Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [25] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45


Рис. 5.15. Датчик давления с кварцевым упругам элементом:

СЧР - силочувствительный резонатор; КК - кварцевая консоль; К -ВП - вакуумированная полость; С - сильфон

корпус;

ющего частотный сщнал, изменяющийся линейно в функции давления. Датчик имеет следующие основные параметры:

Диапазон рабочих давлений, мм рт, ст 0-300 Крутизна преобразования, Гц/мм

рт.ст..................... 20 ± 5

Основная Погрешность, %........ ±0,6

Начальная частота, кГц......... 10±3

Диапазон рабочих температур, С 5 -45 Дополнительная температурная погрешность, %................ ± 0,75

Габаритные размеры, мм........ 32 x 32 x 18

Питание................... 5В; 1,5 мА

Малые габаритные размеры, потребление, частотный выход, линейность датчика позволили реализовать на его основе переносные цифровые измерители артериального давления.

На основе консольного преобразователя (рис. 5.15,а) японской компанией Токио Денпа создан датчик абсолютного давления на диапазон 0-1 кг/см . В конструкции применены два высокочастотных резонатора 10 МГц, закрепленных на упругом консольном элементе. Конструкция характеризуется двумя особенностями. Упругий элемент выполнен из пьезокристаллического кварца той же ориентации, что и СЧР. Это обеспечивает минимизацию температурных дрейфов частот ПР. Оригинально решена и проблема снижения термочувствительности крутизны рабочей характеристики датчика. В отличие от традиционных с ориентацией граней ПР вдоль азимута ф = 3S + А0° относительно оси X (см. § 2.2) в рассматриваемой конструкции грани ПР сориентированы вдоль оси Л", а эффект снижения термочувствительности масштаба достигается формированием электродов резонатора со смещением вбок от центральной силовой оси.

Датчик выполнен по схеме рис. 5.15,6 [60]. В качестве входных преобразователей использованы сильфоны. Датчик позволяет измерять как абсолютное давление, так и разность давлений на двух входах. 152

Основные характеристики датчика

Диапазон рабочих давлений, МПа 0-0,1

Допустимые перегрузки, МПа..... 0,2

Полезные изменения частоты, кГц 2 Линейность, % максимального значения .................... 0,1

Воспроизводимость, % максимального значения............... 0,1

Температурный сдвиг частоты в диапазоне -10-60 °С, % максимального значения................. 0,5

Масса, г................... 300

На базе указанного датчика создан цифровой манометр ДММ105С с диапазонами 1 кг/см абсолютного давления и 3 кПа по разности давлений. Прибор имеет разрешающую способность 10"* кг/см; габаритные размеры 210 X 170 X 300 мм; питание сетевое либо от внутренних батарей.

Наиболее высокие эксплуатационные характеристики имеют кварцевые датчики давления, созданные американской компанией Паросайентифик. Это достигается благодаря использованию в качестве чувствительного элемента низкочастотного кварцевого пьезорезонатора, выполненного в моноблоке с акустическим фильтром-пробкой (см. § 2.2).

Компанией впервые в истории пьезорезонансных датчиков создано семейство унифицированных прецизионных преобразователей [61], перекрывающих диапазон номинальных давлений от 0,1 до 6,2 МПа (всего И номиналов). Базовая конструкция датчика (рис. 5Л6,б) содержит блок сильфонов [98]. Усилие на кварцевый ПР передается через рычаг. Требуемый коэффициент преобразования давления в частоту задается соотношением плеч рычага и сечений сильфонов.

Резонатор работает в вакуумированной полости. Датчик может использоваться в режиме измерения абсолютного и избыточного давлений либо разности двух давлений.

Малый ход, отсутствие трения, люфтов, потерь на преодоление упругого сопротивления сильфонов в сочетании с высокими чувствительностью изгибного резонатора и стабильностью обеспечивают высочайшие эксплуатационные показатели.

Низкая чувствительность к ударам и вибрациям достигается центровкой масс с помощью балансировочного груза БГ.

Основные технические характеристики датчиков давления Диджикварц [61]

Полезные изменения выходной частоты, кГц.................. 4

Начальная частота, кГц........ . 40

Диапазон рабочих температур, С -54-107 Воспроизводимость, % максималь-

ного значения............... 5-10

Гистерезис, % максимального значения ...................... 5 • 10




7Г-С

Рис. 5.16. Пьезорезонансные датчики разностного давления:

мембпанагтГ"" " """""й дифференциальный манометр; Л/ -

мембрана; СПШ - силопередающий щток; Кр - крыщка; АГ - корпус- С - силь-фон; ОВ - ось вращения; Р - рычаг; БГ - балансировочный груз

Температурный сдвиг нуля, %/°С 4,7 - 10" Нестабильность нуля за 1 год, % максимального значения........... 0,01

Температурное изменение чувстви-

1елы<осги, %/°С.............. 4,7 10"

Чувствительность к ускорению,

%/м/с.................... 8-10"*

Габаритные размеры, см........ 2,26 х 3,97 х 3,97

Масса, г................... 170

Перегрузки по давлению, %...... 120

Питание:

напряжение постоянное, В..... 6-35

ток, мА................. 1

Фирмой Паросайентифик выпускается также унифицированный ряд из пяти датчиков для измерения глубины на диапазоны 0-60, 0-130, 0-200, 0-270, 0-600 м, имеющих разрешающую способность менее 10 Па. Датчики предназначаются для океанографических применений, измерения уровней жидкостей в резервуарах и т.п. Длина кабельной линии связи - несколько сот метров.

Для цифровой обработки сигналов с датчиков компанией выпускается восьмиканальный микропроцессорный мультиметр (модель 700). В функциональном отношении он построен подобно описанному в пре-дьщущей главе отечественному мультметру "Электроника МК-Г и обеспечивает прямой отсчет абсолютных и дифференциальных давлений, а также индикацию величин отношения давления.

Характеристики подключаемых датчиков заносятся в РеПЗУ посредством записи трех индивидуальных коэффициентов датчиков. Считы-154

вание показаний обеспечивается с разрешением ЫО"* максимального значения измеряемой величины.

Комбинация из цифрового мультиметра и датчика давления может быть применена как портативный переносной стандарт давления с суммарной погрешностью не более 0,01 %.

6) Датчики давления с кварцевыми барочувствительными элементами

Комбинированным ДД с металлическими упругими преобразователями присущ ряд принципиальных недостатков.

Конструкции БЧЭ реализуются из разнородных материалов. При их соединении невозможно достичь полного согласования ТК линейного расширения прежде всего из-за анизотропии кристаллического пьезокварца. В результате появления термо напряжений происходит деформация ТЧХ резонатора тем большая, чем больше разность ТКЛР и вьпие жесткость упругого преобразователя, включенного в параллель СЧР. С этим эффектом можно бороться как конструктивными мерами, подбором материалов, так и схемными средствами, например применением дифференциальных схем, введением цепей термокомпенсации в автогенераторе и т.п. Трудней устранить возникновение в конструкции остаточных напряжений, в частности, в процессе сборки при повышенных температурах. Практически операции соединения идут при температурах, существенно превышающих рабочие, что позволяет повысить упругость соединительных слоев и уменьшить гистерезис их механических свойств при рабочих температурах. Накопившиеся напряжения, которые из-за различия ТКЛР могут быть весьма значительны, стремятся со временем релаксировать, что приводит к непрерьшному длительному дрейфу нуля датчиков. Процессы релаксации идут как в соединениях, так и в металлических узлах конструкций. Даже для самых совершенных сталей и сплавов остаточные деформации и напряжения составляют около 10" от максимальных рабочих деформаций, что определяет принципиальную трудность создания механических датчиков с металлическими упругими элементами класса выше 0,1.

Указанные проблемы могут быть в значительной мере преодолены при отказе от конструкций барочувствителъных элементов с разнородными материалами и переходе на узлы, полностью выполненные из практически безгистерезисного пьезокристаллического кварца.

Впервые датчик давления с кварцевым барочувствительным элементом был разработан американской фирмой Хьюлетт-Паккард [94, 95]. В настоящее время появился целый ряд разновидностей преобразователей этого типа, позволяющих проводить высокоточные измерения статических и -динамических давлений в диапазоне от 1 Па до 100 МПа. Основные варианты конструкций датчиков давления с кварцевыми БЧЭ рассматриваются ниже.

Датчик давления фирмы Хьюлетт-Паккард предназначен для измерения гидростатических давлений, регистрации волн цунами, уровней во-





а) S) т

Рис. 5.17. Датчик гидростатического давления фирмы Хьюлетт-Паккард:

а - кварцевый преобразователь давление-частота: / - резонатор-перемычка; 2 - упругий преобразователь внешнего гидростатического давления в усилия сжатия, равномерно распределенные по торцу резонатора; 3 - вакуумированная полость; 4 - герметизирующая крышка; б - конструкция датчика: КП - кварцевый преобразователь; РМ - разделительная мембрана; НЖ - несжимаемая жидкость; О - отверстие для подвода давления; К - корпус; Г - двойной термостат

ды, нефти и других жидкостей, давлений газа и т.е. Диапазон рабочих давлений - до 70 МПа с возможными перегрузками до 82,7 МПа.

Основу датчика (рис. 5.17) составляет прецизионный линзовый резонатор частотой 5 МГц (третий обертон), выполненный в виде перемычки в пьезокварцевом цилиндре. Внутренняя полость цилиндра заполнена гелием. Для герметизации применены крышки из пьезокварца. С целью устранения термо напряжений цилиндр и крышки ориентированы относительно кристаллографических осей идентичным образом, что обеспечивает равенство ТК линейного расширения по всем направлениям. Измеряемое давление создает всестороннее сжатие кварцевого преобразователя и трансформируется в плоское сжатие резонатора-перемычки. Кварцевый блок размещается в корпусе, заполненном жидкостью с высокой упругостью и малым ТК линейного расширения. Для передачи давления внутрь полости используется мембрана малой жесткости. Для повышения стабильности нуля применено двойное термоста-тирование внутреннего объема датчика, обеспечивающее стабилизацию рабочей температуры с погрешностью не более ±0,05 °С. В датчике использован резонатор двуповоротного среза, имеющий нулевой ТКЧ в рабочей температурной точке. Использованием двуповоротного среза достигается минимизация температурного воздействия на крутизну преобразования давления в частоту; ТК крутизны преобразования не превышает 8 10"" 1/°С.

Электронная схема, обеотечивающая регистрацию давления в цифровой форме, представлена на рис. 5.18. Частота измерительного генератора 156

1/7Р

(66)

5МГц+7,5Гц/пси


ЗЗОШа,

Установна масштаба

Двоично-десятичный над

Рис. 5.18. Схема цифрового преобразователя давления:

ПР - кварцевый преобразователь давления в частоту; УЧ - умножитель частоты; См - смеситель; ФНЧ - фильтр низких частот; ПЧК - преобразователь частоты в код

5 МГц поступает на умножитель частоты на 66. Крутизна преобразования давления в частоту составляет 1,5 Гц/пси (1 пси 6,89-10 Па), так что на выходе умножителя крутизна преобразования равна 100 Гц/пси. После сличения с опорной частотой 330 МГц и фильтрации сигнал разностной частоты, пропорциональный давлению, поступает на электронный частотомер (модель HP 5245 М). Отсчет давления осушествляется по показаниям шесгидекадного индикатора непосредственно в единицах пси (давлению 10" пси соответствуют изменения частоты на входе частотомера, равные 1 МГц). При времени выборки (измерения) 1 с разрешение электронной схемы в пересчете на давдение соответствует 68,9 Па, а при десятисекундном времени выборки, наиболее оптимальном с точки зрения увеличения кратковременной стаа1льности,6,89 Па.

Порог чувствительности датчика в целом составляет около 6,89 Па, т.е. 10" верхнего предела измеряемых давлений. Такое высокое разрешение достигнуто благодаря двум основным факторам:

1) малому гистерезису, обеспеченному интеграцией упругого преобразователя и силочувствительного пьезорезонатора в едином моноблоке пьезокварца;

2) использованию высоко добротно го {Q > 10*) прецизионного резонатора, обеспечивающего высокую кратковременную стабильность (нестабильность около ЗЮ"" при 10-секундном времени выборки).

Согласно [77] зависимость частоты от давления в диапазоне от О до 50 МПа имеет нелинейность около 1,7 %. По-видимому, основным источником погрешности является нелинейность характеристики цилиндрического преобразователя давления в радиальные напряжения, подводимые к резонатору.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [25] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0007