CC BY
518Перспективные кварцевые пьезорезонансные
датчики давления
Владимир ПолякоВ Александр ПолякоВ Михаил одинцоВ
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. Авторы же обсуждают проблемы разработки пьезорезонансных датчиков давления.
О писание 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 моно-кристаллического 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 пьезо-элемента изменяется пропорционально деформации. На рис. 1 представлены модели конструкций кварцевых ПЧЭ.
Используя кварцевые ПЧЭ, частота которых изменяется под воздействием на них
давления, зарубежные фирмы, такие как Quartzdyne, Spartek Systems, EpsonToyocom и другие, разрабатывают и производят прецизионные датчики 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 до +150 °С и наличием частотного выходного сигнала.
Все это позволяет получить:
• Высокую разрешающую способность (порядка 0,001% ВПИ).
• 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 закре-
пления ПЧЭ в корпусе датчика, алгоритмом компенсации влияния температуры.
• Долговременную стабильность (порядка 0,01% ВПИ за год).
• Возможность работы в широком диапазоне температур, от криогенных до 250 °С.
• Возможность исключить из измерительного канала АЦП, который является источником дополнительной погрешности.
• Возможность оперировать сигналом с помощью микропроцессора.
Кроме того, кварцевые ПЧЭ стойки 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. А также их применяют для измерения гидростатических давлений и давлений в нефтяных и газовых скважинах фирмы Epson Toyocom (Япония); Aanderaa (Норвегия); Quartzdyne (США); Schlumberger (Франция) и др.
Рис. 2. Кварцевый ПЧЭ мембранного типа с тензочувствительным ВЧ-пьезоэлементом
Отдельно надо отметить ЧЭ с кремниевыми резонаторами и датчики давления на их основе компании Yokogawa (Япония), которые тоже являются частотными. По своим характеристикам они 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:
Типовая ТЧХ РКТ206 в ppm
Рис. 3. Термочувствительный пьезоэлемент
1) мембранного типа на ряд давлений от 0,0007 до 25 МПа (рис. 1б и рис. 2);
2) объемного сжатия на ряд давлений от 0,02 до 150 МПа.
В них в качестве тензочувствительного элемента применяется сдвоенный камертонный низкочастотный пьезоэлемент на частоты от 40 до 50 кГц или полосковый ВЧ-пьезо-элемент на частоту 10 МГц.
Для получения воспроизводимых упругих свойств и минимальной воспроизводимой температурной зависимости тензочувстви-тельные 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 °С. На рис. 2а 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 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 исполь-
Разрешающая способность кварцевого барометрического датчика
Влияние смены температуры (от 0 до 70 °С) на показания скважинного кварцевого преобразователя ПДТК-80,0-МС23 с температурной компенсацией
14,0
10
с
о 12,0
I»
га
х
0 8,0
К
X
1 6,0
DQ
Ю
<=€
S 4,0
Г
V
X
а>
£ 2,0 го
X
0,0
|Т| ПДТК-0.1-МР-22
Гм Г Кї
Д Ли*
•v Время, с
Рис. 4. 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 перемещении скважинного датчика, с ВПИ, равным 80 МПа, из камеры 0 °С в жидкостный термостат с установившейся в нем температурой 70 °С
Относительная погрешность барометрических ПДТК-0,1-МР-22 установленных на уличном полигоне
Рис. 4. Характеристики отечественных кварцевых датчиков с частотным и цифровым выходами:
в) долговременная стабильность (суммарная погрешность барометрических датчиков, установленных на уличном полигоне, в течение года — не
зуются кварцевые термочувствительные резонаторы (РКТ), частота которых изменяется в зависимости от температуры. На рис. 3 представлен термочувствительный пьезоэлемент с электродной системой (рис. 3а) и типовая температурно-частотная характеристика (ТЧХ) РКТ (рис. 3б). ТЧХ описывается параболической функцией с теоретической точкой экстремума около 290 °С.
На рис. 4 представлены графики, наглядно иллюстрирующие характеристики отечественных кварцевых датчиков с частотным и цифровым выходами.
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 4x10x2 мм, и скважинного датчика давления на его основе с габаритными размерами 018x160 мм, который сейчас проходит испытания.
±0,03% ВПИ)
Ведутся проектные разработки ПЧЭ из других пьезоэлектрических материалов — лан-гасита и лангатата, способных работать при более высоких температурах, чем кварц, — до 400...500 °С. Сейчас идет замена старой аналоговой измерительной аппаратуры на современные микропроцессорные приборы, и кварцевые датчики с частотным и цифровым выходами должны получить более широкое применение. ■
Литература
1. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970.
