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_counterСегодня235
mod_vvisit_counterВчера375
mod_vvisit_counterНа этой неделе2347
mod_vvisit_counterНа прошлой неделе2322
mod_vvisit_counterВ этом месяце6799
mod_vvisit_counterЗа прошлый месяц10266
mod_vvisit_counterВсего526503

На сайте (За последние 20 мин.): 3
ВашIP: 54.225.47.124
,
Сегодня: 20 Авг, 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 19.08.2017
1 Доллар США 59.3612 0.1122
1 Евро 69.7197 0.0666
10 Украинских гривен 23.2835 0.0486

Быстрый поиск 3D



Новости КИПиС

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