RU2679640C1 - Frequency-response sensitive element for differential pressure sensor - Google Patents
Frequency-response sensitive element for differential pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2679640C1 RU2679640C1 RU2018120838A RU2018120838A RU2679640C1 RU 2679640 C1 RU2679640 C1 RU 2679640C1 RU 2018120838 A RU2018120838 A RU 2018120838A RU 2018120838 A RU2018120838 A RU 2018120838A RU 2679640 C1 RU2679640 C1 RU 2679640C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- differential pressure
- resonant
- membrane
- pressure sensor
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 95
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 58
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 15
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 3
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 25
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 230000032683 aging Effects 0.000 abstract description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 abstract description 2
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 5
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009172 bursting Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к частоторезонансным чувствительным элементам (ЧЭ) для датчиков дифференциального давления, способных с высокой точностью преобразовывать в частотный электрический сигнал дифференциальное давление жидких и газообразных агрессивных сред, находящихся под высоким статическом давлением. Выбранное направление, развиваемое заявленным изобретением характеризуется применением в качестве упругого элемента мембраны, разделяющей друг от друга среды, разность давлений которых вызывает в ней воспроизводимые деформации. А в качестве преобразователей деформации мембраны в частотный электрический сигнал применены выполненные по технологии частоторезонансных микроэлектромеханических систем (МЭМС) высокодобротные тензочувствительные резонаторы (TP) (Патент RU на полезную модель №54202, Пьезорезонансный датчик. МКИ: G01P 5/10; НОЗН 9/15; опубликован 10.06.2006 г., приоритет 31.01.2006 г., авторы: Лукьянчук В.Н., Осоченко Е.А., Ванин А.В., Поляков В.Б., Поляков А.В.) [1], включенные в цепь обратной связи с электронным блоком возбуждения.The invention relates to measuring technique, namely, to frequency-resonance sensitive elements (SE) for differential pressure sensors, capable of converting with high accuracy the differential pressure of liquid and gaseous aggressive media under high static pressure into a frequency electrical signal. The selected direction, developed by the claimed invention is characterized by the use as an elastic element of a membrane that separates media from each other, the pressure difference of which causes reproducible deformations in it. And as converters of membrane deformation into a frequency electrical signal, high-quality strain-sensitive resonators (TP) made using the technology of frequency-resonance microelectromechanical systems (MEMS) are used (Patent RU for utility model No. 54202, Piezoresonant sensor. MKI:
Общим для вариантов исполнения TP является наличие резонирующей части, расположенной как минимум между двух узловых точек. Резонирующая часть TP, при отсутствии значительного сопротивления окружающего пространства, способна совершать механические колебания, частота которых зависит от ее размеров и упругих свойств, а также от внешних воздействий, изменяющих эти упругие свойства. Узловые точки и прилегающие к ним участки во время резонанса не участвуют в резонансных колебаниях, и поэтому могут быть точками тензовоздействия деформируемого участка мембраны.Common to TP designs is the presence of a resonant portion located at least between two nodal points. The resonating part of TP, in the absence of significant resistance of the surrounding space, is able to perform mechanical vibrations, the frequency of which depends on its size and elastic properties, as well as on external influences that change these elastic properties. Nodal points and areas adjacent to them during resonance do not participate in resonance vibrations, and therefore can be the points of tensile action of the deformable section of the membrane.
Превышение давления с одной стороны мембраны над давлением с другой стороны вызовет ее прогиб в сторону меньшего давления. При этом в области малых перемещений участки поверхности мембраны со стороны меньшего давления в ее центральной части, будут растягиваться как по радиусу (радиальные деформации), так и по окружности (тангенциальные деформации), а на периферии сжиматься, и наоборот, со стороны большего давления ее центральные участки будут сжиматься, а периферийные растягиваться (Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. / В.В. Малов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 272 с.; Патент RU №2480723, Датчик давления на основе нано - и микроэлектромеханической системы повышенной точности и надежности. МКИ: G01L 9/04, В82В 1/00, опубликован 27.04.2013 г., авторы: Васильев В.А., Хованов Д.М.) [2, 3].An excess of pressure on one side of the membrane over pressure on the other hand will cause it to deflect toward lower pressure. In this case, in the region of small displacements, sections of the membrane surface from the side of lower pressure in its central part will stretch both along the radius (radial deformations) and around the circumference (tangential deformations), and compress at the periphery, and vice versa, from the side of its higher pressure the central sections will shrink, and the peripheral ones will stretch (Malov VV Piezoresonant sensors. / VV Malov. - 2nd ed., revised and additional - M .: Energoatomizdat, 1989, 272 pp .; RU patent No. 2480723, Pressure sensor based on nano - and microelectromechanical s Topics raised accuracy and reliability of the MKI:.
У частоторезонансных ЧЭ суммарная (интегральная) деформация участка мембраны вызывает соответственное растяжение или сжатие, закрепленного на ней TP [3]. Для относительно тонких круглых мембран ее центральная зона однородных деформаций составляет 0,6-0,7 от диаметра мембраны. Поэтому максимальную деформацию, и соответственно чувствительность ЧЭ, можно получить при закреплении TP в центральной зоне однородной деформации мембраны в пределах 0,6 ее диаметра, при длине резонирующей части TP также равной 0,6-0,7 диаметра мембраны [3]. Для увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности выходного сигнала ЧЭ также применяют не плоские и не круглые мембраны (прямоугольные, с жестким центром и другие) оптимальные зоны однородных деформаций, и расположение тензочувствительных элементов, на которых рассчитываются методами математического моделирования.In frequency-resonance CEs, the total (integral) deformation of a membrane portion causes a corresponding extension or compression of TP attached to it [3]. For relatively thin round membranes, its central zone of uniform deformations is 0.6-0.7 of the diameter of the membrane. Therefore, the maximum deformation, and accordingly the sensitivity of the SE, can be obtained by fixing TP in the central zone of uniform deformation of the membrane within 0.6 of its diameter, with the length of the resonating part TP also equal to 0.6-0.7 of the diameter of the membrane [3]. To increase the sensitivity and reduce the nonlinearity of the output signal of the SE, non-flat and non-circular membranes (rectangular, with a rigid center and others) are also used, optimal zones of uniform deformations, and the location of strain-sensitive elements, which are calculated by mathematical modeling methods.
В настоящее время наиболее точные датчики получены мембранами, изготовленными из монокристаллов кремния и кварца (B.C. Волков, Д.А. Кудрявцева, А.Р. Вергазов. Современные направления развития преобразователей давления с частотным выходом. // Измерение Мониторинг Управление Контроль. - 2014. - №4. - С. 20-28.) [4].Currently, the most accurate sensors are obtained by membranes made of silicon and quartz single crystals (BC Volkov, D.A. Kudryavtseva, A.R. Vergazov. Current trends in the development of pressure transmitters with a frequency output. // Measurement Monitoring Management Control. - 2014. - No. 4. - S. 20-28.) [4].
Известен ЧЭ изготовленный из пьезокварца, корпус которого содержит две плоские крышки, соединенные друг с другом через кольцевую проставку. Одна из крышек служит мембраной, на которой в ее центральной части внутри или снаружи полости узловыми точками закреплен кварцевый TP [2].Known CE made of piezoelectric quartz, the housing of which contains two flat covers connected to each other through an annular spacer. One of the covers serves as a membrane on which quartz TP is fixed by nodal points in its central part inside or outside the cavity [2].
Для построения датчика дифференциального давления во второй крышке, разделяющей измеряемые среды с противоположных поверхностей мембраны, выполняется отверстие и вклеивается штуцер, через который подается одно из сравниваемых давлений. Второе из сравниваемых давлений поступает снаружи кварцевой коробки, заключенной в прочный корпус датчика.To build a differential pressure sensor in the second cover separating the measured medium from opposite surfaces of the membrane, a hole is made and a fitting is glued through which one of the compared pressures is supplied. The second of the compared pressures enters outside the quartz box enclosed in a sturdy sensor housing.
Соединение резонатора с мембраной, мембраны с проставкой, проставки с разделительной крышкой осуществляется легкоплавким стеклом (Патент RU №2540749 Легкоплавкое стекло «2ЛС». МКИ: С03С 3/074, опубликован 10.02.2015 г., авторы: Рачковская Г.Е., Поляков В.Б., Поляков А.В., Семенкова О.С.) [5].The connection of the resonator with the membrane, the membrane with the spacer, the spacer with the separation cover is made of low-melting glass (Patent RU No. 2540749 Low-melting glass "2LS". MKI:
На мембране методом вакуумного напыления нанесены тонкопленочные электроды, проходящие через зону стеклоспая мембраны с кольцевой проставкой, и образующие снаружи контактные площадки, предназначенные для подключения TP к внешней электронной схеме.Thin-film electrodes are applied to the membrane by vacuum deposition, passing through the glass-sealed membrane zone with an annular spacer, and forming contact pads on the outside for connecting the TP to an external electronic circuit.
Для увеличения чувствительности и компенсации воздействия температуры и статического давления применяют дифференциальное включение двух идентичных ТР. Один монтируют в центральной зоне мембраны с деформацией одного знака, а второй у внешнего края мембраны испытывающей деформацию другого знака. Поэтому при подаче дифференциального давления резонансная частота одного резонатора увеличивается, а другого уменьшается.To increase the sensitivity and compensate for the effects of temperature and static pressure, differential inclusion of two identical TPs is used. One is mounted in the central zone of the membrane with deformation of one sign, and the second at the outer edge of the membrane experiencing deformation of the other sign. Therefore, when applying differential pressure, the resonant frequency of one resonator increases, and the other decreases.
В результате вычитания сигналов пары TP получаем существенное увеличение отношения полезный сигнал-шум.As a result of subtracting the signals of the TP pair, we obtain a significant increase in the useful signal-to-noise ratio.
Недостатком рассмотренных кварцевых и подобных ЧЭ из других монокристаллических материалов - это ограниченные условия их применения только для измерения разности давлений газообразных чистых неагрессивных сред при небольших статических давлениях. Это связано с тем, что при увеличении плотности среды, в которой совершает резонансные колебания TP, интенсивно снижается их добротность вплоть до срыва колебаний.The disadvantage of quartz and similar CEs considered from other single-crystal materials is the limited conditions for their use only for measuring the pressure difference between gaseous pure non-aggressive media at low static pressures. This is due to the fact that with an increase in the density of the medium in which the resonant vibrations of TP take place, their Q factor decreases rapidly up to the breakdown of vibrations.
Возможность измерения дифференциального давления жидких и газообразных агрессивных сред при небольшом статическом давлении до 0,7 МПа можно реализовать в известных конструкциях частоторезонансных датчиков, у которых ЧЭ содержат две измерительные мембраны, на поверхностях которых, обращенных друг к другу в центральной части, закреплены два ТР. Эти мембраны, соединенные по периферии через проставку, образуют герметичную ваккумированную полость, которая позволяет сохранить высокодобротные колебания пары TP при измерении разницы давлений агрессивных сред.The ability to measure the differential pressure of liquid and gaseous aggressive media with a small static pressure of up to 0.7 MPa can be realized in the known designs of frequency-resonance sensors, in which the SE contains two measuring membranes, on the surfaces of which are facing each other in the central part, two TRs are fixed. These membranes, connected along the periphery through a spacer, form a sealed vacuum chamber, which allows you to save high-quality vibrations of the TP pair when measuring the pressure difference of aggressive media.
Известны подобные ЧЭ, выполненные из монокристаллического кварца АТ-среза с TP с пьезоэлектрическим возбуждением толщинносдвиговых резонансных колебаний [2] (с.165, 166, рис. 5.23 а), а также ЧЭ, выполненные из монокристаллического кремния, содержащие две идентичные мембраны, разделенные вакуумированным промежутком с эпитаксиально выращенными на них TP, с магнитоэлектрическим возбуждением резонансных колебаний (Патент RU №2548582 Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом и датчик для осуществления способа. МКИ G01L 11/00, опубликован 20.04.2015 г., авторы: Бардин А.В., Филонов О.М., Меткин Н.П., Окин П.А.) [6].Known similar CEs made of single-crystal quartz AT-cut with TP with piezoelectric excitation of thickness-shear resonance vibrations [2] (p.165, 166, Fig. 5.23 a), as well as CEs made of single-crystal silicon containing two identical membranes, separated evacuated gap with TP epitaxially grown on them, with magnetoelectric resonance excitation (Patent RU No. 2548582, Method for measuring the pressure difference with a sensor with a frequency-modulated output signal and a sensor for performing sp . Soba IPC
Основным недостатком этих ЧЭ и датчиков на их основе является невозможность измерять с высокой точностью малые перепады давлений на фоне больших статических давлений.The main disadvantage of these SEs and sensors based on them is the inability to measure small pressure drops with high accuracy against high static pressures.
Из-за наличия вакуума между двумя мембранам, на их внешние поверхности действует полное (нескомпенсированное) статическое давление. И при необходимости измерений разницы давлений с большей статической составляющей для предотвращения разрушения мембран необходимо увеличивать отношение ее толщины к ее диаметру, уменьшая тем самым разрешающую способность измерения разницы давлений. Кроме того, расположение пары TP на двух мембранах снижает идентичность их чувствительностей к дестабилизирующим воздействиям внешних факторов.Due to the presence of vacuum between the two membranes, full (uncompensated) static pressure acts on their outer surfaces. And if it is necessary to measure the pressure difference with a larger static component, to prevent the destruction of the membranes, it is necessary to increase the ratio of its thickness to its diameter, thereby reducing the resolution of measuring the pressure difference. In addition, the location of the TP pair on two membranes reduces the identity of their sensitivity to the destabilizing effects of external factors.
Выше отмеченные недостатки аналогов преодолены во взятых за прототипы частоторезонансных ЧЭ серии EJX в составе датчика дифференциального давления DPharp (ЧЭ серии EJX в составе датчика дифференциального давления DPharp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) японской фирмы YOKOGAWA (Международный журнал Control Engineering Россия 01.02.2008); Патент ЕР №0456029 A1 Vibrating type pressure measuring device. МКИ: G01L 11/00, опубликован 13.11.1991 г., авторы: Ikeda Kyoichi, Watanabe Tetsuya, Kudo Takahiro, Fujita Akio, Tsukamoto Hideo, Kohno Nobuaki, Kuwayama Hideki.) [7, 8].The above noted drawbacks of analogs were overcome in the prototypes of frequency-resonance EJX series probes as part of the DPharp differential pressure transmitter (EJX series chi as part of the DPharp differential pressure sensor (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) of the Japanese company YOKOGAWA (International Journal of Control Engineering Russia 02/01/2008 ); Patent EP No. 0456029 A1 Vibrating type pressure measuring device. MKI:
В частоторезонансном ЧЭ серии EJX в качестве упругого элемента используется кремниевая мембрана, на которой с одной стороны методами эпитаксии выращены два кремниевых тензочувствительных резонатора Н-образной удлиненной формы, отделенных от внешней среды капсулами в виде выступающих над поверхностью мембраны герметичных сводов, создающих вокруг TP ваккумированные полости, обеспечивающие сохранение добротности резонансных колебаний, а также защиту резонаторов от статического давления. В отличие от мембраны, на прогиб которой статическая составляющая сравниваемых давлений не влияет, своды вакуумированных защитных капсул прогибаются под действием всего поданного давления, синхронно увеличивая по мере его роста резонансные частоты TP и при превышении его определенного значения, разрушаются. Чем уже П-образное поперечное сечение капсулы и толще ее стенки, тем больше предельное давление ее разрушения.In the frequency-resonance CE of the EJX series, a silicon membrane is used as an elastic element, on which, on the one hand, two silicon H-shaped elongated silicon strain-sensitive cavities are separated by capsules in the form of sealed arches protruding above the membrane surface, creating vacuum cavities around TP , ensuring the preservation of the quality factor of resonant oscillations, as well as the protection of the resonators from static pressure. Unlike a membrane, the deflection of which is not affected by the static component of the compared pressures, the arches of the evacuated protective capsules bend under the influence of the entire applied pressure, simultaneously increasing the resonance frequencies TP and, when it exceeds a certain value, they are destroyed. The narrower the U-shaped cross section of the capsule and the thicker its wall, the greater the ultimate pressure of its destruction.
Основные достоинства прототипа в составе датчика дифференциального давления, отличающее его от аналогов, - это возможность за счет применения защитных капсул измерять с высокой точностью малые перепады больших давлений. Резонаторы, закрытые защитными капсулами, расположены на центральном и периферийном участках мембраны, испытывающими при подаче с ее противоположных сторон отличающихся давлений деформации с разными знаками. Эти деформации разного знака пропорциональные разнице давлений деформируют также с разным знаком тензочувствительные резонаторы. При этом у резонатора, предварительно настроенного на большую резонансную частоту, резонансная частота увеличивается, а у резонатора с меньшей частотой она уменьшается. В прототипе возбуждение резонансных механических колебаний и их преобразование в электрический частотный сигнал происходят за счет использования эффекта электромагнитной индукции путем пропускания через них электрического тока при одновременном воздействии поперечного магнитного поля постоянного магнита. В электронном блоке датчика выделяется электрический частотный сигнал равный текущей разнице резонансных частот резонаторов. Это так называемое дифференциальное включение ТР. Точность преобразования деформации мембраны под действием дифференциального давления в электрический частотный сигнал тем выше, чем больше сумма тензочувствительностей пары резонаторов и чем меньше и идентичнее их чувствительности к статическому давлению и к дестабилизирующим воздействиям (шумам). Особенно важна роль идентичности, так как электронный блок датчика настроен так, что полезные изменения частот пары TP, вызванных дифференциальным давлением, суммируются, а их паразитные изменения частот от дестабилизирующих воздействий внешних и внутренних факторов вычитаются. Поэтому при обеспечении равенства чувствительностей пары TP к паразитным факторам их дестабилизирующее влияние на выходной сигнал исключается.The main advantages of the prototype in the differential pressure sensor, which distinguishes it from analogues, is the ability to measure small pressure drops with high accuracy by using protective capsules. Resonators covered with protective capsules are located on the central and peripheral sections of the membrane, which experience different deformation pressures with different signs when applying from its opposite sides. These deformations of different signs proportional to the pressure difference also deform strain-sensitive resonators with different signs. In this case, the resonator is pre-tuned to a large resonant frequency, the resonant frequency increases, and the resonator with a lower frequency, it decreases. In the prototype, the excitation of resonant mechanical vibrations and their conversion into an electric frequency signal occurs due to the use of the effect of electromagnetic induction by passing an electric current through them with simultaneous exposure to a transverse magnetic field of a permanent magnet. An electronic frequency signal equal to the current difference in the resonant frequencies of the resonators is allocated in the electronic unit of the sensor. This is the so-called differential inclusion TP. The accuracy of converting the membrane deformation under the influence of differential pressure into an electric frequency signal is the higher, the greater the sum of the sensitivity of a pair of resonators and the less and identical to their sensitivity to static pressure and to destabilizing effects (noise). The role of identity is especially important, since the electronic unit of the sensor is configured so that the useful changes in the frequencies of the TP pair caused by differential pressure are summed up, and their spurious changes in frequencies from the destabilizing effects of external and internal factors are subtracted. Therefore, while ensuring the sensitivity of the TP pair to parasitic factors, their destabilizing effect on the output signal is eliminated.
Но, как указывалось выше по тексту, центральная часть мембраны с однородной радиальной деформацией разделяет по диаметру на две части периферийную зону однородной радиальной деформации противоположного знака. Следовательно, для обеспечения идентичности параметров пары TP в прототипе их длина выполнена одинаковой и равной половине разницы диаметра мембраны и диаметра центральной зоны однородной деформации, что составляет всего 0,2 диаметра мембраны. Несмотря на использование в прототипе технических решений по достижению идентичности пары TP, их расположение в отдельных малообъемных вакуумированных капсулах не позволяет выровнять и скомпенсировать возможно не равное долговременное изменение их резонансных частот из-за различного изменения во времени вакуума в капсулах, а также из-за температурного градиента. За исключением различного положения границы смены деформации, приведенное выше справедливо и для мембран не круглой формы с разной средней толщиной и мембран с переменным рельефом по толщине [2].But, as indicated above, the central part of the membrane with uniform radial deformation divides in diameter into two parts the peripheral zone of uniform radial deformation of the opposite sign. Therefore, to ensure the identity of the parameters of the TP pair in the prototype, their length is the same and equal to half the difference in the diameter of the membrane and the diameter of the central zone of uniform deformation, which is only 0.2 of the diameter of the membrane. Despite the use of technical solutions in the prototype to achieve the identity of the TP pair, their location in individual low-volume evacuated capsules does not allow to equalize and compensate for the possibly unequal long-term change in their resonant frequencies due to different changes in the time of the vacuum in the capsules, as well as due to the temperature gradient. With the exception of different positions of the deformation change boundary, the above is also true for non-circular membranes with different average thicknesses and membranes with a variable relief in thickness [2].
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в получении возможности, по сравнению с прототипом, увеличить кратковременную и долговременную стабильность измерений дифференциального давления на фоне высокого статического давления за счет увеличения чувствительности ЧЭ к дифференциальному давлению, при сохранении у составляющих пару TP равенства чувствительностей к полному давлению, а так же ослабления и уменьшения разницы чувствительностей TP к дестабилизирующим факторам «шума»: температуре, вибрации, ударам, старению, статическому давлению, включая их взаимодействия.The problem to which the claimed invention is directed, is to obtain the possibility, in comparison with the prototype, to increase the short-term and long-term stability of differential pressure measurements against high static pressure by increasing the sensitivity of the SE to differential pressure, while maintaining the equality of sensitivity to full pressure, as well as weakening and reducing the difference in the sensitivity of TP to the destabilizing factors of "noise": temperature, vibration, shock frames, aging, static pressure, including their interaction.
Технический результат достигается тем, что в частоторезонансном ЧЭ дифференциального давления, содержащим измерительную мембрану, на поверхности которой в зонах с разным знаком деформаций, возникающих при ее прогибе, узловыми точками жестко закреплена пара TP, герметично закрытых в вакууме или в среде нейтрального газа защитными крышками с углублениями образующими вокруг резонирующих частей TP вакуумированную или газозаполненную полость (капсулу), а по контуру мембраны с одной или с обеих ее сторон герметично смонтирована одна или соответственно две разделительные крышки с выборкой, перекрывающей участок измерительной мембраны, в пределах которого смонтированы резонаторы с защитными крышками, причем каждая разделительная крышка имеет отверстие для подачи одного из сравниваемых давлений, а длина каждого TP превышает его ширину и совпадает с осью его тензочувствительности, применены новые существенные признаки, заключающиеся в том, что составляющие пару TP с защитными крышками смонтированы с противоположных сторон измерительной мембраны в ее центральной зоне однородных деформаций, в которой, в пределах совмещенных проекций контуров защитных крышек, выполнено сквозное отверстие, образующее с защитными крышками общую для пары TP герметичную полость с обеспечением гарантированного зазора между резонирующими частями TP и внутренними поверхностями полости.The technical result is achieved by the fact that in a frequency-resonance CE of differential pressure containing a measuring membrane, on the surface of which, in zones with a different sign of deformations that occur during its deflection, TP pair is rigidly fixed with nodal points, hermetically sealed in vacuum or in a neutral gas environment with protective covers with recesses forming a vacuum or gas-filled cavity (capsule) around the resonating parts of TP, and one or the other is hermetically mounted along the membrane contour on one or both of its sides Significantly, two dividing covers with a sample overlapping the portion of the measuring membrane, within which resonators with protective covers are mounted, each dividing cover has an opening for supplying one of the compared pressures, and the length of each TP exceeds its width and coincides with the axis of its strain sensitivity, new the essential features are that a pair of TPs with protective covers are mounted on opposite sides of the measuring membrane in its central zone 's deformations, wherein within the combined contours of the projections protective covers a through opening forming a common protective covers for a pair TP sealed cavity with providing a guaranteed clearance between the resonating parts TP and internal surfaces of the cavity.
Выполнение отверстия в измерительной мембране, с образованием для пары TP единой полости (капсулы) позволит как минимум скомпенсировать противодействие TP и защитных крышек ее полезной деформации. Расположение единой полости с TP в центре измерительной мембраны позволит применить идентичные TP с максимально возможной длиной. Единая для пары TP полость при равной площади свода защитной крышки и площади свода капсулы прототипа будет иметь больший объем. Следовательно, при равной устойчивости к статическому давлению возможное изменение остаточного давления во времени полости большего объема будет медленнее. Соответственно, медленнее будет скорость смещения ноля (старение) резонансных частот пары ТР. При идентичности пары TP их расположение в одной полости создаст условия для компенсации не только установившихся дестабилизирующих факторов, но и так же переходных процессов.The opening in the measuring membrane, with the formation of a single cavity (capsule) for the TP pair, will at least compensate for the opposition of TP and the protective covers of its useful deformation. The location of a single cavity with TP in the center of the measuring membrane will allow the use of identical TPs with the maximum possible length. A single cavity for a TP pair with an equal area of the arch of the protective cover and the area of the arch of the capsule of the prototype will have a larger volume. Consequently, with equal resistance to static pressure, a possible change in the residual pressure over time of a larger volume cavity will be slower. Accordingly, the speed of zero bias (aging) of the resonance frequencies of the TP pair will be slower. If the TP pair is identical, their location in one cavity will create conditions for compensating not only the established destabilizing factors, but also transients.
Дополнительным результатом изобретения могут быть меньшие трудозатраты при производстве ЧЭ с размещением пары TP в объединенной полости.An additional result of the invention may be less labor costs in the manufacture of SE with the placement of a pair of TP in the joint cavity.
В варианте исполнения ЧЭ, предназначенного для работы в широком диапазоне быстроменяющихся температур, объединенная полость с парой TP вакуумирована и заполнена остаточной атмосферой гелия. Разряженная атмосфера гелия не снижает добротность резонансных колебаний пары TP и в тоже время подвижные молекулы гелия быстро выравнивают разницу температур при локальном кратковременном термовоздействии.In the embodiment of the CE intended for operation in a wide range of rapidly changing temperatures, the combined cavity with a TP pair is evacuated and filled with residual helium atmosphere. A rarefied helium atmosphere does not reduce the quality factor of resonance vibrations of a TP pair, and at the same time, mobile helium molecules quickly equalize the temperature difference during local short-term thermal effects.
Для технологичности сборки и обеспечения сохранения высокой добротности TP при высоких статических давлениях защитные крышки ЧЭ выполнены в виде набора пластин, состоящего из рамки, с одной стороны соединенной с поверхностью измерительной мембраны вокруг контура, выполненного в ней сквозного отверстия, а с противоположной стороны соединенной с плоскопараллельной пластиной, причем рамка, выполненная как часть защитной крышки, является так же зоной узловых точек TP, которая выполнена как одно целое без соединительных швов с резонирующей частью TP, расположенной внутри рамки и толщина которой меньше толщины рамки, что обеспечивает гарантированный зазор между резонирующей частью TP и внутренними поверхностями полости защитной крышки и части поверхности мембраны ограниченной внутренним контуром рамки защитной крышки.For technological assembly and ensuring the preservation of high quality factor TP at high static pressures, the protective caps of the CEs are made in the form of a set of plates consisting of a frame connected on one side to the surface of the measuring membrane around a loop made through it and on the opposite side connected to plane-parallel plate, and the frame, made as part of the protective cover, is also a zone of nodal points TP, which is made as a unit without connecting seams with resonating astyu TP, situated inside the frame and the thickness of which is smaller than the thickness of the frame that provides a guaranteed clearance between the resonating part TP and the inner surfaces of the cavity portion of the protective cover and the surface of the membrane bounded inner contour beyond the protective cover.
В варианте защитная крышка может быть монолитной с выборкой и не иметь непосредственного соединений с ТР. Обе детали могут быть соединены с измерительной мембраной у сквозного отверстия с образованием единой герметичной полости, при минимально возможном зазоре между поверхностями полости и ТР. Для защиты от высоких статических давлений TP и защитные крышки выполнены максимально узкими, а все соединения выполнены легкоплавким стеклом.In an embodiment, the protective cover may be monolithic with sampling and not have direct connections to TP. Both parts can be connected to the measuring membrane at the through hole with the formation of a single sealed cavity, with the smallest possible gap between the surfaces of the cavity and TP. To protect against high static pressures, TP and protective covers are made as narrow as possible, and all connections are made of low-melting glass.
Для увеличения верхнего предела статического давления резонирующая часть рамочного TP и соответствующий внутренний контур рамки, задающий форму и площадь свода защитной крышки, выполнены с плавным или ступенчатым сужением по ширине в направлении от широких торцов TP до минимальной ширины по середине длины TP, а контур сквозного отверстия расположен в пределах внутреннего контура рамки ТР. Форма свода с сужением по сравнению с прямоугольной за счет меньшей площади выдерживает большее давление.To increase the upper limit of static pressure, the resonant part of the frame TP and the corresponding internal contour of the frame defining the shape and area of the arch of the protective cover are made with smooth or stepwise narrowing in width in the direction from the wide ends of TP to the minimum width in the middle of the length TP, and the contour of the through hole located within the inner contour of the TP frame. The shape of the arch with a narrowing compared with a rectangular due to the smaller area withstands more pressure.
В варианте исполнения ЧЭ для получения большей чувствительности к дифференциальному давлению за счет большего растяжения центрального участка измерительной мембраны в направлении, совпадающим с осями тензочувствительности, закрепленных на ней TP, сквозное отверстие в мембране и соответствующие защитные крышки выполнены в форме креста с углом пересечения от 90° до 120°. Для меньшего искажения формы прогиба относительно тонких мембран резонирующие части составляющих TP расположены в выборках крестообразных крышек с перекрестием их проекций, а для обеспечения большей идентичности восприятия воздействий дестабилизирующих факторов, а также при применении удлиненных и толстых мембран, резонирующие части TP расположены в выборках крестообразных крышек параллельно. Оптимальный угол перекрестия подбирается для мембран, выполненных из анизотропного материала. Критерий оптимальности - это идентичность упругих свойств анизотропного материала мембраны в пересекающихся направлениях.In the SE embodiment, in order to obtain greater sensitivity to differential pressure due to greater stretching of the central portion of the measuring membrane in the direction coinciding with the axes of the strain sensitivity attached to it by TP, the through hole in the membrane and the corresponding protective covers are made in the form of a cross with an intersection angle of 90 ° up to 120 °. For less distortion of the deflection shape of relatively thin membranes, the resonant parts of the TP components are located in the samples of the cross-shaped covers with a crosshair of their projections, and to ensure greater identical perception of the effects of destabilizing factors, as well as when elongated and thick membranes are used, the resonant parts of the TP are located in the samples of the cross-shaped covers in parallel . The optimal crosshair angle is selected for membranes made of anisotropic material. The optimality criterion is the identity of the elastic properties of the anisotropic membrane material in intersecting directions.
В варианте исполнения ЧЭ сквозное отверстие в измерительной мембране может быть выполнено с переменным сечением по толщине, иметь форму двух трапеций, сопряженных узкими частями. Такая форма сечения снижает концентрацию напряжений у границ сквозного отверстия и может быть получена при селективном химическом травлении.In the embodiment, the through hole in the measuring membrane can be made with a variable cross-section in thickness, and can be in the form of two trapezoids, paired with narrow parts. This cross-sectional shape reduces the stress concentration at the boundaries of the through hole and can be obtained by selective chemical etching.
В варианте исполнения ЧЭ сквозное отверстие в измерительной мембране может быть выполнено с переменным сечением по толщине и иметь ступенчатую форму, образованную двусторонними углублениями, не выходящими за контуры защитных крышек, и сквозным отверстием, занимающим меньшую часть площади перемычки, образованной этими углублениями.In the embodiment of the SE, the through hole in the measuring membrane can be made with a variable thickness section and have a stepped shape formed by bilateral recesses not extending beyond the contours of the protective covers, and a through hole occupying a smaller part of the jumper area formed by these recesses.
Такая форма сечения обеспечивает высокую прочность к ударам и вибрациям, аналогичную прочности монолитной мембраны, и в тоже время для пары TP образует единую герметичную полость.This sectional shape provides high impact and vibration strength, similar to the strength of a monolithic membrane, and at the same time forms a single sealed cavity for the TP pair.
Для получения высокой добротности резонансных колебаний в широком диапазоне температур и минимизации переходных процессов при ударном воздействии внешних факторов, в заявляемом варианте ЧЭ тензочувствительные резонаторы с защитными крышками, измерительная мембрана с одной или двумя разделительными крышками выполнены из монокристаллического материала с близкой кристаллографической ориентацией и соединены между собой соединительным материалом с близким температурным коэффициентом линейного расширения. Известно, что монокристаллические материалы обладают высокими упругими свойствами и малым внутренним трением.In order to obtain a high quality factor of resonant oscillations in a wide temperature range and minimize transient processes under the impact of external factors, in the present embodiment, CE strain-sensitive resonators with protective covers, a measuring membrane with one or two separation covers are made of single-crystal material with a close crystallographic orientation and interconnected connecting material with a close temperature coefficient of linear expansion. Monocrystalline materials are known to have high elastic properties and low internal friction.
Для работы при высоких температурах, в условиях повышенной радиации TP с защитными крышками, измерительная мембрана с одной или двумя разделительными крышками выполнены из монокристаллического кварца одинакового угла среза.For operation at high temperatures, in conditions of increased TP radiation with protective covers, the measuring membrane with one or two dividing covers is made of monocrystalline quartz with the same cutting angle.
В варианте исполнения ЧЭ состоит из деталей монокристаллического кварца Z-среза, причем TP выполнены в форме бруска или сдвоенного камертона изгибных колебаний относительно низкой частоты (в пределах от трех до пятьсот кГц), возбуждаемых пьезоэлектрическим способом, а все соединения выполнены легкоплавким стеклом с близким температурным коэффициентом линейного расширения. Кроме малого потребления, низкочастотные TP изгибных колебаний имеют высокую относительную сило- и тензочувствительность до десяти процентов от резонансной частоты.In the embodiment, the SE consists of parts of single-crystal quartz Z-slice, with TP made in the form of a bar or a double tuning fork of relatively low frequency bending vibrations (ranging from three to five hundred kHz), excited by a piezoelectric method, and all the connections are made of fusible glass with a close temperature linear expansion coefficient. In addition to low consumption, low-frequency TP bending vibrations have a high relative force and strain sensitivity up to ten percent of the resonant frequency.
Для большего быстродействия и возможности беспроводной передачи сигнала, предлагаемый ЧЭ выполнен из деталей монокристаллического кварца АТ-среза, причем TP выполнены в форме полоска толщинносдвиговых колебаний с резонансной частотой более трех МГц.For greater speed and the possibility of wireless signal transmission, the proposed CE is made of details of single-crystal quartz AT-cut, with TP made in the form of a strip of thickness-shear vibrations with a resonant frequency of more than three MHz.
Изобретение поясняется девятью фигурами с применением следующих обозначений: 1 - ЧЭ дифференциального давления; 2 - измерительная мембрана; 3 - TP с защитной крышкой, настроенный на большую резонансную частоту; 4 - TP с защитной крышкой, настроенный на меньшую резонансную частоту; 5 - верхняя разделительная крышка с отверстием для подачи меньшего давления; 6 - нижняя разделительная крышка; 7 - внешние контактные площадки ЧЭ для электрического соединения возбуждающих электродов пары TP с электронным блоком 21; 8 - сквозное отверстие в измерительной мембране ЧЭ; 9 - тонкопленочные электроды, проходящие через зону соединения мембраны с разделительной крышкой к внешним контактным площадкам ЧЭ; 10 - зоны соединения деталей ЧЭ упругим материалом (эвтектикой, расплавленным стеклом, стеклоцементом и т.д.); 11 - генератор, подключенный к TP с большей резонансной частотой (F1); 12 - генератор, подключенный к TP с меньшей резонансной частотой (F2); 13 - смеситель, выдающий текущую частоту, пропорциональную дифференциальному давлению и равную разности текущих частот пары генераторов; 14 - корпус (частоторезонансного датчика) ЧД; 15 - штуцер для подачи сравниваемого давления; 16 - ввод для подачи сравниваемого давления на измерительную мембрану ЧЭ; 17 - резонирующая часть TP; 18 - рамка, являющаяся частью защитной крышки и областью узловых точек TP; 19 - верхняя часть защитной крышки; 20 - защитная крышка из набора пластин; 21 - электронный блок возбуждения резонансных механических колебаний и преобразования их в частотный электрический сигнал; 22 - герметичные вывода для электропроводного соединения электродов ЧЭ с электронным блоком; 23 - внутренний контур общий для защитной крышки и TP рамки; 24 - внешний контур резонирующей части TP; 25 - свод полости защитной крышки.The invention is illustrated by nine figures using the following notation: 1 - SE differential pressure; 2 - measuring membrane; 3 - TP with a protective cover tuned to a high resonant frequency; 4 - TP with a protective cover tuned to a lower resonant frequency; 5 - upper dividing cover with a hole for supplying less pressure; 6 - lower dividing cover; 7 - external contact pads of the CE for electrical connection of the exciting electrodes of the TP pair with the electronic unit 21; 8 - through hole in the measuring membrane of the SE; 9 - thin-film electrodes passing through the zone of connection of the membrane with the separation cover to the external contact pads of the CE; 10 - zones for the connection of parts of elastic elements with elastic material (eutectic, molten glass, glass cement, etc.); 11 - generator connected to the TP with a higher resonant frequency (F1); 12 - generator connected to TP with a lower resonant frequency (F2); 13 - a mixer that produces a current frequency proportional to the differential pressure and equal to the difference in current frequencies of a pair of generators; 14 - housing (frequency-resonance sensor) BH; 15 - fitting for supplying a comparable pressure; 16 - input for supplying the compared pressure to the measuring membrane of the SE; 17 - resonant part TP; 18 - frame, which is part of the protective cover and the region of the nodal points TP; 19 - the upper part of the protective cover; 20 - a protective cover from a set of plates; 21 is an electronic unit for exciting resonant mechanical vibrations and converting them into a frequency electrical signal; 22 - sealed terminals for conductive connection of the electrodes of the CE with the electronic unit; 23 - internal circuit common to the protective cover and TP frame; 24 - the external circuit of the resonant part TP; 25 - arch cavity protective cover.
На фиг. 1 изображен разрез варианта изобретения ЧЭ с двумя разделительными крышками 5 и 6 и двумя штуцерами 15, с размещением пары, закрытых защитными крышками TP 3 и 4, с противоположных сторон измерительной мембраны 2 над сквозным отверстием 8 с переменным сечением, по толщине расположенным в ее центре, и контур которого не выходит за контур совмещенных проекций защитных крышек пары TP, резонирующие части 17 которых выполнены параллельными их длине. Этот вариант ЧЭ с двумя штуцерами может быть применен для измерения разности давлений неагрессивных сред с абсолютными давлениями, не превышающими 0,7 МПа.In FIG. 1 shows a section through a variant of the invention of the CE with two dividing
На фиг. 2 изображен разрез варианта, смонтированного в корпусе ЧД 14 ЧЭ с двумя разделительными крышками 5 и 6 и одним штуцером 15, с размещением пары закрытых защитными крышками TP 3 и 4, с противоположных сторон измерительной мембраны 2 над сквозным отверстием 8 в форме прямоугольного креста с вертикальными стенками, расположенным в ее центре, и контур которого не выходит за контур совмещенных проекций крестообразных защитных крышек 20 TP, резонирующие части которых выполнены в выборках защитных крышек, с пересечением проекций под прямым углом.In FIG. 2 shows a sectional view of a variant mounted in the housing of the
На фиг. 3 и 4 изображены виды увеличенных фрагментов продольного и поперечного разреза фиг. 1, с изображением участка мембраны 2 в области прямоугольного сквозного отверстия с переменным трапециевидным сечением по толщине, и закрепленной упругим соединительным материалом 10, парой TP 3 и 4 с защитными крышками. Показана резонирующая часть 17 монолитного рамочного TP 3, и область соединения TP возле узловой точки 18, не участвующей в резонансных колебаниях.In FIG. 3 and 4 are views of enlarged fragments of a longitudinal and transverse section of FIG. 1, depicting a portion of the
На фиг. 5 изображен вид увеличенного фрагмента продольного разреза фиг. 1, где сквозное отверстие в измерительной мембране имеет ступенчатую форму, образованную двусторонними углублениями, не выходящими за внешние контуры защитных крышек, и сквозным отверстием, занимающим меньшую часть площади перемычки, образованной этими углублениями.In FIG. 5 is a view of an enlarged fragment of a longitudinal section of FIG. 1, where the through hole in the measuring membrane has a stepped shape formed by bilateral recesses not extending beyond the outer contours of the protective covers, and a through hole occupying a smaller part of the area of the bridge formed by these recesses.
На фиг. 6 изображен вид увеличенного фрагмента продольного разреза фиг. 2, где сквозное отверстие 8 в измерительной мембране 2 выполнено в форме прямоугольного креста с вертикальными стенками.In FIG. 6 is a view of an enlarged fragment of a longitudinal section of FIG. 2, where the through
На фиг. 7 показан фрагмент продольного разреза ЧЭ, где подобранные в пару рамочные TP с защитными крышками герметично соединены с противоположных сторон измерительной мембраны с пересечением проекций рамок TP под прямым углом, а объединенная герметичная полость образована круглым сквозным отверстием 8, расположенным внутри пересечения проекций TP и зазорами вокруг его резонирующей части 17.In FIG. Figure 7 shows a fragment of a longitudinal section of the CE where paired frame TPs with protective covers are hermetically connected on opposite sides of the measuring membrane with the projection of TP frames projected at right angles, and the joint sealed cavity is formed by a round through
На фиг. 8 и 9 показаны вид сверху и разрез фрагмента фиг. 7, где резонирующая часть имеет форму сдвоенного камертона с сужением в центральной части по длине ТР. С целью увеличения стойкости к статической составляющей давлений внутренний контур рамки TP 23 также выполнен с сужением, повторяющим с минимальным зазором внешний контур 24 резонирующей части ТР.In FIG. 8 and 9 show a top view and sectional view of a fragment of FIG. 7, where the resonating part has the shape of a double tuning fork with a narrowing in the Central part along the length of the TP. In order to increase resistance to the static component of the pressures, the inner contour of the
На фиг. 9 показаны токопроводящие дорожки 9, проходящие к контактным площадкам 7 через зону соединения разделительной крышки 5 с мембраной 2, и приведена схема коммутации с электронным блоком системы возбуждения резонансных колебаний 21.In FIG. 9 shows the
Датчик с ЧЭ работает следующим образом: меньшее давление Р2, поступает на измерительную мембрану 2 ЧЭ через штуцер 15 (Фиг. 2) и отверстие в верхней разделительной крышке 5. А равное или большее давление Р1 поступает в полость измерительного корпуса ЧД через ввод 16 и далее через отверстие в нижней разделительной крышке 6, при ее наличии, на противоположную поверхность измерительной мембраны. Статическая составляющая давлений, поданных внутрь корпуса ЧЭ и в зазор между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью корпуса датчика в ЧЭ компенсируется и действует только изнутри на корпус датчика и на защитные крышки. В данном варианте ЧД допустимый верхний предел статического давления определяется прочностью защитных крышек TP и прочностью корпуса датчика на давление распирающее его изнутри.A sensor with a CE operates as follows: a lower pressure P2 enters the measuring
При воздействии разницы давлений Р1 и Р2 измерительная мембрана 2 прогибается в сторону меньшего давления Р2. При этом выпуклая поверхность со сквозным отверстием 8 в центральной части мембраны 2 вместе с закрепленным на ней TP 3 с защитной крышкой растягивается, а вогнутая поверхность вместе с закрепленным на ней TP 4 с защитной крышкой сжимается. При деформации TP пропорционально изменяются частоты их резонансов. Кроме полезных изменений значений резонансных частот пары TP под действием разницы давлений возможны дополнительные смещения резонансных частот TP, за счет воздействия ряда выделенных (таких как давления Р1 и Р2, температуры, старения) и не выделенных факторов «шума». В отсутствии нагрузки каждый из пары TP, в зависимости от его конструкции и принципов действия, может быть настроен на выбранную в ограниченном интервале резонансную частоту, принимаемую за нулевую (F0). При настройке нулевых частот пары TP и выборе порядка их размещения на сторонах измерительной мембраны, допускающее сближение их резонансных частот, может возникать акустическая связь, приводящая к взаимным перескокам резонансных частот, искажающим показания ЧД дифференциального давления. Поэтому пару TP настраивают с начальной разницей нулевых резонансных частот, достаточной для исключения их взаимного влияния, при этом TP с большей резонансной частотой располагают на измерительной мембране ЧЭ со стороны подачи меньшего давления, обеспечивая тем самым увеличение разницы резонансных частот с ростом дифференциального давления. Наличие в центре мембраны сквозного отверстия увеличивает деформацию ее центральной части, а значит и суммарную чувствительность пары ЧЭ, а образование единой полости для пары TP уменьшает влияние остаточного давления и его изменения во времени и сокращает переходные процессы при скачкообразном изменении температуры.When exposed to the pressure difference P1 and P2, the measuring
Модулированные механическими резонансными колебаниями TP частотные электрические сигналы F1 и F2 поступают по проводникам через гермоввод 22 в электронный блок 21 ЧД, в котором они преобразуются в разностный частотный электрический сигнал, который состоит из суммы полезных изменений резонансных частот пары TP и, оставшейся после аппаратного вычитания, изменений резонансных частот пары TP от одноименных факторов «шума». При этом еще более высокую точность преобразования можно получить за счет выделения при градуировке недокомпенсированного влияния статической составляющей сравниваемых давлений Р1 и Р2 и температуры. Последнее можно осуществить, подавая в процессор дополнительно к сигналу разности частот пары TP сигналы их полного давления, и частотный сигнал от встроенного термочувствительного резонатора. В процессоре, который может располагаться непосредственно в электронном блоке ЧД или быть удаленным на значительное расстояние, могут формироваться цифровые электрические сигналы дифференциального давления, статического давления и температуры.The frequency electrical signals F1 and F2, modulated by mechanical resonance vibrations TP, are fed through the conductors through the
Для подтверждения возможности получения задуманного технического результата из монокристаллического кварца Z-среза были изготовлены и испытаны два варианта опытных образцов ЧЭ, соответствующих заявляемому изобретению, изображенным на фиг. 7, 8 и 9, со следующими общими признаками: ЧЭ содержат по две разделительных крышки с отверстиями, диаметр и толщина активной части мембраны 2 составляет 19 и 0,36 мм соответственно, пара рамочных TP 3 и 4 закреплены с противоположных сторон измерительной мембраны 2 в ее центре параллельно, все детали ЧЭ соединены легкоплавким стеклом при температуре плавления 460°С, резонирующая часть TP выполнена фотолитографией как одно целое с рамкой 18 в форме сдвоенного камертона 17 с резонансной частотой в диапазоне от 40 до 49 кГц, сверху в вакууме по контуру рамки 18 герметично приварена кварцевая плоскопараллельная пластина 19, размер, выступающих над поверхностью мембраны защитных крышек (капсул) 20 составил 0,260*2,9*9,12 миллиметров, ширина свода 25 полости защитной крышки равна 1,06 миллиметров, и со следующими различиями: для первого варианта - отсутствие отверстия 8 в мембране 2; для второго варианта - в центре мембран выполнено круглое сквозное отверстие диаметром 1,8 мм. Испытуемые ЧЭ с одним вклеенным штуцером 15 помещались в полость корпуса ЧД 14 с герметичной фиксацией штуцера в одном из вводов 16. На стенде раздельно через штуцер и через второй ввод 16 корпуса 14 подавались разные сочетания уровней давлений P1, Р2 и температур с фиксацией соответствующих резонансных частот ЧД F1, F2, а также частоты встроенного в корпус датчика термочувствительного резонатора. Результаты обработки показаний сравниваемых вариантов ЧД приведены в таблице 1.In order to confirm the possibility of obtaining the intended technical result, two variants of prototype CEs corresponding to the claimed invention depicted in FIG. 2 were made and tested from monocrystalline Z-slice quartz. 7, 8 and 9, with the following common features: CE contain two dividing covers with holes, the diameter and thickness of the active part of the membrane 2 are 19 and 0.36 mm, respectively, a pair of frame TP 3 and 4 are fixed on opposite sides of the measuring membrane 2 in its center is parallel, all the details of the SE are connected by fusible glass at a melting temperature of 460 ° C, the resonating part TP is made by photolithography as a whole with frame 18 in the form of a double tuning fork 17 with a resonant frequency in the range from 40 to 49 kHz, from above in vacuum along the frame contour 18, a quartz plane-parallel plate 19 is hermetically welded, the size protruding above the surface of the membrane of the protective covers (capsules) 20 was 0.260 * 2.9 * 9.12 mm, the width of the vault 25 of the cavity of the protective cover is 1.06 mm, and with the following differences: the first option is the absence of holes 8 in the membrane 2; for the second option, a round through hole with a diameter of 1.8 mm is made in the center of the membranes. The test subjects with one glued fitting 15 were placed in the cavity of the
Сравнение параметров вариантов опытных образцов ЧЭ и подтверждает получение при реализации изобретения задуманного технического результата по увеличению чувствительности к дифференциальному давлению и более полной нейтрализации дестабилизирующих факторов «шума» за счет получения большей идентичности пары TP, при сохранении способности работать при высоком статическом давлении.Comparison of the parameters of the variants of the SE prototypes confirms that, when implementing the invention, the inventive technical result was obtained to increase the sensitivity to differential pressure and more fully neutralize the destabilizing factors of “noise” by obtaining greater identity of the TP pair, while maintaining the ability to work at high static pressure.
гдеWhere
РД (мах) - максимально допустимое рабочее дифференциальное давление;R D (max) - the maximum allowable working differential pressure;
РСт(мах) - максимально допустимое рабочее статическое давление.P St (max) - the maximum allowable working static pressure.
Список литературыBibliography
1. Патент RU на полезную модель №54202, Пьезорезонансный датчик. МКИ: G01P 5/10; Н03Н 9/15; опубликован 10.06.2006 г., приоритет 31.01.2006 г., авторы: Лукьянчук В.Н., Осоченко Е.А., Ванин А.В., Поляков В.Б., Поляков А.В.1. RU patent for utility model No. 54202, Piezoresonance sensor. MKI:
2. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. / В.В. Малов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 272 с. 2. Malov V.V. Piezoresonance sensors. / V.V. Malov. - 2nd ed., Revised. and add. - M .: Energoatomizdat, 1989, 272 p.
3. Патент RU №2480723, Датчик давления на основе нано - и микроэлектромеханической системы повышенной точности и надежности. МКИ: G01L 9/04, В82В 1/00, опубликован 27.04.2013 г., авторы: Васильев В.А., Хованов Д.М.3. Patent RU No. 2480723, Pressure sensor based on nano - and microelectromechanical systems of increased accuracy and reliability. MKI:
4. B.C. Волков, Д.А. Кудрявцева, А.Р. Вергазов. Современные направления развития преобразователей давления с частотным выходом. // Измерение Мониторинг Управление Контроль. - 2014. - №4. - С. 20-28.4. B.C. Volkov, D.A. Kudryavtseva, A.R. Vergazov. Modern directions of development of pressure transmitters with frequency output. // Measurement Monitoring Management Control. - 2014. - No. 4. - S. 20-28.
5. Патент RU №2540749 Легкоплавкое стекло «2ЛС». МКИ: С03С 3/074, опубликован 10.02.2015 г., авторы: Рачковская Г.Е., Поляков В.Б., Поляков А.В., Семенкова О.С.5. Patent RU No. 2540749 Fusible glass "2LS". MKI:
6. Патент RU №2548582 Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом и датчик для осуществления способа. МКИ G01L 11/00, опубликован 20.04.2015 г., авторы: Бардин А.В., Филонов О.М., Меткин Н.П., Окин П.А.6. RU patent No. 2548582 A method for measuring a pressure difference with a sensor with a frequency-modulated output signal and a sensor for implementing the method.
7. ЧЭ серии EJX в составе датчика дифференциального давления DPharp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) японской фирмы YOKOGAWA (Международный журнал Control Engineering Россия 01.02.2008).7. CE of the EJX series as part of the differential pressure sensor DPharp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) of the Japanese company YOKOGAWA (International Journal of Control Engineering Russia 02/01/2008).
8. Патент ЕР №0456029 A1 Vibrating type pressure measuring device. МКИ: G01L 11/00, опубликован 13.11.1991 г., авторы: Ikeda Kyoichi, Watanabe Tetsuya, Kudo Takahiro, Fujita Akio, Tsukamoto Hideo, Kohno Nobuaki, Kuwayama Hideki.8. EP patent No. 0456029 A1 Vibrating type pressure measuring device. MKI: G01L 11/00, published November 13, 1991, authors: Ikeda Kyoichi, Watanabe Tetsuya, Kudo Takahiro, Fujita Akio, Tsukamoto Hideo, Kohno Nobuaki, Kuwayama Hideki.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018120838A RU2679640C1 (en) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | Frequency-response sensitive element for differential pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018120838A RU2679640C1 (en) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | Frequency-response sensitive element for differential pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2679640C1 true RU2679640C1 (en) | 2019-02-12 |
Family
ID=65442780
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018120838A RU2679640C1 (en) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | Frequency-response sensitive element for differential pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2679640C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114993550A (en) * | 2022-06-16 | 2022-09-02 | 电子科技大学 | High-reliability differential pressure sensor and sensing method |
| CN116754107A (en) * | 2023-08-23 | 2023-09-15 | 清华四川能源互联网研究院 | High-sensitivity resonant pressure sensor with amplifying structure and signal conditioning method |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0456029A1 (en) * | 1990-05-10 | 1991-11-13 | Yokogawa Electric Corporation | Vibrating type pressure measuring device |
| US20100275698A1 (en) * | 2008-06-11 | 2010-11-04 | Epson Toyocom Corporation | Pressure sensor |
| RU2623182C1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальное конструкторское техническое бюро электроники, приборостроения и автоматизации", ООО "СКТБ ЭлПА" | Piezoresonance sensitive element of absolute pressure |
| RU2645442C1 (en) * | 2016-12-27 | 2018-02-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения" АО "НИИТеплоприбор" | Differential pressure sensor |
-
2018
- 2018-06-05 RU RU2018120838A patent/RU2679640C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0456029A1 (en) * | 1990-05-10 | 1991-11-13 | Yokogawa Electric Corporation | Vibrating type pressure measuring device |
| US20100275698A1 (en) * | 2008-06-11 | 2010-11-04 | Epson Toyocom Corporation | Pressure sensor |
| RU2623182C1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальное конструкторское техническое бюро электроники, приборостроения и автоматизации", ООО "СКТБ ЭлПА" | Piezoresonance sensitive element of absolute pressure |
| RU2645442C1 (en) * | 2016-12-27 | 2018-02-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения" АО "НИИТеплоприбор" | Differential pressure sensor |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114993550A (en) * | 2022-06-16 | 2022-09-02 | 电子科技大学 | High-reliability differential pressure sensor and sensing method |
| CN114993550B (en) * | 2022-06-16 | 2024-03-22 | 电子科技大学 | High-reliability differential pressure sensor and sensing method |
| CN116754107A (en) * | 2023-08-23 | 2023-09-15 | 清华四川能源互联网研究院 | High-sensitivity resonant pressure sensor with amplifying structure and signal conditioning method |
| CN116754107B (en) * | 2023-08-23 | 2023-10-20 | 清华四川能源互联网研究院 | High-sensitivity resonant pressure sensor with amplifying structure and signal conditioning method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4067241A (en) | Improvements in or relating to oscillating crystal transducer systems | |
| US3561832A (en) | Quartz resonator pressure transducer | |
| US4562375A (en) | Piezoelectric transducer, notably for pressure measurement | |
| US7954215B2 (en) | Method for manufacturing acceleration sensing unit | |
| EP0128737A2 (en) | Vibrating quartz diaphragm pressure sensor | |
| US8939027B2 (en) | Acceleration sensor | |
| JP4973718B2 (en) | Pressure detection unit and pressure sensor | |
| RU2679640C1 (en) | Frequency-response sensitive element for differential pressure sensor | |
| US4498344A (en) | Sensitive element for use in a strain sensor and a sensor comprising such an element | |
| US10352800B2 (en) | Micromachined bulk acoustic wave resonator pressure sensor | |
| JP2011145243A (en) | Acceleration sensor and acceleration detecting apparatus | |
| US4020448A (en) | Oscillating crystal transducer systems | |
| JP2004132913A (en) | Pressure-sensitive element, and pressure sensor using the same | |
| US5969257A (en) | Pressure measuring membrane with resonant element vibrating orthogonal to membrane movement | |
| RU2690699C1 (en) | Frequency resonant differential pressure sensor and frequency resonance differential pressure sensor | |
| JPH09297082A (en) | Pressure sensor | |
| JP2010243276A (en) | Relative pressure sensor, relative pressure measuring device, and relative pressure measuring method | |
| Gu et al. | Temperature calibrated on-chip dual-mode film bulk acoustic resonator pressure sensor with a sealed back-trench cavity | |
| US7380459B1 (en) | Absolute pressure sensor | |
| JP2010025582A (en) | Pressure sensor | |
| JPS60186725A (en) | Pressure sensor | |
| JP6266313B2 (en) | QCM sensor | |
| RU2623182C1 (en) | Piezoresonance sensitive element of absolute pressure | |
| RU2282837C2 (en) | Piezoelectric resonance pressure measuring converter | |
| JP2011149708A (en) | Force detection unit and force detector |