ЧАСТОТОРЕЗОНАНСНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ДАТЧИКА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
FREQUENCY-RESPONSE SENSITIVE ELEMENT FOR DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к частоторезонансным чувствительным элементам (ЧЭ) для датчиков дифференциального давления, способных с высокой точностью преобразовывать в частотный электрический сигнал дифференциальное давление жидких и газообразных агрессивных сред, находящихся под высоким статическом давлением. Выбранное направление, развиваемое заявленным изобретением характеризуется применением в качестве упругого элемента мембраны, разделяющей друг от друга среды, разность давлений которых вызывает в ней воспроизводимые деформации. А в качестве преобразователей деформации мембраны в частотный электрический сигнал применены выполненные по технологии частоторезонансных микроэлектромеханических систем (МЭМС) высокодобротные тензочувствительные резонаторы (TP) (Патент RU на полезную модель №54202, Пьезорезонансный датчик. МКИ: G01P 5/10; НОЗН 9/15; опубликован 10.06.2006 г., приоритет 31.01.2006 г., авторы: Лукьянчук В.Н., Осоченко Е.А., Ванин А.В., Поляков В.Б., Поляков А.В.) [1], включенные в цепь обратной связи с электронным блоком возбуждения.
Общим для вариантов исполнения TP является наличие резонирующей части, расположенной как минимум между двух узловых точек. Резонирующая часть TP, при отсутствии значительного сопротивления окружающего пространства, способна совершать механические колебания, частота которых зависит от ее размеров и упругих свойств, а также от внешних воздействий, изменяющих эти упругие свойства. Узловые точки и прилегающие к ним участки во время резонанса не участвуют в резонансных колебаниях, и поэтому могут быть точками тензовоздействия деформируемого участка мембраны.
Превышение давления с одной стороны мембраны над давлением с другой стороны вызовет ее прогиб в сторону меньшего давления. При этом в области малых перемещений участки поверхности мембраны со стороны меньшего давления в ее центральной части, будут растягиваться как по радиусу (радиальные деформации), так и по окружности (тангенциальные деформации), а на периферии сжиматься, и наоборот, со стороны большего давления ее центральные участки будут сжиматься, а периферийные растягиваться (Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. / В.В. Малов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 272 с.; 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.) [2, 3].
У частоторезонансных ЧЭ суммарная (интегральная) деформация участка мембраны вызывает соответственное растяжение или сжатие, закрепленного на ней TP [3]. Для относительно тонких круглых мембран ее центральная зона однородных деформаций составляет 0,6-0,7 от диаметра мембраны. Поэтому максимальную деформацию, и соответственно чувствительность ЧЭ, можно получить при закреплении TP в центральной зоне однородной деформации мембраны в пределах 0,6 ее диаметра, при длине резонирующей части TP также равной 0,6-0,7 диаметра мембраны [3]. Для увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности выходного сигнала ЧЭ также применяют не плоские и не круглые мембраны (прямоугольные, с жестким центром и другие) оптимальные зоны однородных деформаций, и расположение тензочувствительных элементов, на которых рассчитываются методами математического моделирования.
В настоящее время наиболее точные датчики получены мембранами, изготовленными из монокристаллов кремния и кварца (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.) [4].
Известен ЧЭ изготовленный из пьезокварца, корпус которого содержит две плоские крышки, соединенные друг с другом через кольцевую проставку. Одна из крышек служит мембраной, на которой в ее центральной части внутри или снаружи полости узловыми точками закреплен кварцевый TP [2].
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 прочный корпус датчика.
Соединение резонатора с мембраной, мембраны с проставкой, проставки с разделительной крышкой осуществляется легкоплавким стеклом (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.) [5].
На мембране методом вакуумного напыления нанесены тонкопленочные электроды, проходящие через зону стеклоспая мембраны с кольцевой проставкой, и образующие снаружи контактные площадки, предназначенные для подключения TP к внешней электронной схеме.
Для увеличения чувствительности и 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.
В результате вычитания сигналов пары TP получаем существенное увеличение отношения полезный сигнал-шум.
Недостатком рассмотренных кварцевых и подобных ЧЭ из других монокристаллических материалов - это ограниченные условия их применения только для измерения разности давлений 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 ваккумированную 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 толщинносдвиговых резонансных колебаний [2] (с.165, 166, рис. 5.23 а), а также ЧЭ, выполненные из монокристаллического кремния, содержащие две идентичные мембраны, разделенные вакуумированным промежутком с эпитаксиально выращенными на них TP, с магнитоэлектрическим возбуждением резонансных колебаний (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.) [6].
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 мембранам, на их внешние поверхности действует полное (нескомпенсированное) статическое давление. И при необходимости измерений разницы давлений с большей статической составляющей для предотвращения разрушения мембран необходимо увеличивать отношение ее толщины к ее диаметру, уменьшая тем самым разрешающую способность измерения разницы давлений. Кроме того, расположение пары TP на двух мембранах снижает идентичность их чувствительностей к дестабилизирующим воздействиям внешних факторов.
Выше отмеченные недостатки аналогов преодолены во взятых за прототипы частоторезонансных ЧЭ серии EJX в составе датчика дифференциального давления DPharp (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); 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.) [7, 8].
В частоторезонансном ЧЭ серии EJX в качестве упругого элемента используется кремниевая мембрана, на которой с одной стороны методами эпитаксии выращены два кремниевых тензочувствительных резонатора Н-образной удлиненной формы, отделенных от внешней среды капсулами в виде выступающих над поверхностью мембраны герметичных сводов, создающих вокруг TP ваккумированные 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 увеличивая 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. Эти деформации разного знака пропорциональные разнице давлений деформируют также с разным знаком тензочувствительные резонаторы. 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 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, как указывалось выше по тексту, центральная часть мембраны с однородной радиальной деформацией разделяет по диаметру на две части периферийную зону однородной радиальной деформации противоположного знака. Следовательно, для обеспечения идентичности параметров пары TP в прототипе их длина выполнена одинаковой и равной половине разницы диаметра мембраны и диаметра центральной зоны однородной деформации, что составляет всего 0,2 диаметра мембраны. Несмотря на использование в прототипе технических решений по достижению идентичности пары TP, их расположение в отдельных малообъемных вакуумированных капсулах не позволяет выровнять и скомпенсировать возможно не равное долговременное изменение их резонансных частот из-за различного изменения во времени вакуума в капсулах, а также из-за температурного градиента. За исключением различного положения границы смены деформации, 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 направлено заявленное изобретение, заключается в получении возможности, по сравнению с прототипом, увеличить кратковременную и долговременную стабильность измерений дифференциального давления на фоне высокого статического давления за счет увеличения чувствительности ЧЭ к дифференциальному давлению, при сохранении у составляющих пару TP равенства чувствительностей к полному давлению, а так же ослабления и уменьшения разницы чувствительностей TP к дестабилизирующим факторам «шума»: температуре, вибрации, ударам, старению, статическому давлению, включая их взаимодействия.
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 закреплена пара TP, герметично закрытых в вакууме или в среде нейтрального газа защитными крышками с углублениями образующими вокруг резонирующих частей TP вакуумированную или газозаполненную полость (капсулу), а по контуру мембраны с одной или с обеих ее сторон герметично смонтирована одна или соответственно две разделительные крышки с выборкой, перекрывающей участок измерительной мембраны, в пределах которого смонтированы резонаторы с защитными крышками, причем каждая разделительная крышка имеет отверстие для подачи одного из сравниваемых давлений, а длина каждого TP превышает его ширину и совпадает с осью его тензочувствительности, применены новые существенные признаки, заключающиеся в том, что составляющие пару TP с защитными крышками смонтированы с противоположных сторон измерительной мембраны в ее центральной зоне однородных деформаций, в которой, в пределах совмещенных проекций контуров защитных крышек, выполнено сквозное отверстие, образующее с защитными крышками общую для пары TP герметичную полость с обеспечением гарантированного зазора между резонирующими частями TP и внутренними поверхностями полости.
Выполнение отверстия в измерительной мембране, с образованием для пары TP единой полости (капсулы) позволит как минимум скомпенсировать противодействие TP и защитных крышек ее полезной деформации. Расположение единой полости с TP в центре измерительной мембраны позволит применить идентичные TP с максимально возможной длиной. Единая для пары TP полость при равной площади свода защитной крышки и площади свода капсулы прототипа будет иметь больший объем. Следовательно, при равной устойчивости к статическому давлению возможное изменение остаточного давления во времени полости большего объема будет медленнее. Соответственно, медленнее будет скорость смещения ноля (старение) резонансных частот пары ТР. При идентичности пары TP их расположение в одной полости создаст условия для компенсации не только установившихся дестабилизирующих факторов, но и так же переходных процессов.
Дополнительным результатом изобретения могут быть меньшие трудозатраты при производстве ЧЭ с размещением пары TP в объединенной полости.
В варианте исполнения ЧЭ, предназначенного для работы в широком диапазоне быстроменяющихся температур, объединенная полость с парой TP вакуумирована и заполнена остаточной атмосферой гелия. Разряженная атмосфера гелия не снижает добротность резонансных колебаний пары TP и в тоже время подвижные молекулы гелия быстро выравнивают разницу температур при локальном кратковременном термовоздействии.
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 соединенной с поверхностью измерительной мембраны вокруг контура, выполненного в ней сквозного отверстия, а с противоположной стороны соединенной с плоскопараллельной пластиной, причем рамка, выполненная как часть защитной крышки, является так же зоной узловых точек TP, которая выполнена как одно целое без соединительных швов с резонирующей частью TP, расположенной внутри рамки и толщина которой меньше толщины рамки, что обеспечивает гарантированный зазор между резонирующей частью TP и внутренними поверхностями полости защитной крышки и части поверхности мембраны ограниченной внутренним контуром рамки защитной крышки.
В варианте защитная крышка может быть монолитной с выборкой и не иметь непосредственного соединений с ТР. Обе детали могут быть соединены с измерительной мембраной у сквозного отверстия с образованием единой герметичной полости, при минимально возможном зазоре между поверхностями полости и ТР. Для защиты от высоких статических давлений TP и защитные крышки выполнены максимально узкими, а все соединения выполнены легкоплавким стеклом.
Для увеличения верхнего предела статического давления резонирующая часть рамочного TP и соответствующий внутренний контур рамки, задающий форму и площадь свода защитной крышки, выполнены с плавным или ступенчатым сужением по ширине в направлении от широких торцов TP до минимальной ширины по середине длины TP, а контур сквозного отверстия расположен в пределах внутреннего контура рамки ТР. Форма свода с сужением по сравнению с прямоугольной за счет меньшей площади выдерживает большее давление.
В варианте исполнения ЧЭ для получения большей чувствительности к дифференциальному давлению за счет большего растяжения центрального участка измерительной мембраны в направлении, совпадающим с осями тензочувствительности, закрепленных на ней TP, сквозное отверстие в мембране и соответствующие защитные крышки выполнены в форме креста с углом пересечения от 90° до 120°. Для меньшего искажения формы прогиба относительно тонких мембран резонирующие части составляющих TP расположены в выборках крестообразных крышек с перекрестием их проекций, а для обеспечения большей идентичности восприятия воздействий дестабилизирующих факторов, а также при применении удлиненных и толстых мембран, резонирующие части TP расположены в выборках крестообразных крышек параллельно. Оптимальный угол перекрестия подбирается для мембран, выполненных из анизотропного материала. Критерий оптимальности - это идентичность упругих свойств анизотропного материала мембраны в пересекающихся направлениях.
В варианте исполнения ЧЭ сквозное отверстие в измерительной мембране может быть выполнено с переменным сечением по толщине, иметь форму двух трапеций, сопряженных узкими частями. Такая форма сечения снижает концентрацию напряжений у границ сквозного отверстия и может быть получена при селективном химическом травлении.
В варианте исполнения ЧЭ сквозное отверстие в измерительной мембране может быть выполнено с переменным сечением по толщине и иметь ступенчатую форму, образованную двусторонними углублениями, не выходящими за контуры защитных крышек, и сквозным отверстием, занимающим меньшую часть площади перемычки, образованной этими углублениями.
Такая форма сечения обеспечивает высокую прочность к ударам и вибрациям, аналогичную прочности монолитной мембраны, и в тоже время для пары TP образует единую герметичную полость.
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.
Для работы при высоких температурах, в условиях повышенной радиации TP с защитными крышками, измерительная мембрана с одной или двумя разделительными крышками выполнены из монокристаллического кварца одинакового угла среза.
В варианте исполнения ЧЭ состоит 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 пятьсот кГц), возбуждаемых пьезоэлектрическим 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.
Изобретение поясняется девятью фигурами с применением следующих обозначений: 1 - ЧЭ дифференциального давления; 2 - измерительная мембрана; 3 - TP с защитной крышкой, настроенный на большую резонансную частоту; 4 - TP с защитной крышкой, настроенный на меньшую резонансную частоту; 5 - верхняя разделительная крышка с отверстием для подачи меньшего давления; 6 - нижняя разделительная крышка; 7 - внешние контактные площадки ЧЭ для электрического соединения возбуждающих электродов пары TP с электронным блоком 21; 8 - сквозное отверстие в измерительной мембране ЧЭ; 9 - тонкопленочные электроды, проходящие 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 - корпус (частоторезонансного датчика) ЧД; 15 - штуцер для подачи сравниваемого давления; 16 - ввод для подачи сравниваемого давления на измерительную мембрану ЧЭ; 17 - резонирующая часть TP; 18 - рамка, являющаяся частью защитной крышки и областью узловых точек TP; 19 - верхняя часть защитной крышки; 20 - защитная крышка из набора пластин; 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 - внутренний контур общий для защитной крышки и TP рамки; 24 - внешний контур резонирующей части TP; 25 - свод полости защитной крышки.
На фиг. 1 изображен разрез варианта изобретения ЧЭ с двумя разделительными крышками 5 и 6 и двумя штуцерами 15, с размещением пары, закрытых защитными крышками TP 3 и 4, с противоположных сторон измерительной мембраны 2 над сквозным отверстием 8 с переменным сечением, по толщине расположенным в ее центре, и контур которого не выходит за контур совмещенных проекций защитных крышек пары TP, резонирующие части 17 которых выполнены параллельными их длине. Этот вариант ЧЭ с двумя штуцерами может быть применен для измерения разности давлений неагрессивных сред с абсолютными давлениями, не превышающими 0,7 МПа.
На фиг. 2 изображен разрез варианта, смонтированного в корпусе ЧД 14 ЧЭ с двумя разделительными крышками 5 и 6 и одним штуцером 15, с размещением пары закрытых защитными крышками TP 3 и 4, с противоположных сторон измерительной мембраны 2 над сквозным отверстием 8 в форме прямоугольного креста с вертикальными стенками, расположенным в ее центре, и контур которого не выходит за контур совмещенных проекций крестообразных защитных крышек 20 TP, резонирующие части которых выполнены в выборках защитных крышек, с пересечением проекций под прямым углом.
На фиг. 3 и 4 изображены виды увеличенных фрагментов продольного и поперечного разреза фиг. 1, с изображением участка мембраны 2 в области прямоугольного сквозного отверстия с переменным трапециевидным сечением по толщине, и закрепленной упругим соединительным материалом 10, парой TP 3 и 4 с защитными крышками. Показана резонирующая часть 17 монолитного рамочного TP 3, и область соединения TP возле узловой точки 18, не участвующей в резонансных колебаниях.
На фиг. 5 изображен вид увеличенного фрагмента продольного разреза фиг. 1, где сквозное отверстие в измерительной мембране имеет ступенчатую форму, образованную двусторонними углублениями, не выходящими за внешние контуры защитных крышек, и сквозным отверстием, занимающим меньшую часть площади перемычки, образованной этими углублениями.
На фиг. 6 изображен вид увеличенного фрагмента продольного разреза фиг. 2, где сквозное отверстие 8 в измерительной мембране 2 выполнено в форме прямоугольного креста с вертикальными стенками.
На фиг. 7 показан фрагмент продольного разреза ЧЭ, где подобранные в пару рамочные TP с защитными крышками герметично соединены с противоположных сторон измерительной мембраны с пересечением проекций рамок TP под прямым углом, а объединенная герметичная полость образована круглым сквозным отверстием 8, расположенным внутри пересечения проекций TP и зазорами вокруг его резонирующей части 17.
На фиг. 8 и 9 показаны вид сверху и разрез фрагмента фиг. 7, где резонирующая часть имеет форму сдвоенного камертона с сужением в центральной части по длине ТР. С целью увеличения стойкости к статической составляющей давлений внутренний контур рамки TP 23 также выполнен с сужением, повторяющим с минимальным зазором внешний контур 24 резонирующей части ТР.
На фиг. 9 показаны токопроводящие дорожки 9, проходящие к контактным площадкам 7 через зону соединения разделительной крышки 5 с мембраной 2, и приведена схема коммутации с электронным блоком системы возбуждения резонансных колебаний 21.
Датчик с ЧЭ работает следующим образом: меньшее давление Р2, поступает на измерительную мембрану 2 ЧЭ через штуцер 15 (Фиг. 2) и отверстие в верхней разделительной крышке 5. А равное или большее давление Р1 поступает в полость измерительного корпуса ЧД через ввод 16 и далее через отверстие в нижней разделительной крышке 6, при ее наличии, на противоположную поверхность измерительной мембраны. Статическая составляющая давлений, поданных внутрь корпуса ЧЭ и в зазор между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса датчика в ЧЭ компенсируется и действует только изнутри на корпус датчика и на защитные крышки. В данном варианте ЧД допустимый верхний предел статического давления определяется прочностью защитных крышек TP и прочностью корпуса датчика на давление распирающее его изнутри.
При воздействии разницы давлений Р1 и Р2 измерительная мембрана 2 прогибается в сторону меньшего давления Р2. При этом выпуклая поверхность со сквозным отверстием 8 в центральной части мембраны 2 вместе с закрепленным на ней TP 3 с защитной крышкой растягивается, а вогнутая поверхность вместе с закрепленным на ней TP 4 с защитной крышкой сжимается. При деформации TP пропорционально изменяются частоты их резонансов. Кроме полезных изменений значений резонансных частот пары TP под действием разницы давлений 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). При настройке нулевых частот пары TP и выборе порядка их размещения на сторонах измерительной мембраны, допускающее сближение их резонансных частот, может возникать акустическая связь, приводящая к взаимным перескокам резонансных частот, искажающим показания ЧД дифференциального давления. Поэтому пару TP настраивают с начальной разницей нулевых резонансных частот, достаточной для исключения их взаимного влияния, при этом TP с большей резонансной частотой располагают на измерительной мембране ЧЭ со стороны подачи меньшего давления, обеспечивая тем самым увеличение разницы резонансных частот с ростом дифференциального давления. Наличие в центре мембраны сквозного отверстия увеличивает деформацию ее центральной части, а значит и суммарную чувствительность пары ЧЭ, а образование единой полости для пары TP уменьшает влияние остаточного давления и его изменения во времени и сокращает переходные процессы при скачкообразном изменении температуры.
Модулированные механическими резонансными колебаниями TP частотные электрические сигналы F1 и F2 поступают по проводникам через гермоввод 22 в электронный блок 21 ЧД, в котором они преобразуются в разностный частотный электрический сигнал, который состоит из суммы полезных изменений резонансных частот пары TP и, оставшейся после аппаратного вычитания, изменений резонансных частот пары TP от одноименных факторов «шума». При этом еще более высокую точность преобразования можно получить за счет выделения при градуировке недокомпенсированного влияния статической составляющей сравниваемых давлений Р1 и Р2 и температуры. Последнее можно осуществить, подавая в процессор дополнительно к сигналу разности частот пары TP сигналы их полного давления, и частотный сигнал от встроенного термочувствительного резонатора. В процессоре, который может располагаться непосредственно в электронном блоке ЧД или быть удаленным на значительное расстояние, могут формироваться цифровые электрические сигналы дифференциального давления, статического давления и температуры.
Для подтверждения возможности получения задуманного технического результата из монокристаллического кварца Z-среза были изготовлены и испытаны два варианта опытных образцов ЧЭ, соответствующих заявляемому изобретению, изображенным на фиг. 7, 8 и 9, со следующими общими признаками: ЧЭ содержат по две разделительных крышки с отверстиями, диаметр и толщина активной части мембраны 2 составляет 19 и 0,36 мм соответственно, пара рамочных TP 3 и 4 закреплены с противоположных сторон измерительной мембраны 2 в ее центре параллельно, все детали ЧЭ соединены легкоплавким стеклом при температуре плавления 460°С, 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 кГц, сверху в вакууме по контуру рамки 18 герметично приварена кварцевая плоскопараллельная пластина 19, размер, выступающих над поверхностью мембраны защитных крышек (капсул) 20 составил 0,260*2,9*9,12 миллиметров, ширина свода 25 полости защитной крышки равна 1,06 миллиметров, и со следующими различиями: для первого варианта - отсутствие отверстия 8 в мембране 2; для второго варианта - в центре мембран выполнено круглое сквозное отверстие диаметром 1,8 мм. Испытуемые ЧЭ с одним вклеенным штуцером 15 помещались в полость корпуса ЧД 14 с герметичной фиксацией штуцера в одном из вводов 16. На стенде раздельно через штуцер и через второй ввод 16 корпуса 14 подавались разные сочетания уровней давлений P1, Р2 и температур с фиксацией соответствующих резонансных частот ЧД F1, F2, а также частоты встроенного в корпус датчика термочувствительного резонатора. Результаты обработки показаний сравниваемых вариантов ЧД приведены в таблице 1.
Сравнение параметров вариантов опытных образцов ЧЭ и подтверждает получение при реализации изобретения задуманного технического результата по увеличению чувствительности к дифференциальному давлению и более полной нейтрализации дестабилизирующих факторов «шума» за счет получения большей идентичности пары TP, при сохранении способности работать при высоком статическом давлении.
где
- суммарная чувствительность к дифференциальному давлению пары TP (поз. 4 и 3 на фигурах), ;
- чувствительность к дифференциальному давлению, составляющего пару TP (поз. 4), настроенного на меньшую резонансную частоту;
- чувствительность к дифференциальному давлению, составляющего пару TP (поз. 3), настроенного на большую резонансную частоту;
Д
Р (мах) - максимально допустимое рабочее дифференциальное давление;
- чувствительность к статическому давлению TP (поз. 4), настроенного на меньшую резонансную частоту;
- чувствительность к статическому давлению TP (поз.3), настроенного на большую резонансную частоту;
Ст
Р(мах) - максимально допустимое рабочее статическое давление.
Список литературы
1. Патент RU на полезную модель №54202, Пьезорезонансный датчик. МКИ: G01P 5/10; Н03Н 9/15; опубликован 10.06.2006 г., приоритет 31.01.2006 г., авторы: Лукьянчук В.Н., Осоченко Е.А., Ванин А.В., Поляков В.Б., Поляков А.В.
2. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. / В.В. Малов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 272 с.
3. 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.
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 №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.
6. 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.
7. 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).
8. 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.