CC BY
172
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
УДК 681.586.773
К. И. Бастрыгин
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ
K. I. Bastrygin
HIGH-TEMPERATURE PIEZOELECTRIC SENSOR OF DYNAMIC PRESSURE
Аннотация. Актуальность и цели. Актуальность данной статьи подтверждается повышенными требованиями к надежности, предъявляемыми к изделиям ракетно-космической техники и их составным частям в условиях жесткой эксплуатации и внешних воздействий (температура, вибрация, удары и т.д.). Основной целью разработки высокотемпературного датчика давления является решение задач, направленных на увеличение диапазона измерения быстропеременных давлений, диапазона воздействия статических давлений, частотного диапазона, стойкости к вибрационному ускорению и снижение погрешности. Материалы и методы. Проанализированы характерные особенности построения пьезоэлектрического датчика давления и его составных частей, работоспособных при высоких температурах без принудительного охлаждения за счет применения высокотемпературного материала пьезоэлемента, выполненного из высокоэффективного стабильного монокристаллического галлотанталата лантана, а также специальной технологии сборки высокотемпературных конструкций. Показаны схемотехнические решения построения датчика пульсации давления. Описывается принцип работы основных составных частей, входящих в датчик. Результаты. По результатам проведенного исследования сделан вывод о правильности выбранных решений построения датчика на основе чувствительного элемента из высокоэффективного стабильного монокристаллического галлотанталата лантана и целесообразности проведения дальнейшей работы по совершенствованию конструкции пьезоэлектрического датчика пульсации давления для повышения его метрологических характеристик. Выводы. Предложенные конструктивные решения для вновь разрабатываемого датчика быстропеременных давлений позволят увеличить стойкость датчика к таким дестабилизирующим факторам, как резкий перепад температур, перепады давлений, высокие уровни вибрационных и ударных нагрузок, агрессивные среды.
Abstract. Background. Relevance of this article is confirmed by the increased requirements to reliability imposed to products of the missile and space equipment and their components in the conditions of rigid operation and external influences (temperature, vibration, blows etc.). Main objectives of development of the high-temperature sensor of pressure is the solution of the tasks directed to increase in range of measurement of fast-variable pressure, range of influence of static pressure, frequency range, resistance to vibration acceleration and decrease in an error. Materials and methods. Characteristics of creation of the piezoelectric sensor of pressure and its components efficient are analysed at high temperatures without compul-
sory cooling due to use of high-temperature material of the piezoelement executed from a highly effective stable single-crystal gallotantalat of lanthanum, and also special technology of assembly of high-temperature designs. Circuitry solutions of creation of the sensor of a pulsation of pressure are shown. The principle of work of the main components entering the sensor is described. Results. By results of the conducted research the conclusion is drawn on correctness of the chosen solutions of creation of the sensor on the basis of a sensitive element from a highly effective stable single-crystal gallotantalat of lanthanum and expediency of carrying out further work on improvement of a design of the piezoelectric sensor of a pulsation of pressure for increase of his metrological characteristics. Conclusions. The proposed constructive solutions for again developed sensor of fast-variable pressure will allow to increase resistance of the sensor to such destabilizing factors as sharp difference of temperatures, differences of pressure, high levels of vibration and shock loadings, hostile environment.
Ключевые слова: пьезоэлектрический датчик, динамическое давление, чувствительный элемент, пьезоэффект, датчик давления, первичный измерительный преобразователь, вторичный измерительный преобразователь, надежность.
Key words: piezoelectric sensor, dynamic pressure, piezoelectric effect, pressure sensor, measuring transducer primary, secondary measuring converter, reliability.
Датчики являются важнейшими элементами информационно-измерительных систем. Они, преобразовывая неэлектрические физические величины в электрические сигналы, находят бесчисленные области применения во всех сферах жизнедеятельности человека.
Анализ задач измерений быстропеременных процессов в ракетно-космической и авиационной технике показал, что потребность в датчиковой аппаратуре, применяемой для этих целей, постоянно увеличивается. Важность контроля пульсаций давления обусловлена тем, что этот параметр является источником возбуждения механических колебаний конструкций. Появляющиеся инерционные силы приводят к возникновению напряжений, которые могут превышать пределы прочности конструкций, а длительное воздействие инерционных сил приводит к усталостным разрушениям материалов.
К датчикам быстропеременных давлений со стороны предприятий - заказчиков изделий ракетно-космической техники, предъявляются следующие требования:
- широкий диапазон измерения быстропеременных давлений;
- диапазон воздействия статических давлений 22,4-125 МПа;
- широкий частотный диапазон;
- малая погрешность;
- широкий диапазон температуры измеряемой среды;
- вибрационные ускорения 5000 м/с;
- высокая стабильность, надежность, помехоустойчивость при длительном ресурсе работы, низкий виброэквивалент, незначительные габаритные размеры и масса, нормированный выходной сигнал [1, 2].
Датчиковая аппаратура, применяемая для измерения быстропеременных процессов, подвергается наиболее концентрированному и комплексному воздействию дестабилизирующих факторов, таких как резкий перепад температур, перепады давлений, высокие уровни вибрационных и ударных нагрузок, агрессивные среды.
Кроме того, проблема создания высокотемпературных датчиков быстропеременных давлений для диагностики в системах аварийной защиты изделий двойного назначения приобретает особую актуальность в связи с широким размахом научных исследований и решением инженерных задач в других отраслях промышленности: нефтеперерабатывающей, химической, автомобиле- и моторостроении, морском, железнодорожном транспорте и др.
Датчик давления состоит из первичного измерительного преобразователя (ПИП) для преобразования пульсаций давления в выходной сигнал и вторичного измерительного преобразователя (ВИП), выдающего аналоговый выходной сигнал, ПИП и ВИП соединены кабельной перемычкой [3].
4
ПИП датчика 1 состоит из корпуса 4, выполненного как одно целое с мембраной чувствительного элемента 5, выполненного из пьезоэлементов на основе монокристаллического галлотанталата лантана (лангатат - ГТЛ) и кабеля в металлическом кожухе 3, заканчивающегося розеткой 6, которая соединяется с вилкой ВИП. Прокладка 7 обеспечивает герметичность стыка в месте установки датчика на исследуемом объекте.
ВИП датчика 2 выполнен в виде выносного блока с разъемами, обеспечивающими подключение ПИП датчика, напряжения питания и снятие выходного аналогового сигнала.
Рис. 2. Эскиз конструкции первичного измерительного преобразователя
ВИП обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное электрическому заряду, приходящему на его вход. ВИП интегрирует переменный ток заряда в выходной сигнал, В.
Работа датчика основана на использовании прямого пьезоэффекта, заключающегося в появлении разноименных зарядов на поверхности пьезоэлемента под действием быстропе-ременного давления.
Измеряемое быстропеременное давление воздействует на мембрану и преобразуется в силу. Сила, действующая на пьезоэлемент, преобразуется в электрические заряды, которые передаются в блок ВИП. ВИП датчика преобразует выходной сигнал с пьезоэлемента в аналоговую форму. Подача напряжения питания на ВИП и снятие выходного сигнала осуществляется через выходной разъем. ВИП обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное электрическому заряду, поступающему на его вход. Значение заряда, создаваемого пьезоэле-ментом, незначительно, поэтому требуется большой коэффициент усиления и прежде всего по переменному напряжению.
Работоспособность датчика при высоких температурах без принудительного охлаждения обеспечивается высокотемпературным материалом пьезоэлемента, выполненного из высокоэффективного стабильного монокристаллического галлотанталата лантана, а также специальной технологией сборки высокотемпературных конструкций. Для обеспечения высокой изоляции чувствительный элемент отжигается в защитной среде при температуре, незначительно выше рабочей, в течение некоторого времени [4, 5].
Использование контактной пайки «стеклокерамика - металл» является одним из основных методов, обеспечивающих герметичность, стойкость и надежность соединений, предотвращающих аварийные разрушения [6]. В этой связи кожух кабеля закрепляется герметично в основании с помощью металлокерамического спая.
Характерной особенностью конструкции разрабатываемого высокотемпературного датчика является отсутствие клеев, соединение деталей должно производиться при помощи сварок и резьбы. Применяемые в датчике материал для сварных соединений и выполненные сварные соединения должны обеспечивать степень герметичности сварных соединений, обеспечивающую нормальную эксплуатацию в различных условиях применения [7].
При высоких температурах в чувствительном элементе происходит увеличение проводимости. Общее сопротивление датчика снижается до (1-103...1-104) Ом, поэтому входной интегратор имеет малый входной импеданс. До тех пор пока модуль входного импеданса интегратора много меньше паразитного активного сопротивления чувствительного элемента, его заряд поступает в интегратор с минимальным негативным эффектом от паразитной утечки заряда. Параллельное соединение эквивалентной входной емкости датчика и паразитного активного сопротивления имеет спадающий характер модуля эквивалентного импеданса при снижении рабочей частоты, а коэффициент усиления операционного усилителя интегратора увеличивается с уменьшением частоты, что приводит к эффекту компенсации во всем рабочем частотном диапазоне. Данная схема реализована в ВИП.
ВИП состоит из преобразователя заряда в напряжение (ПЗН), масштабного усилителя (МУ), фильтра нижних частот (ФНЧ), линейного стабилизатора напряжения (ЛСН), преобразователя постоянного напряжения (ППН), генератора тактовых импульсов (ГТИ) и выпрямителя (В).
Напряжение питания преобразователя ±15 В от блока питания (БП). Напряжение питания БП - 27 В.
Структурная схема ВИП изображена на рис. 3.
Вход
ПЗН МУ ФНЧ Выход
+иш
ОШ
В ППН ЛСН 27 В
*
ч
Рис. 3. Структурная схема вторичного измерительного преобразователя
Переменный заряд ПИП, пропорциональный измеряемому значению пульсации давления, поступает на вход ВИП и преобразуется в напряжение переменного тока. ПЗН преобразует заряд с ПИП в переменное напряжение, пропорциональное измеряемому значению пульсации давления. МУ предназначен для регулирования чувствительности ВИП пропорционально измеряемому значению пульсации, обеспечивает согласование выходного сигнала датчика с регистратором, установку начального уровня выходного сигнала и температурную компенсацию датчика. ФНЧ формирует амплитудно-частотную характеристику датчика. Питание датчика осуществляется от источника вторичного электропитания. ЛСН обеспечивает получение стабилизированного напряжения питания датчика при изменениях питающего напряжения (27 ± 5) В. ППН предназначен для преобразования напряжения ЛСН в переменное напряжение с целью получения необходимого значения напряжения питания датчика и для гальванической развязки цепей питания и выходных цепей ВИП. ГТИ предназначен для управления работой ППН. Выпрямитель обеспечивает питание микросхем ВИП двухполяр-ным напряжением.
Стабильность метрологических характеристик датчика в рабочих условиях эксплуатации обеспечивается постоянством поджатия чувствительного элемента и прогиба мембраны.
Основным узлом, обеспечивающим выполнение требований по метрологическим характеристикам: диапазону измерений, основной погрешности, температурной погрешности, составляющей погрешности от воздействия статического давления и виброускорения, а также по габаритным параметрам, - является чувствительный элемент.
Конструктивно чувствительный элемент содержит пьезоэлементы из монокристаллического материала ЛГТ и токосъемники из стальной ленты. Пьезоэлементы стягиваются токосъемниками, которые свариваются между собой с токоведущими жилами кабеля.
Соединение чувствительного элемента с гермовводом 1 осуществляется через токосъемники 2 двухсторонней контактной сваркой 3 (рис. 4).
Механическая надежность и стабильность метрологических характеристик датчика обеспечивается закреплением чувствительного элемента с помощью тонкостенного колпачка - цилиндра 4, который соединяется с силопередающей прокладкой 5 и гермовводом с помощью импульсной лазерной сварки.
Предложенные конструктивные решения для вновь разрабатываемого датчика быстро-переменных давлений позволят увеличить диапазон измерения быстропеременных давлений, воздействия статических давлений, частотный диапазон, стойкость к вибрационном ускорениям и снизить погрешность. Работоспособность датчика при температуре до 800 °С во многом обеспечивается высокотемпературным материалом пьезоэлемента, выполненного из высокоэффективного стабильного монокристаллического галлотанталата лантана, а также специальной технологией сборки высокотемпературных конструкций.
Рис. 4. Конструктивная схема датчика
Список литературы
1. Бастрыгин, К. И. К вопросу коррекции температурной погрешности в пьезоэлектрических датчиках давления / К. И. Бастрыгин, В. В. Кикот // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 2. - С. 25-30.
2. Мусаев, Р. Ш. Имитационное моделирование чувствительного элемента тензорезистив-ного датчика абсолютного давления / Р. Ш. Мусаев, М. А. Фролов, А. А. Трофимов // Измерения Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 2. - С. 51-55.
3. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. - М., 2013.
4. Андреев, А. И. Монокристаллы семейства лангасита - необычное сочетание свойств для применений в акустоэлектронике / А. И. Андреев // Журнал технической физики. -2006. - Т. 76, № 6. - С. 80-86.
5. Третьяков, Ю. Д. Химия твердого тела. Теория и приложения : в 2-х ч. Ч. 1: Вест-А / Ю. Д. Третьяков. - М. : Мир, 1988. - 206 с.
6. Туманов, А. Т. Конструкционные материалы / А. Т. Туманов. - М. : Советская энциклопедия, 1965. - Т. 3. - С. 93.
7. Технология производства космических ракет / Е. А. Джур, С. И. Вдовин, Л. Д. Кучма, В. А. Найденов, Е. Ю. Николенко, Е. И. Ухов. - Днепропетровск : Изд-во ДГУ, 1992.
Бастрыгин Кирилл Игоревич
начальник отдела,
Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: [email protected]
Bastrygin Kirill Igorevich
head of department, Scientific-research Institute of physical measurements (8/10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
УДК 681.586.773 Бастрыгин, К. И.
Высокотемпературный пьезоэлектрический датчик пульсации давления / К. И. Бастрыгин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 1 (15). - С. 76-81.
