RU2193172C2 - Pressure sensor with frequency output - Google Patents
Pressure sensor with frequency output Download PDFInfo
- Publication number
- RU2193172C2 RU2193172C2 RU99127053/28A RU99127053A RU2193172C2 RU 2193172 C2 RU2193172 C2 RU 2193172C2 RU 99127053/28 A RU99127053/28 A RU 99127053/28A RU 99127053 A RU99127053 A RU 99127053A RU 2193172 C2 RU2193172 C2 RU 2193172C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- pressure
- pressure sensor
- sensitive
- working chambers
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может найти применение при измерении давлений и разности давлений жидких и газообразных сред. The invention relates to the field of information and measurement technology and may find application in the measurement of pressures and pressure differences between liquid and gaseous media.
Известен частотный датчик давления, содержащий систему самовозбуждения и колебательную систему в виде плоской жесткой пластины, укрепленной с помощью упругих растяжек и расположенной во внутренней полости датчика между электродами с зазором, поперечный размер которого не превышает удвоенной глубины проникновения вязкой волны [1]. Known frequency pressure sensor containing a self-excitation system and an oscillating system in the form of a flat rigid plate, reinforced with elastic braces and located in the internal cavity of the sensor between the electrodes with a gap whose transverse dimension does not exceed twice the penetration depth of a viscous wave [1].
К недостаткам такой конструкции следует отнести значительную массу колебательной системы, что обуславливает низкую чувствительность датчика, особенно в области низких измеряемых давлений, а также ограниченные функциональные возможности датчика, которые делают его непригодным для измерений, например, давлений жидких и загрязненных газовых сред. The disadvantages of this design include a significant mass of the oscillatory system, which leads to a low sensitivity of the sensor, especially in the field of low measured pressures, as well as the limited functionality of the sensor, which makes it unsuitable for measurements, for example, pressures of liquid and contaminated gas environments.
Известен также датчик давления с частотным выходом, содержащий колебательную систему в виде плоской мембраны, разделяющей внутреннюю полость рабочей камеры на два симметричных объема, сообщающиеся между собой через отверстия по периферии мембраны и с контролируемой средой через капиллярные каналы в корпусе, при этом внутренние поверхности рабочих камер, обращенные к мембране, выполнены в виде частей сферы [2]. A pressure sensor with a frequency output is also known, containing an oscillating system in the form of a flat membrane dividing the internal cavity of the working chamber into two symmetric volumes communicating with each other through openings along the periphery of the membrane and with a controlled medium through capillary channels in the housing, while the inner surfaces of the working chambers facing the membrane are made in the form of parts of a sphere [2].
Нижняя граница рабочего диапазона датчика определяется отношением жесткости газовой пружины к жесткости мембраны. Снижение жесткости мембраны в датчике достигается уменьшением ее толщины, а также выполнением перфораций в периферийной части. Верхняя граница рабочего диапазона датчика определяется добротностью колебательной системы, которая зависит от величины вязкого трения газа в рабочих объемах. Благодаря выполнению внутренних поверхностей симметричных объемов в виде частей сферы, радиус которых подобен радиусу колеблющейся мембраны в крайних положениях, значительно уменьшается радиальный градиент давления, так как относительные деформации кольцевых элементов газовой пружины оказываются примерно равными, а с уменьшением радиальных градиентов давления уменьшаются радиальные потоки газа и существенно повышается добротность колебательной системы. The lower limit of the operating range of the sensor is determined by the ratio of the stiffness of the gas spring to the stiffness of the membrane. A decrease in the stiffness of the membrane in the sensor is achieved by reducing its thickness, as well as by performing perforations in the peripheral part. The upper limit of the working range of the sensor is determined by the quality factor of the oscillatory system, which depends on the amount of viscous friction of the gas in the working volume. Due to the execution of the inner surfaces of symmetric volumes in the form of parts of a sphere whose radius is similar to the radius of the oscillating membrane in extreme positions, the radial pressure gradient decreases significantly, since the relative deformations of the ring elements of the gas spring turn out to be approximately equal, and with a decrease in the radial pressure gradients, the radial gas flows and significantly increases the quality factor of the oscillatory system.
Однако известный датчик обладает существенными недостатками, заключающимися в чувствительности датчика к плотности измеряемой среды, и, следовательно, к ее химическому составу и влажности, а также в возможности загрязнения рабочего зазора датчика малыми механическими частицами (пылью), что не позволяет в полной мере реализовать потенциальные возможности достижения высокой точности датчика, обусловленные заложенным в нем принципом преобразования давления в частоту, и резко снижает надежность датчика. Невозможным является и измерение давлений жидких сред, что резко ограничивает функциональные возможности датчика. However, the known sensor has significant drawbacks in the sensitivity of the sensor to the density of the medium being measured, and therefore to its chemical composition and humidity, as well as the possibility of contamination of the sensor’s working gap by small mechanical particles (dust), which does not allow to fully realize the potential the possibility of achieving high accuracy of the sensor, due to the principle of converting pressure into frequency, incorporated in it, and sharply reduces the reliability of the sensor. It is also impossible to measure the pressure of liquid media, which sharply limits the functionality of the sensor.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик давления с частотным выходом, содержащий систему самовозбуждения и колебательную систему в виде плоской эластичной мембраны, разделяющей внутренний объем датчика на две симметричные рабочие камеры, сообщающиеся с измеряемой средой посредством двух капилляров, постоянная времени которых на порядок выше полупериода колебаний [3]. The closest in technical essence to the present invention is a pressure sensor with a frequency output, containing a self-excitation system and an oscillating system in the form of a flat elastic membrane that divides the internal volume of the sensor into two symmetrical working chambers, communicating with the medium through two capillaries, the time constant of which is an order of magnitude above half oscillation period [3].
Основным недостатком известной конструкции является ее низкая точность и надежность, обусловленная возможностью засорения капилляров и рабочих камер датчика жидкими или механическими примесями в газе, что помимо снижения точности может приводить к потере работоспособности датчика. The main disadvantage of the known design is its low accuracy and reliability, due to the possibility of clogging of the capillaries and working chambers of the sensor with liquid or mechanical impurities in the gas, which, in addition to reducing accuracy, can lead to loss of the sensor’s performance.
К другим недостаткам известной конструкции, которые приводят к низкой точности и надежности, относятся:
а) нелинейные искажения характеристики преобразования давления в частоту при измерении давлений в широком диапазоне, обусловленные возможностью возбуждения на рабочих частотах побочных низкодобротных акустических резонансов в камерах датчика, при этом на побочных частотах возникает радиальное движение газа, что снижает упругость рабочих камер и приводит к возрастанию потерь энергии колебаний, обусловленных вязкостью газа;
б) резкая нелинейность характеристики преобразования давления в частоту при измерении высоких давлений за счет возможного возбуждения высокодобротных механических резонансов в корпусных деталях чувствительного элемента, что обусловлено периодически возникающими механическими напряжениями на контуре крепления мембраны при ее колебаниях;
в) значительная величина температурной погрешности при измерениях даже относительно невысоких давлений из-за температурной зависимости вязкости газа и зависимости от температуры релаксационных потерь энергии колебаний, которые обусловлены термодинамическими процессами, сопровождающими периодические сжатия/разрежения газа в рабочих камерах.Other disadvantages of the known design, which lead to low accuracy and reliability, include:
a) non-linear distortions of the pressure-to-frequency conversion characteristics when measuring pressures over a wide range, due to the possibility of excitation at the operating frequencies of secondary low-Q acoustic resonances in the sensor chambers, while the radial gas movement occurs at the secondary frequencies, which reduces the elasticity of the working chambers and leads to an increase in losses vibrational energy due to the viscosity of the gas;
b) a sharp non-linearity of the conversion of pressure to frequency when measuring high pressures due to the possible excitation of high-quality mechanical resonances in the body parts of the sensing element, which is caused by periodic mechanical stresses on the membrane fastening circuit during its oscillations;
c) a significant value of the temperature error when measuring even relatively low pressures due to the temperature dependence of the viscosity of the gas and the temperature dependence of the relaxation energy loss of vibrations, which are caused by thermodynamic processes that accompany periodic gas compression / rarefaction in the working chambers.
Кроме того, известная конструкция не обеспечивает измерений давлений жидких сред и не пригодна для измерений относительных давлений, что существенно ограничивает функциональные возможности датчика. In addition, the known design does not provide pressure measurements of liquid media and is not suitable for measuring relative pressures, which significantly limits the functionality of the sensor.
Задачей изобретения является создание новой конструкции датчика давления с частотным выходом, обладающего возможностью реализации высокой точности измерений давлений жидких и газообразных сред в широком диапазоне, а также обеспечивающего высокую надежность датчика и расширение его функциональных возможностей. The objective of the invention is to create a new design of a pressure sensor with a frequency output, with the possibility of realizing high accuracy of pressure measurements of liquid and gaseous media in a wide range, as well as providing high reliability of the sensor and the expansion of its functionality.
Поставленная задача решается тем, что в датчике давления с частотным выходом, содержащем систему самовозбуждения и чувствительный элемент в виде плоской колебательной системы, совершающей поперечные колебания и разделяющей внутренний объем чувствительного элемента на две сообщающиеся рабочие камеры, согласно изобретению стенки рабочих камер, противолежащие колебательной системе, выполнены в виде барочувствительных мембран, а внутренний объем чувствительного элемента заполнен инертным газом и герметизирован. The problem is solved in that in a pressure sensor with a frequency output containing a self-excitation system and a sensing element in the form of a flat oscillating system that transversely vibrates and separates the internal volume of the sensing element into two communicating working chambers, according to the invention, the walls of the working chambers opposite the oscillating system, made in the form of pressure-sensitive membranes, and the internal volume of the sensitive element is filled with an inert gas and sealed.
Барочувствительные мембраны могут быть выполнены в виде мембран с жесткими центрами, при этом площадь каждой из них может превышать размеры колебательной системы. The pressure-sensitive membranes can be made in the form of membranes with rigid centers, and the area of each of them can exceed the size of the oscillatory system.
Жесткие центры барочувствительных мембран могут быть жестко соединены между собой выступами, расположенными вне области колебаний колебательной системы, а рабочие камеры могут быть выполнены с различными поперечными размерами. The rigid centers of the pressure-sensitive membranes can be rigidly interconnected by protrusions located outside the oscillation region of the oscillatory system, and the working chambers can be made with different transverse dimensions.
Возможным является, наряду с выполнением барочувствительной мембраны с площадью, превышающей размеры колебательной системы, выполнение стенки рабочей камеры вне колебательной системы в форме, соответствующей прогибу барочувствительной мембраны в крайнем положении. It is possible, along with the implementation of the pressure-sensitive membrane with an area exceeding the dimensions of the oscillatory system, the execution of the wall of the working chamber outside the vibrational system in the form corresponding to the deflection of the pressure-sensitive membrane in the extreme position.
Возможным является выполнение одной из противолежащих стенок рабочих камер в виде барочувствительной мембраны, тогда как другая рабочая камера выполнена жесткой. It is possible to make one of the opposite walls of the working chambers in the form of a pressure-sensitive membrane, while the other working chamber is rigid.
В корпусе датчика давления может быть расположен термокорректирующий датчик, выполненный в виде системы самовозбуждения с чувствительным элементом в виде плоской колебательной системы, совершающей поперечные колебания и разделяющей внутренний объем этого чувствительного элемента на две рабочие камеры, при этом внутренний объем чувствительного элемента заполнен инертным газом и герметизирован. A thermocorrection sensor can be located in the housing of the pressure sensor, made in the form of a self-excitation system with a sensitive element in the form of a flat oscillating system that transversely vibrates and divides the internal volume of this sensitive element into two working chambers, while the internal volume of the sensitive element is filled with inert gas and sealed .
Чувствительный элемент датчика может быть выполнен в виде двух колебательных систем, одна из которых образует датчик давления, а другая - термокорректирующий датчик. The sensitive element of the sensor can be made in the form of two oscillatory systems, one of which forms a pressure sensor, and the other a thermocorrection sensor.
Рабочие камеры чувствительного элемента могут быть выполнены в виде щелей, поперечный размер которых не превышает удвоенной толщины вязкого слоя трения, а колебательная система может быть выполнена в виде прямоугольной пластинки, закрепленной по узловым линиям изгибных колебаний. The working chambers of the sensing element can be made in the form of slots, the transverse size of which does not exceed twice the thickness of the viscous friction layer, and the oscillating system can be made in the form of a rectangular plate fixed along the nodal lines of bending vibrations.
Колебательная система может быть выполнена в виде мембраны, снабженной отверстиями, расположенными по ее периферии. The oscillation system can be made in the form of a membrane equipped with holes located at its periphery.
Такая конструкция датчика за счет выполнения стенок рабочих камер, противолежащих колебательной системе, в виде барочувствительных мембран, заполнения инертным газом и герметизации внутреннего объема делает невозможным заполнение рабочих камер датчика измеряемой средой и, следовательно, исключает загрязнение его внутреннего объема, что существенно повышает надежность датчика. При этом обеспечивается возможность измерения давлений не только газообразных, но и жидких сред. This design of the sensor due to the execution of the walls of the working chambers opposite the oscillatory system in the form of pressure-sensitive membranes, filling with inert gas and sealing the internal volume makes it impossible to fill the working chambers of the sensor with a measured medium and, therefore, eliminates contamination of its internal volume, which significantly increases the reliability of the sensor. At the same time, it is possible to measure pressures of not only gaseous, but also liquid media.
Возможное выполнение барочувствительных мембран с жесткими центрами и площадью, превышающей размеры колебательной системы, позволяет получить высокую чувствительность датчика к измеряемому давлению как за счет увеличения степени сжатия инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента, так и за счет изменения поперечных размеров рабочих камер, что повышает точность измерений. Одновременно с этим снабжение барочувствительной мембраны жестким центром повышает ее устойчивость при воздействии давлений, увеличивает ее эффективную площадь, а также обеспечивает одинаковое изменение поперечного размера рабочей камеры по площади колебательной системы при деформации мембраны, что приводит к повышению точности датчика. При этом возможный конструктивный выбор собственной упругости барочувствительных мембран позволяет согласовать диапазон измеряемых давлений с диапазоном рабочих частот датчика, в частности, исключить его работу на высоких частотах, на которых могут возбуждаться высокодобротные механические резонансы в корпусных деталях, и тем самым исключить нелинейные искажения характеристики преобразования давления в частоту, что обеспечивает высокую точность датчика в широком диапазоне давлений. The possible implementation of pressure-sensitive membranes with rigid centers and an area exceeding the size of the oscillating system allows to obtain a high sensitivity of the sensor to the measured pressure both by increasing the compression ratio of the inert gas in the internal volume of the sensing element and by changing the transverse dimensions of the working chambers, which increases the accuracy measurements. At the same time, supplying the pressure sensitive membrane with a rigid center increases its stability under pressure, increases its effective area, and also provides the same change in the transverse size of the working chamber over the area of the oscillating system during membrane deformation, which leads to an increase in the accuracy of the sensor. At the same time, a possible constructive choice of the intrinsic elasticity of pressure-sensitive membranes makes it possible to coordinate the range of measured pressures with the range of operating frequencies of the sensor, in particular, to exclude its operation at high frequencies at which high-quality mechanical resonances in case parts can be excited, and thereby eliminate non-linear distortions of the pressure conversion characteristics in frequency, which ensures high accuracy of the sensor in a wide pressure range.
Возможное жесткое соединение между собой жестких центров барочувствительных мембран с помощью выступов, расположенных вне области колебаний колебательной системы, а также выполнение рабочих камер чувствительного элемента с различными поперечными размерами позволяет за счет различных способов подведения измеряемых давлений использовать датчик для измерений абсолютных или относительных (избыточных) давлений, а также для измерений разности давлений, что существенно расширяет функциональные возможности датчика. The possible rigid connection between the rigid centers of the pressure-sensitive membranes with the help of protrusions located outside the oscillation region of the oscillating system, as well as the execution of the working chambers of the sensing element with different transverse dimensions, allows the sensor to be used for measuring absolute or relative (excess) pressures due to various methods of summing the measured pressures , as well as for measuring the pressure difference, which significantly expands the functionality of the sensor.
Возможное выполнение барочувствительной мембраны с площадью, превышающей размеры колебательной системы, и стенки рабочей камеры вне области колебательной системы с формой, соответствующей прогибу барочувствительной мембраны в крайнем положении, позволяет повысить перегрузочную способность датчика и, следовательно, его надежность. The possible implementation of a pressure sensitive membrane with an area exceeding the dimensions of the oscillating system and the walls of the working chamber outside the area of the vibrational system with a shape corresponding to the deflection of the pressure sensitive membrane in the extreme position, allows to increase the overload capacity of the sensor and, therefore, its reliability.
Возможное выполнение лишь одной из противолежащих колебательной системе стенки рабочей камеры в виде барочувствительной мембраны, а другой рабочей камеры жесткой упрощает конструкцию датчика, что повышает его надежность. The possible implementation of only one of the walls of the working chamber opposite to the oscillatory system in the form of a pressure-sensitive membrane, while the other rigid working chamber simplifies the design of the sensor, which increases its reliability.
Расположение в корпусе датчика давления термокорректирующего датчика, а также его возможное выполнение в виде системы самовозбуждения с чувствительным элементом в виде плоской колебательной системы, совершающей поперечные колебания и разделяющей внутренний объем чувствительного элемента на две рабочие камеры, а также заполнение внутреннего объема термокорректирующего датчика инертным газом и его герметизация, обеспечивают единство и упрощение конструктивных и технологических решений при изготовлении датчика давления, обеспечивают возможность как температурной коррекции изменений частоты датчика, обусловленных термическими изменениями давления инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента, так и возможность введения дополнительных температурных поправок, возникающих за счет других сопутствующих факторов. При этом резко снижается как аддитивная температурная погрешность (погрешность нуля), так и мультипликативная составляющая погрешности (погрешность чувствительности), что многократно повышает точность измерений датчика, а в качестве побочного результата возникает возможность измерения температуры, что существенно расширяет функциональные возможности. The location in the housing of the pressure sensor of the thermal correction sensor, as well as its possible implementation in the form of a self-excitation system with a sensitive element in the form of a flat oscillatory system that transversely vibrates and divides the internal volume of the sensitive element into two working chambers, as well as filling the internal volume of the thermal correction sensor with inert gas and its sealing ensures unity and simplification of structural and technological solutions in the manufacture of a pressure sensor, ensuring They offer the possibility of both temperature correction of changes in the frequency of the sensor due to thermal changes in the pressure of an inert gas in the internal volume of the sensing element, and the possibility of introducing additional temperature corrections arising due to other related factors. In this case, both the additive temperature error (zero error) and the multiplicative component of the error (sensitivity error) are sharply reduced, which greatly increases the accuracy of the sensor measurements, and as a side result, the possibility of temperature measurement arises, which significantly expands the functionality.
Возможное выполнение чувствительного элемента в виде двух колебательных систем, одна из которых образует датчик давления, а другая - термокорректирующий датчик, обеспечивает упрощение конструкции датчика и его электронной схемы за счет возможного использования одинаковых систем самовозбуждения, что создает условия одинакового теплового состояния чувствительных элементов, повышает надежность датчика и обеспечивает высокую точность температурных поправок, при этом одинаковая физическая природа частотных сигналов датчика давления и термокорректирующего датчика повышает точность их последующей алгоритмической обработки и тем самым повышает точность измерений. The possible implementation of the sensitive element in the form of two oscillatory systems, one of which forms a pressure sensor, and the other a thermocorrection sensor, simplifies the design of the sensor and its electronic circuit due to the possible use of the same self-excitation systems, which creates the conditions for the same thermal state of the sensitive elements, increases reliability sensor and provides high accuracy of temperature corrections, while the same physical nature of the frequency signals of the pressure sensor and thermocorrection sensor increases the accuracy of their subsequent algorithmic processing and thereby increases the accuracy of measurements.
Возможное выполнение рабочих камер в виде щелей, поперечный размер которых не превышает удвоенной толщины вязкого слоя трения, обеспечивает условия, при которых периодические сжатия/разрежения газа происходят преимущественно в направлении, перпендикулярном плоскости колебательной системы, поскольку движение газа вдоль ее поверхности резко заторможено собственной вязкостью газа и его "прилипанием" к поверхностям, образующим тонкий щелевой зазор. Следствиям этого конструктивного решения являются постоянство массы газа в рабочих камерах за полупериод колебаний и невозможность возбуждения низкодобротных побочных акустических резонансов в рабочих камерах, что исключает нелинейные искажения и повышает точность преобразования давления в частоту в широком диапазоне. The possible implementation of the working chambers in the form of slots, the transverse dimension of which does not exceed twice the thickness of the viscous friction layer, provides conditions under which periodic gas compression / rarefaction occurs mainly in the direction perpendicular to the plane of the oscillatory system, since the gas movement along its surface is sharply inhibited by the intrinsic viscosity of the gas and its “sticking” to surfaces forming a thin slit gap. The consequences of this design solution are the constancy of the gas mass in the working chambers over a half-cycle of oscillations and the inability to excite low-Q side acoustic resonances in the working chambers, which eliminates nonlinear distortions and increases the accuracy of converting pressure to frequency over a wide range.
Возможное выполнение колебательной системы в виде прямоугольной пластинки, закрепленной по узловым линиям изгибных колебаний, позволяет резко снизить возможность возбуждения высокодобротных механических резонансов в корпусных деталях чувствительного элемента под действием периодически возникающих механических напряжений на контуре крепления колебательной системы и тем самым повысить точность преобразования давления в частоту в широком диапазоне частот. The possible implementation of the oscillating system in the form of a rectangular plate fixed along the nodal lines of bending vibrations can drastically reduce the possibility of exciting high-quality mechanical resonances in the body parts of the sensitive element under the action of periodically occurring mechanical stresses on the fastening circuit of the oscillating system and thereby increase the accuracy of converting pressure to frequency in wide range of frequencies.
Возможное выполнение колебательной системы в виде мембраны, снабженной отверстиями, расположенными по ее периферии, обеспечивает возможность использования колебательной системы (мембраны) с малой поверхностной плотностью и исключает возможность возникновения разности квазистатических давлений в рабочих камерах датчика, что позволяет, с одной стороны, получить высокую чувствительность датчика и тем самым повысить точность преобразования давления, а с другой, - за счет быстрого выравнивания квазистатических давлений в рабочих камерах, исключить их воздействие на мембрану и тем самым повысить надежность датчика. The possible implementation of the oscillatory system in the form of a membrane, equipped with holes located at its periphery, makes it possible to use an oscillatory system (membrane) with a low surface density and eliminates the possibility of a difference in quasistatic pressures in the working chambers of the sensor, which allows, on the one hand, to obtain high sensitivity sensor and thereby increase the accuracy of pressure conversion, and on the other, due to the rapid equalization of quasistatic pressures in the working chamber , Eliminate their impact on the membrane and thereby increase reliability of the sensor.
Сопоставительный анализ заявляемого датчика и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого датчика по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна". A comparative analysis of the proposed sensor and prototype reveals the distinctive features of the claimed sensor in comparison with the closest analogue, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "novelty."
Наличие отличительных признаков дает возможность получить положительный эффект, выражающийся в возможности реализации широкого диапазона измеряемых давлений, достижения повышенной точности и надежности, измерений давлений вне зависимости от химического состава и плотности измеряемых сред, а также существенного расширения функциональных возможностей датчика. The presence of distinctive features makes it possible to obtain a positive effect, expressed in the possibility of realizing a wide range of measured pressures, achieving improved accuracy and reliability, measuring pressures regardless of the chemical composition and density of the measured media, as well as significantly expanding the functionality of the sensor.
Поскольку при исследовании объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе не выявлено решений, содержащих признаки заявляемого изобретения, отличные от прототипа, следует сделать вывод, что заявляемое изобретение соответствует критерию "существенные отличия". Since when examining the object of the invention in patent and scientific literature, no solutions were found containing the features of the claimed invention other than the prototype, it should be concluded that the claimed invention meets the criterion of "significant differences".
Использование заявляемого изобретения в информационно-измерительной технике обеспечивает соответствие изобретения критерию "промышленная применимость". The use of the claimed invention in the information-measuring technique ensures that the invention meets the criterion of "industrial applicability".
Сущность изобретения поясняется фиг.1 - 10, структурной схемой на фиг.11 и графиком на фиг.12. The invention is illustrated in figures 1 to 10, the structural diagram in figure 11 and the graph in figure 12.
На фиг.1 представлен общий вид возможной конструкций датчика давления в разрезе по В-В, а на фиг.2 представлена та же конструкция, но в разрезе по А-А. Figure 1 presents a General view of the possible designs of the pressure sensor in the context of BB, and figure 2 presents the same design, but in the context of AA.
Фиг. 3 - 5 поясняют один из возможных вариантов чувствительного элемента датчика, который конструктивно объединен с чувствительным элементом термокорректирующего датчика. При этом на фиг.3 представлен разрез по С-С чувствительного элемента датчика давления, а на фиг.4 - разрез по D-D чувствительного элемента термокорректирующего датчика. На фиг.5 показан вырыв по F-F, показывающий возможное расположение колебательных систем датчика давления и термокорректирующего датчика, а также возможное расположение тонкопленочных пьезопреобразователей, обеспечивающих возбуждение и съем колебаний. FIG. 3 - 5 explain one of the possible options for the sensor element, which is structurally combined with the sensor element thermocorrection sensor. In this case, Fig. 3 shows a section along CC of the sensor element of the pressure sensor, and Fig. 4 is a section along D-D of the sensor element of the temperature-correcting sensor. Figure 5 shows the F-F pull-out, showing the possible location of the oscillatory systems of the pressure sensor and the temperature-correcting sensor, as well as the possible location of thin-film piezoelectric transducers that provide excitation and removal of oscillations.
Фиг. 6 и 7 поясняют другой возможный вариант выполнения чувствительного элемента датчика давления, который также конструктивно объединен с чувствительным элементом термокорректирующего датчика. При этом на фиг.6 представлен дополнительный разрез по L-L чувствительного элемента датчика давления, а на фиг.7 - вырыв по М-М, которые поясняют возможное конструктивное соединение жестких центров барочувствительных мембран с помощью выступов, которыми снабжены жесткие центры. FIG. 6 and 7 illustrate another possible embodiment of a pressure sensor sensing element, which is also structurally combined with a temperature-correcting sensor sensitive element. At the same time, Fig. 6 shows an additional section along L-L of the sensing element of the pressure sensor, and Fig. 7 shows a pull-out along M-M, which explain the possible structural connection of the rigid centers of the pressure-sensitive membranes with the help of the protrusions provided with the rigid centers.
На фиг. 8 - 10 показан пример еще одной возможной конструкции чувствительного элемента датчика давления с использованием одной барочувствительной мембраны и колебательной системы в виде тонкой мембраны. При этом на фиг.8 показан разрез по Е-Е чувствительного элемента датчика давления, на фиг.9 - разрез по Р-Р чувствительного элемента термокорректирующего датчика, а на фиг. 10 - разрез по К-К, показывающий возможное расположение тонкопленочных пьезопреобразователей, обеспечивающих возбуждение и съем колебаний тонкой мембраны. In FIG. 8 to 10 show an example of yet another possible design of a pressure sensor sensing element using a single pressure sensitive membrane and a thin membrane oscillating system. In this case, Fig. 8 shows a section along E-E of the sensing element of the pressure sensor, Fig. 9 is a section along PP of the sensing element of the temperature-correcting sensor, and in Fig. 10 is a section along K-K, showing the possible location of thin-film piezoelectric transducers that provide excitation and removal of oscillations of a thin membrane.
На фиг.11 представлена структурная схема систем самовозбуждения датчика давления. Figure 11 presents the structural diagram of self-excitation systems of the pressure sensor.
На фиг. 12 изображен график, поясняющий изменение давления инертного газа, который заполняет внутренний объем чувствительного элемента, образованный рабочими камерами датчика, под действием измеряемого давления и температуры. In FIG. 12 is a graph explaining a change in inert gas pressure that fills the internal volume of the sensing element formed by the working chambers of the sensor under the influence of the measured pressure and temperature.
В корпусе 1 (фиг.1 и 2) датчика установлен чувствительный элемент 2, в котором конструктивно объединены чувствительные элементы датчика давления и термокорректирующего датчика, а также размещены электронные чипы их систем самовозбуждения 3 и выходные разъемы 4 и 5. С помощью микропроводников 6 чувствительные элементы подключены к электронным чипам систем самовозбуждения 3, которые с помощью электрических проводников 7 подсоединены к разъемам 4 и 5, через которые обеспечивается подведение питающих напряжений и съем электрических частотных сигналов, генерируемых системами самовозбуждения 3. A
Корпус 1 датчика снабжен крышкой 8, которая жестко подсоединена к корпусу, например, сваркой по контуру 9. The
Чувствительный элемент 2 своими плоскими поверхностями герметично соединен с корпусом 1 и крышкой 8, например, с помощью тонких слоев 10 клея холодного отверждения, при этом в области расположения барочувствительных мембран 11 в корпусе 1 и крышке 8 выполнены выборки 12, в которые через герметично подсоединенные входные штуцеры 13 и 14 подаются измеряемые давления. The
Практическая реализация конструкции чувствительного элемента 2 возможна с использованием различных материалов и технологий, однако наибольшие перспективы имеет его изготовление на основе кристаллического кремния с использованием планарных и тонкопленочных технологий, а также технологий размерного травления, при этом относительно простыми средствами достигается конструктивное объединение чувствительных элементов датчика давления и термокорректирующего датчика. The practical implementation of the design of the
Одна из возможных конструкций чувствительного элемента 2 (фиг.3 - 5) может быть выполнена в виде сенсорного чипа, образованного пластиной-подложкой 15, промежуточной пластиной 16 и закрывающей пластиной 17, которые герметично соединены между собой, например, тонкими оплавленными пленками 18 из легкоплавкого стекла. One of the possible designs of the sensitive element 2 (Figs. 3 - 5) can be made in the form of a sensor chip formed by a
В пластинах 15 и 17 методами размерного травления выполнены барочувствительные мембраны 11, снабженные жесткими центрами 19 и 20, которые являются стенками рабочих камер 21 и 22 и образуют внутренний объем, заполненный инертным газом под некоторым определенным начальным давлением. In
Жесткие центры 19 и 20 повышают устойчивость мембран 11 при воздействии давлений и увеличивают их эффективную площадь. Rigid centers 19 and 20 increase the stability of the
В толще промежуточной пластины 16 методами размерного травления сформированы два резонатора изгибных колебаний, например, в виде тонких прямоугольных пластинок 23. В процессе операций травления по периферии каждой из них сформированы четыре держателя 24, которые расположены попарно в плоскости пластинок 23 на узловых линиях их собственных изгибных колебаний. Two bending vibration cavities are formed in the thickness of the
Одна из пластинок 23 располагается во внутреннем объеме чувствительного элемента датчика давления (фиг.3), а другая - во внутреннем объеме чувствительного элемента термокорректирующего датчика (фиг.4). One of the
Пластинка 23 является колебательной системой с распределенными параметрами и имеет множество собственных резонансных частот. Определенное расположение держателей 24 задает форму (моду) резонансных изгибных колебаний пластинки 23 и резко ограничивает возможность возбуждения ее колебаний в других изгибных формах. Например, для обеспечения изгибных резонансных колебаний пластинки 23 в первой моде необходимо, чтобы держатели 24 располагались на расстоянии 0,224 от краев пластинки (в направлении ее длины). The
Кроме того, установка пластинки 23 с помощью держателей 24, расположенных на узловых линиях ее изгибных колебаний, практически исключает воздействие механических напряжений, возникающих при колебаниях пластинки 23, на корпусные детали чувствительного элемента (промежуточную пластину 16) и, следовательно, исключает условия для возбуждения высокодобротных механических резонансов в этих деталях. In addition, the installation of the
Внутренний объем чувствительного элемента термокорректирующего датчика, образованный рабочими камерами 25 и 26 с неизменными геометрическими размерами, также герметичен, заполнен инертным газом под определенным начальным давлением и изолирован от внутреннего объема датчика давления. The internal volume of the sensitive element of the thermal correction sensor, formed by the working
Заполнение внутренних объемов чувствительных элементов датчика давления (камер 21 и 22) и термокорректирующего датчика (камер 25 и 26) инертным газом может производиться, например, при операции соединения деталей 15, 16 и 17 путем оплавления пленок стекла 18 в атмосфере инертного газа. Filling of the internal volumes of the sensitive elements of the pressure sensor (
В качестве инертного газа может быть использован, например, азот или аргон. As an inert gas, for example, nitrogen or argon can be used.
Рабочие камеры 21 и 22 датчика давления и рабочие камеры 25 и 26 термокорректирующего датчика выполняются в виде щелей, поперечный размер которых (в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки 23) не превышает удвоенной глубины вязкого слоя трения и выбирается из соотношения
где h - поперечный размер щели; μ - динамический коэффициент вязкости инертного газа; ρ - плотность инертного газа; f - рабочая частота датчика.The working
where h is the transverse size of the slit; μ is the dynamic coefficient of viscosity of an inert gas; ρ is the density of the inert gas; f is the operating frequency of the sensor.
Ограничение поперечного размера рабочих камер в пределах удвоенной глубины вязкого слоя трения обеспечивает условия, при которых периодические сжатия/разрежения газа в процессе колебаний колебательной системы происходят преимущественно в направлении, перпендикулярном ее плоскости (исключая незначительную периферийную область по контуру пластинки), поскольку движение газа вдоль поверхности колебательной системы резко заторможено вязкостью газа и его "прилипанием" к поверхностям, образующим тонкие щелевые зазоры, что препятствует вытеканию газа в периферийную часть щелей. По этой причине отсутствуют условия для возбуждения низкодобротных побочных акустических резонансов в рабочих камерах датчика, а масса газа, заключенная в щелевых объемах, за время, порядка полупериода колебаний, не может существенно измениться и остается постоянной. При этих условиях энергетические потери на сжатие газа при колебаниях колебательной системы становятся минимальными, а сжатия/разрежения газа носят характер, близкий к изотермическому. The limitation of the transverse dimension of the working chambers within the doubled depth of the viscous friction layer provides the conditions under which periodic gas compression / rarefaction during oscillations of the oscillatory system occurs mainly in the direction perpendicular to its plane (excluding a small peripheral region along the plate contour), since the gas moves along the surface of the vibrational system is sharply inhibited by the viscosity of the gas and its “sticking” to surfaces forming thin gap gaps, which prevents Gas leakage into the peripheral part of the slots. For this reason, there are no conditions for exciting low-Q side acoustic resonances in the working chambers of the sensor, and the mass of gas enclosed in slotted volumes cannot change significantly and remains constant over a time of the order of a half-period of oscillations. Under these conditions, the energy loss of gas compression during oscillations of the oscillatory system becomes minimal, and gas compression / rarefaction is close to isothermal.
Каждая барочувствительная мембрана 11 имеет площадь, которая превышает размеры (площадь) колебательной системы (пластинки 23 с держателями 24), при этом вне области колебательной системы форма стенок рабочих камер 19 и 20 может соответствовать максимально возможному прогибу барочувствительной мембраны. Такое соответствие, исходя из технологий размерного травления, может быть достигнуто за счет выполнения стенок рабочих камер в форме ступенек 27, причем высота расположения кромок ступенек 27 соответствует максимальному прогибу мембраны 11 в точках, противолежащих этим кромкам. При этом кромки ступенек 27 образуют контуры, повторяющие противолежащие контуры на мембране 11 в ее крайнем положении. Очевидно, что чем больше ступенек будет выполнено на стенке, противолежащей мембране 11, тем меньше будет высота каждой из них и тем больше будет соответствие формы стенки максимальному прогибу мембраны 11. Each pressure-
Кромки ступенек 27 ограничивают перемещение мембран 11 с жесткими центрами 19 и 20 после достижения крайнего положения, что обеспечивает защиту чувствительного элемента датчика от перегрузки измеряемым давлением. Одновременно ступеньки 27 ограничивают перемещение жестких центров 19 и 20, оставляя после достижения максимального прогиба мембран 11 минимально допустимые поперечные размеры щелей 21 и 22, что не позволяет жестким центрам оказывать механическое воздействие на колебательную систему и препятствовать ее колебаниям. The edges of the
Другой возможный вариант выполнения чувствительного элемента датчика давления представлен на фиг.6 и 7. Во многих деталях этот вариант конструкции повторяет описанный выше, включая конструкцию чувствительного элемента термокорректирующего датчика. Принципиальное отличие заключается в том, что жесткие центры 19 и 20 барочувствительных мембран 11 снабжены выступами 28 и 29, расположенными вне области колебаний пластинок 23 в окнах 30, выполненных травлением в пластине 16. Выступы 28 и 29 жестко соединены между собой оплавленными пленками 31 из легкоплавкого стекла. Такое соединение может производиться одновременно с соединением деталей 15, 16 и 17 сенсорного чипа. Another possible embodiment of the pressure sensor sensing element is shown in FIGS. 6 and 7. In many details, this design option repeats the above described, including the design of the temperature-sensitive sensor element. The fundamental difference is that the
Другим конструктивным отличием конструкции датчика на фиг. 6 от датчика на фиг.3 является различная величина поперечных размеров рабочих камер 21 и 22, которые отличаются друг от друга в 2 - 5 раз, но каждый выполнен в пределах удвоенной глубины вязкого слоя трения. Another structural difference in the design of the sensor in FIG. 6 from the sensor in FIG. 3 is a different value of the transverse dimensions of the working
Кромки ступенек 27, так же как и в конструкции на фиг.3, ограничивают перемещение мембран 11 с жесткими центрами 19 и 20 после достижения ими крайнего положения. The edges of the
Примером еще одной возможной реализации чувствительного элемента датчика давления может служить конструкция, представленная на фиг.8 - 10, в которой лишь одна из противолежащих колебательной системе стенок рабочей камеры 33 образована с помощью барочувствительной мембраны 11с жестким центром 20, а рабочая камера 32 выполнена жесткой с помощью корпусной детали 17. В качестве примера колебательной системы другого типа в этой конструкции использована тонкая мембрана 34, выполненная методами травления в толще промежуточной пластины 16. В периферийной части мембрана 34 снабжена несколькими отверстиями 35, которые служат для выравнивания квазистатических давлений инертного газа в рабочих камерах 32 и 33 при изменении давления в камере 33 за счет деформации мембраны 11. An example of another possible implementation of the pressure sensor sensing element is the design shown in Figs. 8-10, in which only one of the walls of the working
Поперечные размеры камер 32 и 33, так же как и в конструкциях, описанных выше, выполнены в пределах удвоенной глубины вязкого слоя трения, а кромки ступенек 27 ограничивают перемещение мембраны 11 с жестким центром 20 после достижения крайнего положения. The transverse dimensions of the
Очевидно, что использование лишь одной барочувствительной мембраны 11 с жестким центром 20 позволяет исключить одну из камер 12 и соответствующий ей штуцер 13 (фиг. 2), что упрощает как чувствительный элемент, так и конструкцию датчика в целом. Obviously, the use of only one pressure-
Чувствительный элемент термокорректирующего датчика (фиг.9) аналогичен чувствительному элементу давления (фиг.8), но имеет неизменяемые геометрические размеры рабочих камер 36 и 37. The sensitive element of the thermal correction sensor (Fig. 9) is similar to the sensitive pressure element (Fig. 8), but has unchanged geometric dimensions of the working
Для возбуждения и съема изгибных колебаний колебательных систем (пластинок 23 или мембран 34) во всех описанных примерах конструкций датчиков могут быть использованы тонкопленочных пьезопреобразователи 38, например, из окиси цинка. Thin-
Расположение пьезопреобразователей 38 на плоскости колебательной системы, их размеры и количество определяются формой колебательной системы и приемлемым по условиям работы коэффициентом передачи чувствительного элемента. Выполнение пьезопреобразователей 38 в виде небольших прямоугольных секций, ориентированных по направлению распространения изгибной волны, может быть обусловлено необходимостью снижения механических напряжений и деформаций, которые могут возникнуть в резонаторе изгибных колебаний (пластинке 23 или в мембране 34) в процессе изготовления, в частности, за счет охлаждении деталей после высокотемпературного вакуумного напыления пьезопленки. The location of the
На поверхности каждой из прямоугольных секций пьезопреобразователей 38 методами вакуумного напыления и травления нанесены тонкопленочные электроды 39, соединенные тонкопленочными микропроводниками 40, которые заканчиваются контактными площадками 41. Для исключения электрического замыкания микропроводников 40 с кремнием поверхность промежуточной пластины 16 перед нанесением микропроводников 40 может быть подвергнута, например, термическому окислению для создания изолирующей пленки. On the surface of each of the rectangular sections of the
Параллельно соединенные микропроводниками 40 электроды 39 пьезопреобразователей 38 образуют две группы, одна из которых служит для возбуждения, а другая - для съема изгибных колебаний колебательной системы. In parallel, connected by microconductors 40, the
Контактные площадки 42 служат для подсоединения общего ("заземляющего") проводника, для чего изолирующая пленка под площадками 42 перед их нанесением удаляется, и они имеют электрический контакт с толщей пластины 16, которая при этом служит вторым (общим) электродом для обеих групп пьезопреобразователей 38. The
К контактным площадкам 41 и 42 подсоединяются микропроводники 6, с помощью которых электронные чипы систем самовозбуждения 3 соединяются с чувствительными элементами датчика давления и термокорректирующего датчика.
Для обеспечения доступа к контактным площадкам 41 и 42 в детали 17 методами травления выполнены пазы 43. To provide access to the
Системы самовозбуждения 3 датчика давления и термокорректирующего датчика одинаковы (фиг.11) и каждая из них содержит условно широкополосный усилитель 44, имеющий высокое входное сопротивление и снабженный схемой автоматической регулировки усиления 45, обеспечивающей поддержание постоянной амплитуды выходного частотного сигнала усилителя 44. Каждый чувствительный элемент включается в цепь положительной обратной связи соответствующего усилителя 44, который тем самым превращается в автогенератор незатухающих колебаний. The self-
Работа датчика происходит следующим образом. The operation of the sensor is as follows.
При подаче питающих напряжений происходит самовозбуждение датчика давления и термокорректирующего датчика на собственных резонансных частотах их чувствительных элементов. На выходах усилителей 44 возникают частотные выходные сигналы, которые поступают на входы схем 45 автоматической регулировки усиления, с помощью которых формируются управляющие сигналы, воздействующие на усилители 44 и регулирующие их коэффициенты усиления в соответствии с условиями самовозбуждения автогенератора. За счет работы схем 45 автоматической регулировки усиления исключаются нелинейные ограничения амплитуд выходных частотных сигналов, а усилители 44 работают в пределах своих динамических диапазонов. When supplying voltage, self-excitation of the pressure sensor and thermal correction sensor occurs at the natural resonant frequencies of their sensitive elements. At the outputs of
Частоты выходных сигналов датчика давления fp и термокорректирующего датчика fт определяются следующими выражениями:
где f0 - собственная резонансная частота колебательной системы в вакууме (условно принято, что в силу одинаковых конструкций колебательных систем датчика давления и термокорректирующего датчика их собственные частоты в вакууме одинаковы);
γ - показатель адиабаты (отношение газовых теплоемкостей инертного газа), величина которого при поперечных размерах рабочих камер, не превышающих удвоенной толщины вязкого слоя трения, близка к единице;
Рд - давление инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента датчика давления;
Рт - давление инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента термокорректирующего датчика;
σ - поверхностная плотность колебательной системы;
dэкв - эквивалентный поперечный размер рабочих камер, который определяется как среднее геометрическое из их поперечных размеров d1 и d2
Давление Рт инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента термокорректирующего датчика определяется уравнением состояния газа в замкнутом объеме (например, уравнением Менделеева-Клапейрона) и является однозначной функцией абсолютной температуры. Поэтому, полагая, что при изготовлении датчик был заполнен инертным газом под начальным давлением Р0 при температуре Т0, и используя (3), упрощенно можно записать
где Т - абсолютная температура; kт - коэффициент чувствительности, величина которого тем больше, чем выше начальное давление инертного газа в полости чувствительного элемента термокорректирующего датчика.The frequencies of the output signals of the pressure sensor f p and thermocorrection sensor f t are determined by the following expressions:
where f 0 is the natural resonance frequency of the oscillatory system in vacuum (it is conventionally assumed that, due to the identical designs of the oscillatory systems of the pressure sensor and the thermocorrection sensor, their natural frequencies in vacuum are the same);
γ is the adiabatic index (the ratio of the gas heat capacity of the inert gas), the value of which is close to unity with the transverse dimensions of the working chambers not exceeding twice the thickness of the viscous friction layer;
R d - inert gas pressure in the internal volume of the sensing element of the pressure sensor;
P t - inert gas pressure in the internal volume of the sensing element thermocorrection sensor;
σ is the surface density of the oscillatory system;
d equiv - the equivalent transverse size of the working chambers, which is defined as the geometric mean of their transverse dimensions d 1 and d 2
The inert gas pressure Р t in the internal volume of the sensing element of the thermocorrection sensor is determined by the equation of state of the gas in the closed volume (for example, the Mendeleev-Clapeyron equation) and is a unique function of the absolute temperature. Therefore, assuming that in the manufacture of the sensor was filled with an inert gas under the initial pressure P 0 at a temperature T 0 , and using (3), we can write
where T is the absolute temperature; k t is the sensitivity coefficient, the value of which is greater, the higher the initial inert gas pressure in the cavity of the sensing element of the thermocorrection sensor.
При изменении температуры происходит изменение давления инертного газа во внутреннем объеме и соответствующее изменение частоты fт термокорректирующего датчика, который при этом является измерителем абсолютной (термодинамической) температуры.When the temperature changes, the inert gas pressure in the internal volume changes and the frequency f t of the thermocorrection sensor changes accordingly, which in this case is an absolute (thermodynamic) temperature meter.
Изменение частоты fp зависит от конструктивного исполнения деформируемой коробки, а также от способа подачи измеряемой величины.The change in frequency f p depends on the design of the deformable box, as well as on the method of supplying the measured value.
Конструкция с двумя барочувствительными мембранами (фиг.3 - 5) предназначена для измерения абсолютного давления, которое подается одновременно на оба приемных штуцера 13 и 14 (фиг.2). The design with two pressure-sensitive membranes (Figs. 3 - 5) is designed to measure the absolute pressure that is supplied simultaneously to both receiving
При отсутствии измеряемого давления Рх барочувствительные мембраны 11 с жесткими центрами 19 и 20 испытывают упругую деформацию под действием давления Рд инертного газа, что обуславливает наибольшую возможную величину внутреннего объема чувствительного элемента и соответственно минимальную величину давления инертного газа.In the absence of a measured pressure P x, the pressure-
При подаче измеряемого давления внутренний объем чувствительного элемента уменьшается, а давление инертного газа возрастает, при этом величины деформаций барочувствительных мембран 11, определяемые по смещению их жестких центров 19 и 20, зависят от разности давлений Рх и Рд
где Wp - собственная жесткость барочувствительной мембраны 11 по давлению, а λ - ее деформация (смещение жесткого центра).When applying the measured pressure, the internal volume of the sensitive element decreases, and the inert gas pressure increases, while the deformation values of the pressure-
where W p is the intrinsic stiffness of the pressure-
При равенстве давлений Рх и Рд барочувствительные мембраны 11 находятся в исходном (недеформированном) состоянии, а давление инертного газа равно начальному значению Р0.If the pressures P x and R d are equal, the pressure-
Одновременно с изменением давления инертного газа деформация барочувствительных мембран 11 с жесткими центрами 19 и 20 приводит к соответствующему изменению поперечных размеров d1 и d2 рабочих камер 21 и 22. Предполагая, что при Рx=Р0 поперечные размеры щелевых камер равны (d1=d2= d0), а собственные жесткости барочувствительных мембран одинаковы, такое изменение можно представить в виде
d1=d2=d0-λ (7)
Давление Рд инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента зависит от измеряемого давления Рx и упругой реакции барочувствительных мембран 11 с жесткими центрами 19 и 20:
Pд=Pх-wр•λ, (8)
при этом, если Рx= Рд, то λ=0, а Рд=Р0, т.е. давление инертного газа равно начальному давлению Р0, которое было создано при изготовлении датчика. Очевидно при этом, что давление Рд инертного газа зависит от температуры.Simultaneously with the change in inert gas pressure, the deformation of the pressure-
d 1 = d 2 = d 0 -λ (7)
The inert gas pressure P d in the internal volume of the sensing element depends on the measured pressure P x and the elastic reaction of the pressure
P d = P x -w p • λ, (8)
Moreover, if P x = P d , then λ = 0, and P d = P 0 , i.e. the inert gas pressure is equal to the initial pressure P 0 that was created during the manufacture of the sensor. It is obvious in this case that the pressure P d of the inert gas depends on temperature.
Уравнение (8) иллюстрируется графиком на фиг.11, на котором в условном масштабе представлено изменение давления инертного газа Рд в зависимости от измеряемого давления Рx при трех значениях температуры.Equation (8) is illustrated by the graph in Fig. 11, which shows in a conventional scale the change in inert gas pressure R d depending on the measured pressure P x at three temperatures.
Прямая В условно соответствует реальной характеристике изменения давления Pд в зависимости от Рx при номинальной (средней) температуре в условном температурном диапазоне, в котором может эксплуатироваться датчик, тогда как пунктирные прямые Bв и Вн соответствуют условно максимальной (верхней) и минимальной (нижней) эксплуатационным температурам. Штрихпунктирная прямая А характеризует равенство Рд=Рх и служит ориентиром при чтении графика.Line B conditionally corresponds to the real characteristic of the pressure change P d depending on P x at the nominal (average) temperature in the conditional temperature range in which the sensor can be operated, while the dashed lines B in and B n correspond to the conditionally maximum (upper) and minimum ( lower) operating temperatures. The dash-dot line A characterizes the equality P d = P x and serves as a guide when reading the graph.
Возрастание давления инертного газа под действием измеряемого давления может происходить до тех пор, пока барочувствительные мембраны 11 и их жесткие центры 19 и 20 не упрутся в ступеньки 27, которые ограничивают перемещение мембран 11 и их жестких центров 19 и 20 после достижения крайнего положения, что соответствует "перелому" прямой B в точке D. Дальнейшее увеличение давления Рд при Рx≥РXmax становится невозможным.An increase in inert gas pressure under the influence of the measured pressure can occur until the pressure
Учитывая оба фактора, а именно изменение давления инертного газа и изменение поперечных размеров рабочих камер, а также принимая, что γ=1, характеристику преобразования (2) измеряемого давления в частоту можно представить в виде
где Рд и λ определяются соответственно (8) и (6).Given both factors, namely, the change in inert gas pressure and the change in the transverse dimensions of the working chambers, and also assuming that γ = 1, the characteristic of the conversion (2) of the measured pressure into frequency can be represented as
where P d and λ are determined respectively (8) and (6).
Из (9) следует, что увеличение измеряемого давления приводит к возрастанию частоты датчика как за счет увеличения давления инертного газа, так и за счет уменьшения поперечных размеров рабочих камер чувствительного элемента. From (9) it follows that an increase in the measured pressure leads to an increase in the frequency of the sensor both due to an increase in inert gas pressure and due to a decrease in the transverse dimensions of the working chambers of the sensing element.
Работа датчика в условиях изменяющейся температуры приводит к изменению начального давления Р0 во внутреннем объеме чувствительного элемента датчика давления, что обуславливает соответствующую температурную зависимость (погрешность) характеристики преобразования (9). Эта погрешность носит аддитивный характер и условно может быть разделена на две составляющие, одна из которых обусловлена изменением давления инертного газа, а другая - изменением деформаций барочувствительных мембран, которая в соответствии с (6) зависит от разности давлений. Аддитивный характер указанной погрешности находит свое отражение и в величине максимального давления инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента (точки Dн и Dв на фиг.11).The operation of the sensor under varying temperatures leads to a change in the initial pressure P 0 in the internal volume of the sensing element of the pressure sensor, which determines the corresponding temperature dependence (error) of the conversion characteristic (9). This error is additive in nature and can conditionally be divided into two components, one of which is caused by a change in inert gas pressure, and the other by a change in deformations of pressure-sensitive membranes, which, in accordance with (6), depends on the pressure difference. The additive nature of this error is reflected in the value of the maximum inert gas pressure in the internal volume of the sensing element (points D n and D in figure 11).
Поскольку температурная погрешность носит закономерный характер, то одновременное измерение частот датчика давления и термокорректирующего датчика позволяет учесть (скорректировать) эту погрешность в процедурах измерительного алгоритма и получить результат измерения, точность которого зависит от точности алгоритмического введения соответствующей температурной поправки. Since the temperature error is of a natural nature, the simultaneous measurement of the frequencies of the pressure sensor and the thermocorrection sensor allows one to take into account (correct) this error in the procedures of the measurement algorithm and obtain a measurement result whose accuracy depends on the accuracy of the algorithmic introduction of the corresponding temperature correction.
Эксплуатационная величина максимального измеряемого давления Рmax может быть задана в точке Dн (фиг.11), соответствующей конструктивному ограничению деформаций барочувствительных мембран при минимальной температуре эксплуатации датчика. При этом требуемое значение Рmax зависит от назначения датчика и условий его эксплуатации и может быть обеспечено соответствующей конструкцией и упругими свойствами барочувствительных мембран, а также выбором начального давления инертного газа во внутреннем объеме чувствительного элемента датчика давления.The operational value of the maximum measured pressure P max can be set at point D n (11), corresponding to the structural restriction of deformations of pressure-sensitive membranes at a minimum operating temperature of the sensor. Moreover, the required value of P max depends on the purpose of the sensor and its operating conditions and can be ensured by the corresponding design and elastic properties of the pressure-sensitive membranes, as well as the choice of the inert gas initial pressure in the internal volume of the pressure sensor sensitive element.
Работа датчика с чувствительным элементом, внутренний объем которого деформируется под действием лишь одной барочувствительной мембраны 11 с жестким центром 20 (фиг.8 - 10), происходит аналогичным образом. Основное отличие заключается в условно меньшей чувствительности ("крутизне") характеристики преобразования давления в частоту, что обусловлено меньшей величиной сжимаемости инертного газа под действием деформации лишь одной барочувствительной мембраны 11, а также изменением при этой деформации поперечного размера лишь одной из рабочих камер 33
где Рд и λ определяются соответственно (8) и (6); d01 - поперечный размер рабочей камеры 32 (фиг.8) с неизменными геометрическими размерами; d02 - поперечный размер камеры 33, который изменяется под действием деформации барочувствительной мембраны 11 (смещения жесткого центра 20).The operation of the sensor with a sensitive element, the internal volume of which is deformed under the action of only one pressure-
where P d and λ are determined respectively (8) and (6); d 01 - the transverse size of the working chamber 32 (Fig.8) with constant geometric dimensions; d 02 - the transverse size of the
При изменении измеряемого давления и соответствующей деформации объема рабочей камеры 33 через отверстия 35, расположенные по периферии мембраны 34, происходит выравнивание квазистатического давления инертного газа в рабочих камерах 32 и 33, что исключает возможность нежелательной деформации мембраны 34. When changing the measured pressure and the corresponding deformation of the volume of the working
Работа термокорректирующего датчика (фиг.9) соответствует описанной выше, а изменение его рабочей частоты описывается (5). The operation of the temperature-correcting sensor (Fig. 9) corresponds to that described above, and a change in its operating frequency is described (5).
Условно более низкая чувствительность конструкции датчика с одной барочувствительной мембраной в значительной степени компенсируется за счет использования колебательной системы в виде тонкой мембраны 34 с малой поверхностной плотностью. Кроме того, как следует из (10), чувствительность датчика может быть повышена за счет различных поперечных размеров щелевых камер. В частности, за счет некоторого увеличения поперечного размера d01 по сравнению с d02 чувствительность датчика может быть повышена в несколько раз, так как в этом случае изменение меньшего из поперечных размеров оказывает преимущественное влияние на частоту датчика.The conditionally lower sensitivity of the design of the sensor with one pressure-sensitive membrane is largely compensated by the use of an oscillating system in the form of a
Работа конструкции датчика с чувствительным элементом, в котором внутренний объем образован двумя барочувствительными мембранами, жесткие центры которых жестко соединены между собой (фиг.6 и 7), имеет некоторое отличие от работы конструкций, описанных выше. Одно из отличий обусловлено неизменной величиной суммарного объема рабочих камер при деформации барочувствительных мембран, поскольку деформация внутреннего объема происходит при одновременной и одинаковой величине их смещения из начального положения. При этом уменьшение объема одной из рабочих камер приводит к такому же увеличению объема другой рабочей камеры, и наоборот. The operation of the sensor design with a sensitive element, in which the internal volume is formed by two pressure-sensitive membranes, the rigid centers of which are rigidly connected to each other (Fig.6 and 7), has some difference from the work of the structures described above. One of the differences is due to the constant value of the total volume of the working chambers during deformation of the pressure-sensitive membranes, since the deformation of the internal volume occurs at the same time and the same magnitude of their displacement from the initial position. Moreover, a decrease in the volume of one of the working chambers leads to the same increase in the volume of another working chamber, and vice versa.
Следствием этого является независимость давления инертного газа от величины измеряемых давлений и зависимость этого давления лишь от температуры. Кроме того, поперечные размеры щелевых рабочих камер 21 и 22 взаимосвязаны. The consequence of this is the independence of the inert gas pressure on the measured pressure and the dependence of this pressure only on temperature. In addition, the transverse dimensions of the slotted working
Характеристика преобразования может быть представлена в виде
где Р0 - начальное давление инертного газа в рабочих камерах датчика; d01 и d02 - поперечные размеры камер 21 и 22 при отсутствии измеряемых давлений.The conversion characteristic can be represented as
where P 0 is the initial inert gas pressure in the working chambers of the sensor; d 01 and d 02 are the transverse dimensions of the
Величина смещения λ жестких центров 19 и 20 при деформации барочувствительных мембран 11 определяется разностью измеряемых давлений Р1 и Р2 которые могут подаваться независимым образом на приемные штуцера 13 и 14 (фиг. 2)
где wp - собственная жесткость по давлению одной барочувствительной мембраны.The displacement λ of the
where w p is the intrinsic pressure stiffness of one pressure sensitive membrane.
Функциональные возможности датчика с чувствительным элементом с жестким соединением жестких центров барочувствительных мембран определяются способом подачи измеряемых давлений. The functionality of a sensor with a sensitive element with a rigid connection of the rigid centers of the pressure sensitive membranes is determined by the method of supplying the measured pressures.
Если на один из штуцеров, например, на штуцер 13 подается вакуум, а на другой (штуцер 14) измеряемое давление, то датчик работает как измеритель абсолютного давления. If vacuum is applied to one of the nozzles, for example, to the
При подаче на штуцер 13 атмосферного давления, а измеряемого - на штуцер 14, датчик становится измерителем относительного (избыточного) давления. When applying atmospheric pressure to the
При подаче на штуцеры 13 и 14 различных измеряемых давлений датчик измеряет разность этих давлений. When applying to the
Как следует из (11) и (12), частота датчика определяется соотношением поперечных размеров щелевых рабочих камер, при этом подкоренное выражение в (11) носит характер гиперболы вне зависимости от направления смещения жестких центров барочувствительных мембран, что позволяет получить как возрастающий, так и убывающий характер частоты датчика при, например, возрастании измеряемого давления. Характер изменения выходной частоты датчика определяется выбранным соотношением поперечных размеров d01 и d02 камер 21 и 22 при отсутствии измеряемых давлений и способом их подачи при проведении измерений.As follows from (11) and (12), the frequency of the sensor is determined by the ratio of the transverse dimensions of the slotted working chambers, while the radical expression in (11) is hyperbolic regardless of the direction of displacement of the rigid centers of the baro-sensitive membranes, which allows one to obtain both increasing and the decreasing nature of the frequency of the sensor with, for example, increasing the measured pressure. The nature of the change in the output frequency of the sensor is determined by the selected ratio of the transverse dimensions d 01 and d 02 of the chambers 21 and 22 in the absence of measured pressures and the method of their supply during measurements.
Высокая чувствительность датчика достигается за счет выполнения рабочих камер с различными поперечными размерами d01 и d02 так, что один из них в 2 - 5 раз меньше, чем другой, при этом изменение частоты датчика происходит преимущественно за счет изменения меньшего из поперечных размеров. Начальное значение частоты датчика (при Р1=Р2) соответствует точке на резко восходящем участке гиперболической зависимости, характеризующей изменение подкоренного выражения в (11) под действием разности измеряемых давлений.The high sensitivity of the sensor is achieved by working chambers with different transverse dimensions d 01 and d 02 so that one of them is 2 to 5 times smaller than the other, while changing the frequency of the sensor occurs mainly due to a change in the smaller of the transverse dimensions. The initial value of the frequency of the sensor (at P 1 = P 2 ) corresponds to a point on a sharply ascending section of the hyperbolic dependence, characterizing the change in the radical expression in (11) under the influence of the difference in the measured pressures.
Высокая чувствительность датчика как по всему рабочему диапазону, так и в области малых разностей измеряемых давлений, а также возможность использования датчика для измерений различных по характеру давлений резко расширяет его функциональные возможность. В частности, датчик может использоваться для измерения расхода какого-либо вещества по разности давлений, возникающей на измерительной диафрагме, установленной в трубопроводе для транспортировки этого вещества. The high sensitivity of the sensor both over the entire operating range and in the region of small differences in the measured pressures, as well as the possibility of using the sensor for measurements of pressures of a different nature sharply expands its functionality. In particular, the sensor can be used to measure the flow rate of a substance by the pressure difference occurring on the measuring diaphragm installed in the pipeline for transporting this substance.
Коррекция температурной зависимости частоты датчика, обусловленной изменением под действием температуры начального давления инертного газа, может производиться путем одновременного измерения частот датчика давления и термокорректирующего датчика и введения соответствующих поправок в процедурах измерительного алгоритма, что обеспечивает получение результатов измерений, точность которых зависит от точности алгоритмического введения температурных поправок. Correction of the temperature dependence of the frequency of the sensor due to a change in the initial pressure of the inert gas under the influence of temperature can be performed by simultaneously measuring the frequencies of the pressure sensor and the temperature-correcting sensor and introducing appropriate corrections in the procedures of the measurement algorithm, which ensures the receipt of measurement results, the accuracy of which depends on the accuracy of the algorithmic temperature input amendments.
Многообразие различных побочных факторов, проявляющихся в большей или в меньшей степени в зависимости от условий эксплуатации и назначения датчика и сопровождающих преобразование давления (или разности давлений) в частоту, включая, в частности, такие как различие температурных коэффициентов линейного расширения и модулей упругости материалов, которые использованы для изготовления датчика, приводят к тому, что частотное преобразование наряду с аддитивной температурной погрешностью характеризуется некоторой мультипликативной погрешностью, изменяющейся по диапазону измеряемых давлений. Величина этой дополнительной мультипликативной погрешности зависит от диапазона измеряемых давлений, диапазона рабочих частот, конструктивных размеров деталей датчика и других факторов. При этом мультипликативная погрешность помимо возможной систематической составляющей практически всегда имеет составляющую, зависящую от температуры. Поэтому высокая точность измерений может быть достигнута только при использовании специальных алгоритмов температурной коррекции выходной частоты датчика давления. A variety of various side factors that manifest themselves to a greater or lesser extent depending on the operating conditions and purpose of the sensor and accompanying the conversion of pressure (or pressure difference) to frequency, including, in particular, such as the difference in temperature coefficients of linear expansion and elastic moduli of materials that used for the manufacture of the sensor, lead to the fact that the frequency conversion along with the additive temperature error is characterized by a certain multiplicative error variable over the range of measured pressures. The magnitude of this additional multiplicative error depends on the range of measured pressures, the range of operating frequencies, the structural dimensions of the sensor parts, and other factors. Moreover, the multiplicative error, in addition to the possible systematic component, almost always has a temperature-dependent component. Therefore, high measurement accuracy can only be achieved using special temperature correction algorithms for the output frequency of the pressure sensor.
С этой целью целесообразно использование интеллектуальных алгоритмов, позволяющих многократно повысить точность измерений. For this purpose, it is advisable to use intelligent algorithms that can repeatedly increase the accuracy of measurements.
В процессе совместной алгоритмической обработки выходных частот датчика давления и термокорректирующего датчика могут быть реализованы функции линеаризации, масштабирования, вычитания начальных (ненулевых) значений частот датчиков, вычисления аддитивных и мультипликативных температурных поправок и их автоматический учет в процедурах интеллектуального алгоритма для компенсации погрешностей, сопровождающих измерения. Практическая реализация интеллектуального алгоритма возможна, например, с помощью программируемого контроллера, в информационно-вычислительном управляющем комплексе или с помощью микропроцессора, которым может быть снабжен датчик давления. In the process of joint algorithmic processing of the output frequencies of the pressure sensor and the temperature correction sensor, the functions of linearization, scaling, subtraction of the initial (nonzero) values of the sensor frequencies, calculation of additive and multiplicative temperature corrections and their automatic accounting in the procedures of the intelligent algorithm to compensate for errors accompanying the measurements can be implemented. The practical implementation of an intelligent algorithm is possible, for example, using a programmable controller, in an information-computer control complex, or using a microprocessor, which can be equipped with a pressure sensor.
Примером совместной алгоритмической обработки частотных сигналов, обеспечивающей получение результатов измерений в единицах давления, может служить алгоритм, основанный на использовании, например, полиномов 3 - 5-той степени:
PX=a0+a1•fP+a2•fP 2+a3•fP 3+a4•fP 4+a5•fP 5, ai=bi0+bi1•fT+bi2•fT 2+bi3•fT 3,
где fp - частота датчика давления; fт - частота термокорректирующего датчика; аi(i=0, 1, 2...5) и bij(j=0, 1, 2, 3) - коэффициенты полиномов.An example of joint algorithmic processing of frequency signals that provides the measurement results in pressure units is an algorithm based on, for example, polynomials of 3–5 degree:
P X = a 0 + a 1 • f P + a 2 • f P 2 + a 3 • f P 3 + a 4 • f P 4 + a 5 • f P 5 , a i = b i0 + b i1 • f T + b i2 • f T 2 + b i3 • f T 3 ,
where f p is the frequency of the pressure sensor; f t - the frequency of the thermal correction sensor; and i (i = 0, 1, 2 ... 5) and b ij (j = 0, 1, 2, 3) are the coefficients of the polynomials.
Определение текущих значений коэффициентов полинома, которые могут линейным или нелинейным образом зависеть от температуры (частоты fт), может производиться автоматически с помощью интеллектуального алгоритма, использующего данные, которые могут быть записаны в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропроцессора при аттестации датчика давления.The determination of the current values of the polynomial coefficients, which can linearly or nonlinearly depend on temperature (frequency f t ), can be done automatically using an intelligent algorithm that uses data that can be written to the microprocessor read-only memory (ROM) during certification of the pressure sensor.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство 667840, G 01 L 11/00, опубл. 15.06.79.SOURCES OF INFORMATION
1. Copyright certificate 667840, G 01
2. Авторское свидетельство 1000805, G 01 L 11/00, опубл. 28.02.83. 2. Copyright certificate 1000805, G 01
3. Авторское свидетельство 228992, МПК G 01 l, G 08 с, опубл. 07.11.69. 3. Copyright certificate 228992, IPC G 01 l, G 08 s, publ. 11/07/69.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99127053/28A RU2193172C2 (en) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | Pressure sensor with frequency output |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99127053/28A RU2193172C2 (en) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | Pressure sensor with frequency output |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99127053A RU99127053A (en) | 2001-10-10 |
RU2193172C2 true RU2193172C2 (en) | 2002-11-20 |
Family
ID=20228488
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99127053/28A RU2193172C2 (en) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | Pressure sensor with frequency output |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2193172C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2621886C2 (en) * | 2015-11-10 | 2017-06-07 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") | Device for determining the wave pressures on the ship's hull |
-
1999
- 1999-12-27 RU RU99127053/28A patent/RU2193172C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2621886C2 (en) * | 2015-11-10 | 2017-06-07 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") | Device for determining the wave pressures on the ship's hull |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8381595B2 (en) | Pressure detecting device | |
US4435986A (en) | Pressure transducer of the vibrating element type | |
JP4973718B2 (en) | Pressure detection unit and pressure sensor | |
JP2009258085A (en) | Pressure sensor and method for manufacturing the same | |
US20120096945A1 (en) | Pressure sensor | |
JP2008232886A (en) | Pressure sensor | |
US8850896B2 (en) | Physical quantity detector | |
EP0054447A1 (en) | Stress-compensated quartz resonators | |
JP2011232264A (en) | Piezoelectric sensor, piezoelectric sensor element and piezoelectric vibration chip | |
JP2004132913A (en) | Pressure-sensitive element, and pressure sensor using the same | |
JP2006170984A (en) | System and method for detecting pressure | |
RU2193172C2 (en) | Pressure sensor with frequency output | |
CN109461728B (en) | Sealed cavity in packaged electronic clock generator | |
RU2172477C1 (en) | Pressure transducer with frequency output | |
JP7216921B2 (en) | vibrating pressure sensor | |
Goel et al. | Experimental studies in micromachined AT-cut quartz-based differential vacuum gauges | |
JP2011232263A (en) | Piezoelectric sensor, piezoelectric sensor element and piezoelectric vibration chip | |
JP2010281581A (en) | Pressure sensor and method of manufacturing the same | |
JP7327695B2 (en) | vibrating pressure sensor | |
SU883681A1 (en) | Pressure transducer with frequency output | |
JP2014126423A (en) | Pressure sensor and vacuum apparatus | |
JPH03252204A (en) | Temperature compensated crystal oscillator | |
JP2011149708A (en) | Force detection unit and force detector | |
JP2010025786A (en) | Pressure-sensitive element and pressure sensor employing the same | |
SU1000805A1 (en) | Frequency-type pickup of pressure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031228 |