный зазор между резонирующей части TP и внутренними поверхностями полости защитной крышки и измерительной мембраны.
Заявляемый частоторезонансный датчик (ЧД) дифференциального давления состоит из герметичного прочного измерительного корпуса, рассчитанного на подачу внутрь, к закрепленному там ЧЭ давления, превышающего значение верхнего предела большего из сравниваемых давлений и электронного блока. Снаружи к измерительному корпусу датчика присоединены два ввода для присоединения и подачи внутрь сравниваемых давлений. При работе с агрессивными газами и жидкостями к вводам герметично присоединяют жидкостные мембранные разделители, содержащие мембраны из коррозионностойкого материала, которые отделяют внутренние объемы корпуса датчика и ЧЭ от измеряемых агрессивных сред. Внутренние объемы корпуса датчика и ЧЭ заполняют неагрессивной кремнийорганической жидкостью. Для защиты ЧЭ от перегрузки по одному из сравниваемых давлений применяют мембранные разделители, содержащие защитное основание, повторяющее профиль разделительной мембраны из нержавеющей стали.
Преимущество предлагаемого ЧД в сравнении с прототипом состоит в том, что в его конструкции используется ЧЭ, обеспечивающий большую чувствительность ЧД к дифференциальному давлению и меньшую зависимость от управляемых и неуправляемых дестабилизирующих факторов.
Значительный вклад в получении технического результата, заключающегося в уменьшении отрицательного влияния на ЧЭ корпуса ЧД вносит конструкция крепления ЧЭ к измерительному корпусу ЧД.
В предлагаемой конструкции - это крепление выполнено соединением через проставку центральной части внешней поверхности разделительной крышки и внутренней поверхности измерительного корпуса ЧД с образованием вне зоны соединения минимального зазора.
Минимальный зазор в варианте ЧД с системой жидкостного разделителя от агрессивной среды минимизирует отрицательное влияние «баллонного эффекта» - повышения давления силопередающей жидкости при увеличении температуры.
Любое упругое тело, имеющее несколько разноразмерных элементов, имеет множество механических резонансов, которые могут возникать при воздействии внешней переменной силы и могут изменяться при воздействии температуры. При конструировании конкретной модели ЧД детали ЧЭ и его соединения с ЧД рассчитывают или подбирают экспериментально таким образом, чтобы активные паразитные резонансы в зоне полезной девиации резонансной частоты отсутствовали или были подавлены.
Как у заявленного ЧД, так и у ЧД прототипа, для минимизации термомеханических напряжений из-за разницы температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) относительные площади их соединений с ЧЭ выполнены минимальными. Но при этом могут возникать паразитные резонансные колебания незакрепленных частей корпуса ЧЭ. Изменение добротности и значений частот этих паразитных резонансов под действием внешних факторов могут сместить частоту основного резонанса ТР. Поэтому для ослабления влияния внешних факторов на установившиеся связанные резонансные колебания системы TP и корпус ЧЭ соединение ЧЭ с корпусом ЧД выполнено в области узловой точки возможных паразитных резонансных колебаний этой системы. У заявленного ЧЭ эта узловая точка находится в центральной части внешней поверхности разделительной крышки ЧЭ. По результатам испытаний вариантов этих соединений с разной площадью эффект уменьшения влияния внешних факторов на основную резонансную частоту через соединение вокруг узловой точки заметен при размерах пятна этого соединения не превышающих половины наибольшего размера мембраны ЧЭ. Причем, чем ближе граница соединения к узловой точке, тем меньше влияния внешней среды. Предел уменьшения площади соединения ограничивается требованиями механической прочности к ЧЭ.
Негативное влияние внешней среды через не идеальное соединение ЧЭ и ЧД возле узловой точки можно уменьшить, если это соединение выполнить хотя бы через один слой эластичного соединительного материала, например, клея с пластификатором. В варианте заявляемого ЧД проставка выполнена из того же материала, что и материал ЧЭ в форме шайбы, а ее соединения с ЧЭ и ЧД образованы из двух слоев эластичного материала, выполняющих роль акустического демпфера.
В вариантах исполнения заявляемого ЧД, когда влияние «баллонного эффекта» не велико (при узком рабочим диапазоне температур), применен ЧЭ с двумя разделительным крышками. Одна из которых, со стороны смонтированного TP с большей резонансной частотой, герметично через полую проставку соединена с корпусом датчика в месте подачи меньшего давления. А другая, с целью обеспечения идентичности реакции пары TP на внешние воздействия, присоединена к противоположной поверхности измерительной мембраны без контакта с внутренней стенкой корпуса датчика, при этом большее из сравниваемых давление подается внутрь корпуса ЧД и через отверстие в разделительной крышке на измерительную мембрану. В результате образованное дифференциальное давление прогибает мембрану и сжимает корпус и соединения ЧЭ, предотвращая их от отслаивания и разрушения, а статическая составляющая давлений, поданных внутрь корпуса ЧЭ и в зазор между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса ЧД действует на защитные крышки TP и изнутри на корпус ЧД. В данном варианте ЧД допустимый верхний предел статического давления определяется прочностью защитных крышек TP и прочностью корпуса датчика.
При необходимости измерения небольших перепадов давления неагрессивных сред при ограниченном статическом давлении до 0,4 МПа в варианте конструкции применяется Low cost-решение, в котором ЧЭ расположен на электронной плате или в простом не герметичном корпусе датчика, а сравниваемые давления подаются с двух сторон внутрь корпуса ЧЭ через штуцера, вклеенные в отверстия разделительных крышек. При этом статическая составляющая давления, поданного внутрь корпуса ЧЭ, снаружи не компенсируется, поэтому допустимый верхний предел статического давления в первую очередь определяется прочностью соединения разделительных крышек с измерительной мембраной к силе, действующей на разрыв соединений.
В вариантах, когда влияние «баллонного эффекта» существенно (вариант с жидкостными мембранными разделителями для работы с агрессивными средами, работа в широком диапазоне температур и т.д.) в ЧД смонтирован ЧЭ без второй разделительной крышки, что позволяет уменьшить зазор и соответственно объем силопередающей жидкости и снизить влияние «баллонного эффекта».
Группа изобретений поясняется десятью фигурами с применением следующих обозначений: 1 - ЧЭ дифференциального давления; 2 - измерительная мембрана; 3 - TP, настроенный на большую резонансную частоту; 4 - TP, настроенный на меньшую резонансную частоту; 5 - верхняя разделительная крышка с отверстием для подачи меньшего давления; 6 - нижняя разделительная крышка; 7 и 8 - внешние контактные площадки ЧЭ для электрического соединения возбуждающих электродов пары TP с электронным блоком 21; 9 - тонкопленочные электроды, проходящие от TP через зону соединения мембраны с разделительной крышкой к внешним контактным площадкам ЧЭ; 10 - зоны соединения деталей ЧЭ упругим материалом (эвтектикой, расплавленным стеклом, стеклоцементом и т.д.); 11 - генератор, подключенный к TP с большей резонансной частотой (F1); 12 - генератор, подключенный к TP с меньшей резонансной частотой (F2); 13 - смеситель, выдающий текущую частоту, пропорциональную дифференциальному давлению и равную разности текущих частот пары генераторов; 14 - акустический демпфер из эластичного соединительного материала; 15 - штуцер для подачи сравниваемого давления; 16 - уплотнительные кольца; 17 - резонирующая часть TP; 18 - участок рамки в области узловой точки TP; 19 - плоскопаралельная пластина защитной крышки; 20 - измерительный корпус ЧД; 21 - электронный блок возбуждения резонансных механических колебаний и преобразования их в частотный электрический сигнал; 22 - герметичные вывода для электропроводного соединения электродов ЧЭ с электронным блоком; 23 - проставка для соединения ЧЭ с корпусом ЧД с образованием между ними вне зоны соединения гарантированного зазора; 24 - вводы для герметичного соединения ЧД со средами с измеряемыми давлениями;: 25 - жидкостные разделители для передачи на ЧЭ сравниваемых давлений агрессивных сред и защиты его от односторонней перегрузки по одному из давлений; 26 - не агрессивная жидкость, передающая давление на измерительную мембрану ЧЭ; 27 - два клапана для заполнения внутренних полостей измерительного корпуса ЧД и ЧЭ. силопередающей жидкостью; 28 - термочувствительный резонатор, подключенный к электронному блоку возбуждения резонансных механических колебаний и преобразования их в частотный электрический сигнал в зависимости от температуры.
На фиг. 1, 2, 3 изображены варианты размещения пары TP 3, 4 с одной стороны измерительной мембраны 2, ЧЭ дифференциального давления аналогов и прототипа, обеспечивающие при прогибе мембраны, одинаковуютензочувствительность с разным знаком.
На фиг. 4 изображен разрез и вид с боку варианта изобретения ЧЭ с двумя разделительными крышками 5 и 6 с размещением пары TP 3, 4, с противоположных сторон измерительной мембраны 2 в ее центре так, что их оси симметрии параллельные толщине совпадают, а проекции осей тензочувствительности резонаторов, совпадающие с осями симметрии по их длине, пересекаются под прямым углом.
На фиг. 5 и 6 изображены виды увеличенных фрагментов разреза фиг. 4, с изображением участка мембраны 2 с закрепленной упругим соединительным материалом 10 парой TP 3 и 4, с защитными крышками 19, показана резонирующая часть 7 монолитного рамочного TP 3, и не участвующая в резонансных колебаниях, область соединения TP у узловой точки.
На фиг. 7 показан разрез ЧЭ по плоскости параллельной плоскости мембраны 2, показаны токопроводящие дорожки 9 проходящие через зону соединения разделительной крышки с мембраной 2 к контактным площадкам 7 и 8, и схема коммутации с электронным блоком системы возбуждения резонансных колебаний 21.
На фиг. 8 и 9 изображены варианты ЧЭ с зеркальным закреплением пары ЧЭ 3 и 4, а также в этом варианте к двум разделительным крышкам 3 и 4 с отверстиями эластичным соединительным материалом 14 присоединены два штуцера 15 с уплотнительными кольцами 16. Вариант ЧЭ с двумя штуцерами может быть основой для бюджетного без корпусного дифференциального датчика, рассчитанного на статические давления не превышающие 0,4 М Па.
На фиг. 10 изображен разрез ЧД дифференциального давления с мембранными разделителями 25, с внутренней полостью измерительного корпуса 20, заполненной через клапаны 27 силопередающей жидкостью 26, с ЧЭ 1 содержащим только одну разделительную крышку 5. Показано соединение ЧЭ с корпусом ЧД через проставку 23, штуцер 15 и два слоя эластичного соединительного материала 14.
Датчик с ЧЭ работает следующим образом: давления Р1 и Р2, у которых измеряется разность значений, при условии, что возможные значения давления Р2 не превышают значения давления Р1, передаются на измерительную мембрану 2 ЧЭ по выделенным входам через мембранные разделители 25 (фиг. 10) или в варианте через штуцера 15 (фиг. 8). При воздействии разницы давлений Р1 и Р2 измерительная мембрана 2 прогибается в сторону подачи через штуцер 15 и отверстие в верхней разделительной крышке 5 меньшего давления Р2. При этом выпуклая поверхность в центральной части мембраны 2 вместе с закрепленным на ней TP 3 растягиваются, а вогнутая поверхность вместе с закрепленным на ней TP 4 сжимается. При деформации TP, подключенные к системе возбуждения и поддержания в них механических резонансных колебаний, пропорционально изменяют частоты своих резонансов. Кроме полезных изменений значений резонансных частот пары TP под действием разницы давлений за счет прогиба измерительной мембраны возможны дополнительные смещения резонансных частот TP, за счет воздействия ряда выделенных (таких как давления Р1 и Р2, температуры, старения) и не выделенных факторов «шума». В отсутствии нагрузки каждый из пары TP, в зависимости от его конструкции и принципов действия, может быть настроен на выбранную в ограниченном интервале резонансную частоту, принимаемую за нулевую (F0). Если бы оба из пары TP были настроены на одну нулевую резонансную частоту, то можно было ожидать, что подача большего давления и соответствующий прогиб измерительной мембраны с любой ее стороны вызывали бы пропорциональное увеличение разницы резонансных частот (ΔF) пары ТР. Но при высокой добротности составляющих деталей ЧЭ и близкого расположения друг от друга TP при малой разнице давлений между ними может возникать акустическая связь приводящая к взаимным перескокам резонансных частот, искажающим показания ЧД дифференциального давления. Поэтому пару TP настраивают с разницей нулевых резонансных частот исключающей их взаимное влияние. При этом подача в ЧД большего из сравниваемых давлений Р1 производится через маркированный вход (разделитель 25), на внешнюю сторону измерительной мембраны 2 ЧЭ, на которой закреплен TP 4, настроенный на меньшую резонансную частоту и соответственно меньшее или равное давление подается на другую сторону мембраны, на которой закреплен TP 3, настроенный на большую резонансную частоту. С ростом разницы давлений резонансные частоты TP будут расходиться, обеспечивая высокую точность преобразования. Но если достаточно разнести нулевые частоты TP 4 и TP 3, то возможно получение ΔF при подаче большего давления с любого ввода ЧД, но с ограничением по дифференциальному давлению не более 0,4 МПа). Модулированные механическими резонансными колебаниями TP частотные электрические сигналы поступают по проводникам, проходящим через гермовывода 22 в электронный блок 21 ЧД, в котором они преобразуются в разностный частотный электрический сигнал ΔF и далее в процессоре, который может располагаться непосредственно в электронном блоке ЧД или быть удаленным на значительное расстояние, после градуировки может формироваться цифровой электрический сигнал дифференциального давления. В варианте ЧД можно выполнить много параметрическим, преобразующим в частотный сигнал показания дифференциального давления, статической составляющей сравниваемых давлений и температуры. Показание статического давления можно выделить путем сложения текущих резонансных частот пары TP 3 и 4. При этом разнополярные изменения резонансных частот, вызванных прогибом мембраны 2 дифференциальным давлением вычитаются и исключаются из показаний ЧД. После этого показания ЧД будут отражать изменение резонансных частот пары TP вызванных деформацией их защитных крышек (капсул) 19 статической составляющей сравниваемых давлений, а также деформациями составляющих компонентов и соединений ЧЭ и ЧД, вызванных температурой и набором факторов «шума». Применение термочувствительного резонатора 28 позволяет получить частотный электрический сигнал Ft пропорциональный температуре внутри корпуса 20 ЧД, а также компенсировать оставшуюся разницу воздействия температуры на резонансные частоты пары TP 3 и 4.
Для подтверждения возможности получения задуманного технического результата при реализации, заявляемой группы изобретений ЧЭ и ЧД из монокристаллического кварца Z-среза были изготовлены и испытаны два варианта опытных образцов. Один соответствовал заявляемому изобретению, изображенному на фиг. 4, 5 и 6. У этих образцов ЧЭ пара TP 3 и 4 закреплены с противоположных сторон измерительной мембраны 2 в ее центре. Все детали ЧЭ, кроме металлического штуцера 15, соединены легкоплавким стеклом. Рабочий диаметр мембраны 2 составил 19 мм, а ее толщина - 0,2 мм. Резонирующая часть TP выполнена фотолитографией как одно целое с рамкой 18 в форме сдвоенного камертона 17 с резонансной частотой в диапазоне от 40 до 49 килогерц. Сверху в вакууме по контуру рамки 18 герметично приварена кварцевая защитная крышка 19. Размер, выступающей над поверхностью мембраны защитной крышки (капсулы) составил: 0,33*4,0*10 миллиметров, а размер вакуумированной полости -0,2*1,1*7,5 миллиметров. Для большей идентичности пары TP для ЧД подбирались из одной партии, изготовленной в одном технологическом цикле, с начальной разницей резонансных частот в пределах от одного до полутора килогерц.
Во втором варианте ЧЭ, соответствующем аналогам и прототипу, (см. фиг. 1) пара TP 3 и 4 приварена легкоплавким стеклом только с одной стороны рабочей мембраны 2 диаметром 19 миллиметров. Один из пары TP, расположен в ее центре в зоне однородной деформации, ограниченной диаметром 10 миллиметров, а второй на периферии соосно с первым на участке от диаметра 10 миллиметров до выборки в зоне соединения 10 мембраны 2 с разделительной крышкой 5 с закреплением торца TP на расстоянии 9,75 миллиметров от ее центра.
На стенде, задающем ряд сочетаний уровней давлений P1, Р2 с разностью до 370 мм.рт.ст. и температур в пределах от минус 40°С до 85°С фиксировались соответствующие отклики резонансных частот ЧД F1, F2, их разность, а также частоты Ft встроенного в корпус датчика термочувствительного резонатора. В результате обработки показаний сравниваемых вариантов ЧД. для первого варианта суммарная чувствительность к дифференциальному давлению получена в пределах (3,3-3,6) Гц/мм.рт.ст. или (82-90) ррм/мм.рт.ст, при разнице чувствительностей пары TP к одностороннему давлению не более 7%. Чувствительность TP к статическому давлению, подаваемого одновременно на обе стороны измерительной мембраны в пределах до 5 МПа, не превышала 0,0096 Гц/ мм.рт.ст или 0,24 ррм/мм.рт.ст, при разнице в парах TP не более 0,001 Гц/ мм.рт.ст или 0,03 ррм/мм.рт.ст.
В отличие от первого варианта суммарная чувствительность к дифференциальному давлению пары TP второго варианта ЧЭ не превышала 2,5 Гц/мм.рт.ст или 62 ррм/мм.рт.ст. При этом чувствительности периферийных TP к одностороннему давлению, поданному на измерительные мембраны ЧЭ, получены в среднем в два раза меньшими чем чувствительности к одностороннему давлению центральных ТР.
Сравнение параметров вариантов опытных образцов ЧЭ и ЧД подтверждает получение при реализации изобретения задуманного технического результата по увеличению чувствительности к дифференциальному давлению и более полной компенсации воздействий дестабилизирующих факторов "шума" за счет получения большего равенства, вызванных ими изменений резонансных частот пары ТР.
Список литературы:
1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. / В.В. Малов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 272 с.
2. Патент RU №2480723, Датчик давления на основе нано - и микроэлектромеханической системы повышенной точности и надежности. МКИ: G01L 9/04, В82В 1/00, опубликован 27.04.2013 г., авторы: Васильев В.А., Хованов Д.М.
3. Исследование емкостного датчика давления. Методические указания к лабораторной работе. // Самарский государственный аэрокосмичечкий университет им. академика СП. Королева. Составители: В.Н. Конюхов, К.Е. Воронов. Самара, 2006, 23 с.
4. B.C. Волков, Д.А. Кудрявцева, А.Р. Вергазов. Современные направления развития преобразователей давления с частотным выходом. // Измерение Мониторинг Управление Контроль. - 2014. - №4. - С. 20-28.
5. Патент RU №2362133 Микроэлектронный датчик абсолютного давления и чувствительный элемент абсолютного давления. МКИ: G01L 9/04, H01L 29/84, опубликован 20.07.2009 г., авторы Н.Л. Данилова, В.В. Панков, B.C. Суханов.
6. Патент RU №2097721 Преобразователь давления. МКИ: G01L 9/04, опубликован 27.11.1997 г., авторы: Тимофеев Г.Д., Адаскин М.Г., Востоков П.В., Панферов А.А.
7. Мулев Ю.В. Манометры. / Ю.В. Мулев. - М.: Издательство МЭИ, 2003, 277 с.
8. Патент RU №2295119 Дифференциальный датчик давления с симметричной погрешностью. МКИ: G01L 13/02, опубликован 20.01.2006 г., авторы: Бурчик Д., Данхауер В.
9. В.Б. Поляков, А.В. Поляков, М.А. Одинцов. Перспективы кварцевых пьезорезонансных датчиков. // Приборы. - 2011. - №3. - С. 39.
10. Патент RU №2540749 Легкоплавкое стекло «2ЛС». МКИ: С03С 3/074, опубликован 10.02.2015 г., авторы: Рачковская Г.Е., Поляков В.Б., Поляков А.В., Семенкова О.С.
11. Патент RU №2548582 Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом и датчик для осуществления способа. МКИ G01L 11/00, опубликован 20.04.2015 г., авторы: Бардин А.В., Филонов О.М., Меткин Н.П., Окин П.А.
12. ЧЭ серии EJX в составе датчика дифференциального давления DPharp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) японской фирмы YOKOGAWA (Международный журнал Control Engineering Россия 01.02.2008).
13. Патент ЕР №0456029 A1 Vibrating type pressure measuring device. МКИ: G01L 11/00, опубликован 13.11.1991 г., авторы: Ikeda Kyoichi, Watanabe Tetsuya, Kudo Takahiro, Fujita Akio, Tsukamoto Hideo, Kohno Nobuaki, Kuwayama Hideki.