Главная О компании Новости Статьи Перспективные кварцевые пьезорезонансные датчики давления

Авторизация



Подписка на новости RSS 2.0

Подписка на новости в формате RSS 2.0

Введите e-mail адрес:

Статистика посещений


mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter
mod_vvisit_counterСегодня119
mod_vvisit_counterВчера235
mod_vvisit_counterНа этой неделе1210
mod_vvisit_counterНа прошлой неделе1228
mod_vvisit_counterВ этом месяце4495
mod_vvisit_counterЗа прошлый месяц7352
mod_vvisit_counterВсего541390

На сайте (За последние 20 мин.): 7
ВашIP: 54.80.148.252
,
Сегодня: 21 Окт, 2017

Наши партнёры

Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
PDF Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 
Статьи

 

 Перспективные кварцевые пьезорезонансные датчики давления


 Анализируя сегодняшнюю ситуацию на рынке чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков давления, можно выделить следующие основные принципы их действия: пьезорезистивные, емкостные, пьезоэлектрические и пьезорезонансные).


 

 Датчики давления с пьезорезистивными и емкостными ЧЭ используются достаточно широко, описание принципа работы и технических характеристик этих датчиков можно найти у многих производителей, на сайтах и в журналах.

 Описание датчиков давления с пьезорезонансными чувствительными элементами (ПЧЭ) пока встречается реже, хотя это направление в России и за рубежом интенсивно развивается.

 В качестве ПЧЭ таких датчиков используется пьезоэлектрический резонатор из монокристаллического кварца, который представляет собой электромеханическую систему с использованием явления прямого и обратного пьезоэффекта,
объединяющую системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционально их амплитуде [1, 2]. Кварцевый пьезоэлемент обычно закрепляется в двух точках или по периметру силопередающей мембраны или балки. Под воздействием давления мембрана или балка деформируется, соответственно частота колебаний пьезоэлемента изменяется пропорционально деформации. На рисунке 1 представлены модели конструкций кварцевых ПЧЭ.

pic1 pic2pic3
а)  б)          
Рис. 1  Модели конструкций кварцевых ПЧЭ:
а) высокочастотный (ВЧ) объемного сжатия фирмы Quartzdyne (США);
б)  низкочастотный камертонный мембранного типа фирмы СКТБ ЭлПА (Россия)                                                                       
 

 
 Используя кварцевые ПЧЭ, частота которых изменяется под воздействием на них давления, зарубежные фирмы (такие, как: Quartzdyne, Spartek Systems, EpsonToyocom и др.) разрабатывают и производят ряд прецизионных датчиков давления. Кварцевые датчики давления имеют ряд преимуществ перед датчиками с емкостными и пьезорезистивными ЧЭ. Эти преимущества обусловлены, долговременной стабильностью монокристаллического кварца, из которого изготовлен ПЧЭ датчиков, малым изменением частоты колебаний ПЧЭ при воздействии температуры в широком диапазоне от -60 0С до +150 0С и наличием частотного выходного сигнала.

 Все это позволяет получить:

Detect language » English
Detect language » English
English (auto-detected) » English
Detect language » English

- высокую разрешающую способность (порядка 0,001 % ВПИ);

Detect language » English
Detect language » English
Detect language » English

- высокую точность измерения давления (порядка 0,01 % ВПИ) в широком диапазоне температур, которая обусловлена высокой добротностью, выбором угла среза монокристаллического кварца с низкой температурной зависимостью, подбором соединительных материалов, конструкцией закрепления ПЧЭ в корпусе датчика, алгоритмом компенсации влияния температуры;

- долговременную стабильность (порядка 0,01% ВПИ за год)

Fig. 3 Temperature detector piezoelectric Figure 4 shows graphs illustrate the characteristics of the domestic quartz sensors with frequency and digital outputs.
Detect language » English

- возможность работы в широком диапазоне температур от криогенных до 250 0С;

- возможность исключить из измерительного канала АЦП, который является источником дополнительной погрешности;

- возможность оперировать сигналом с помощью микропроцессора.

 Кроме того кварцевые ПЧЭ являются стойкими к радиации, что расширяет область их применения.

 Датчики с кварцевыми ПЧЭ применяются в качестве эталонов в калибраторах таких фирм как: Druc GE (Великобритания); Ruska (США); Artvik (США); Fluke (США), используются в прецизионных барометрах, также применяются для измерения гидростатических давлений и давлений в нефтяных и газовых скважинах фирмами: Epson Toyocom (Япония); Aanderaa (Норвегия); Quartzdyne (США); Schlumberger (Франция) и др.,

 Отдельно надо отметить ЧЭ с кремниевыми резонаторами и датчики давления на их основе фирмы Yokogawa (Япония), которые тоже являются частотными и по своим характеристикам приближены к кварцу, но имеют ограничения по радиационной стойкости без специальной подготовки.

Российские предприятия также разрабатывают и производят кварцевые манометрические и термочувствительные ПЧЭ на основе которых изготавливаются датчики давления и температуры, обладающие техническими характеристиками, близкими к зарубежным аналогам.

Основным разработчиком и производителем кварцевых ПЧЭ в России является ООО «СКТБ ЭлПА», оно выпускает два типа кварцевых манометрических ПЧЭ абсолютного давления:

1) мембранного типа на ряд давлений от 0,0007 до 25 МПа см. Рис.1 (б) и Рис. 2;

2) объемного сжатия на ряд давлений от 0,02 до 150 МПа.

 

pic4 pic5
а) б)
Рис. 2  Кварцевый ПЧЭ мембранного типа с тензочувствительным  ВЧ пьезоэлементом                      

 

 В них качестве тензочувствительного элемента применяется сдвоенный камертонный низкочастотный пьезоэлемент на частоты от 40 до 50 кГц или полосковый ВЧ пьезоэлемент на частоту 10 МГц.
 Для получения воспроизводимых упругих свойств и минимальной воспроизводимой температурной зависимости тензочувтвительные элементы соединенные с силопередающей мембраной или балкой находятся в вакуумированном корпусе ПЧЭ выполненном также из монокристаллического кварца. Все соединения элементов ПЧЭ производятся легкоплавким стеклом с подобранным ТКЛР. Температура плавления стекла около 500 ºС. На рисунке  2 а) показаны соединенные между собой мембрана, прокладка и крышка ПЧЭ. Толщина соединительного стекла не более 30 мкм.
 Дополнительная температурная погрешность у манометрических ПЧЭ в рабочем диапазоне температур в зависимости от конструкции может варьироваться от 220 ррm до 1330 ppm, что составляет 0,5 %  и 3% соответственно относительно максимального изменения частоты в рабочем диапазоне давлений.
 В кварцевых датчиках давления для компенсации дополнительной температурной погрешности манометрических ПЧЭ используются резонаторы кварцевые термочувствительные (РКТ) частота которых изменяется в зависимости от температуры. На риунке 3 представлен термочувствительный пьезоэлемент с электродной системой а) и типовая температурночастотная характеристика (ТЧХ) РКТ  б). ТЧХ описывается параболической функцией с теоретической точкой экстремума около  – 290 ºС.

 

  pic6   graf1

     а)            б)
Рис. 3 Термочувствительный пьезоэлемент                                                                           


На рисунке 4 представлены графики наглядно иллюстрирующие характеристики отечественных кварцевых датчиков с частотным и цифровым выходами.

 


graf2 graf3
                                                а)                                                                                  б)

graf4

в)
Рис.2 Характеристики отечественных кварцевых датчиков с частотным и цифровым выходами:                
а) разрешающая способность + 0,002% при прямом и обратном перемещении датчика на 60 см. от уровня пола;
б) устойчивость к смене температур при помещении скважинного датчика, с ВПИ равным 80 МПа, из камеры 0 ºС в жидкостной
термостат с установившейся в нем температурой 70 ºС;
в) долговременная стабильность (суммарная погрешность барометрических датчиков установленных на уличном полигоне в
течение года не более + 0,03 % ВПИ) .

                                                                                           

 Но широкое применение отечественных кварцевых ПЧЭ в промышленности ограничено их габаритными размерами, отсутствием (на данный момент) качественного разделительного маслозаполненного мембранного блока, позволяющего применять их в датчиках для агрессивных сред и сложностью реализации на их основе датчиков дифференциального и избыточного давления.
 Сейчас ведутся работы над созданием дифференциального кварцевого ПЧЭ, но для широкого использования, его также необходимо встроить в  маслозаполненный мембранный блок.
 Кроме этого, поставлена задача миниатюризации кварцевых ПЧЭ и датчиков. Для примера можно привести создание нового кварцевого ПЧЭ объемного сжатия на давления от 0 до 60 МПа, размеры которого 4х10х2 мм. и скважинного датчика давления на его основе с габаритными размерами Ø18 х 160 мм , который на данный момент проходит испытания.
 Ведутся проектные разработки ПЧЭ из других пьезоэлектрических материалов – лангасита и лангатата, способных работать при более высоких температурах чем кварц – до 400 .. 500 0С.
 Сейчас идет смена старой аналоговой измерительной аппаратуры на современные микропроцессорные приборы, и кварцевые датчики с частотным и цифровым выходами должны получить более широкое применение.    



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:   Энергоатомиздат, 1989. 

2. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. – М, Энергия, 1970.



Статья опубликована в журнале "Компоненты и Технологии" №1 за 2011г.

 

 

Авторы: Александр Поляков, Владимир Поляков, Михаил Одинцов.

Share/Save/Bookmark
Обновлено 25.10.2011 15:53
 
 

Голосования

Как Вам наш новый сайт?
 

Курсы валют 21.10.2017
1 Доллар США 57.5118 -0.0588
1 Евро 67.8927 -0.0406
10 Украинских гривен 21.6944 -0.0222

Быстрый поиск 3D



Новости партнёров.

Продукция
ООО "КварцМет" Углич Оборудование для сыродельных предприятий. Комплект оборудования для производства самопреcсующихся сыров. Услуги по металлообработке.
  • Перфорированные формы для сыра
             Перфорированные формы предназначены для формирования и прессовки различных видов сыров. Изготавливаются из пищевой перфорированной нержавеющей стали 18XH10T.  
  • Термостат-заквасочник ДБП 318
               Термостат-заквасочник ДБП 318 изготовлен в соответствии со спецификацией ДБП 318.00.000 и предназначен для приготовления закваски или продуктов, технологический процесс изготовления которых требует регулирования температуры.
  • Фильтр плиты
    Для формовочных аппаратов АФ-500, АФ-1000.
  • Машина термоусадочная МТУ-01
    Предназначена для плотного обжатия пленкой сыра при помощи температурного воздействия.  
  • Машина для сушки сыра МСС-01.00.000
               Предназначена для обсушки сыра перед упаковкой.

Новости Углича

  • Дмитрий Миронов занял третье место в Народном рейтинге губернаторов согласно порталу губернаторы.ру

    Дмитрий Миронов занял третье место в Народном рейтинге...					</div>
									</li>
								<li>
									<a href= К 100-летию Октябрьской революции Углич предлагает новую экскурсионную программу

    К 100-летию Октябрьской революции Углич предлагает новую экскурсионную...					</div>
									</li>
								<li>
									<a href= Токари, электромонтеры, слесари, водители - самые востребованные профессии на ярмарке вакансий

    Токари, электромонтеры, слесари, водители - самые востребованные профессии...					</div>
									</li>
								<li>
									<a href= В гости в Углич и другие города Ярославской области приглашает на выходные рекламная компания в Москве

    В Москве стартовала рекламная кампания со слоганом «Путешествие...					</div>
									</li>
							</ul>
		</td>
		</tr>
	</table>
</div>
		</div>
	
										</td>
																	</tr>
							</table>

						</div>
						<div class=