Пьезоэлектрические преобразователи на основе принципов, описанных в п. 5.1.4 (пьезоэффекта), нашли применение в измерительных устройствах для отображения и регистрации высокодинамических процессов изменений давления. При постоянном давлении из-за утечек статических зарядов с пьезоэлементов происходит падение выходного напряжения, что препятствует широкому распространению таких преобразователей.
Достаточно высокие метрологические показатели обеспечивает измерительный преобразователь на основе резонатора. В одной из таких конструкций (рис. 5.18) блок пьезочувствительного кварцевого резонатора состоит из трех кварцекристаллических пластин: рабочей 1, опорной 2 и внешняя 3. Рабочая и опорная пластины имеют углубления, на внутренних поверхностях которых установлены тензочувствительные резонаторы. В таких резонаторах применяется кварцевый кристаллический сдвоенный микрокамертон, в котором пьзоэлектрически возбуждаются колебания изгибных окончаний.
Рис. 5.18. Конструкция измерительного преобразователя на основе резонатора: 1, 2, 3 – рабочая, опорная и внешняя пластины блока резонатора соответственно; 4 – разделительный мембранный блок; 5– платы измерительного блока; 6 – электроввод
Измеряемое давление р через разделительный мембранный блок 4, заполненный жидкостью, передается на рабочую пластину 1 и ее кварцевую мембрану, вызывая деформацию последней. Эта деформация приводит к изменению резонансной частоты тензорезонатора, что регистрируется измерительным блоком, установленным на платах 5.
Внешняя пластина 3, имея непосредственное соединение с окружающей средой, обеспечивает компенсационное воздействие давления окружающей среды на кварцевую мембрану опорной пластины.
Электроввод 6 обеспечивает электрический вывод из зоны рабочего давления.
Структурная схема преобразователя приведена на рис. 5.19. На рабочий чувствительный элемент 1 воздействует измеряемая среда давлением рраб и температурой Траб, на опорный чувствительный элемент 2 – давлением окружающей среды рокр и температурой окружающей среды Токр
Рис. 5.19. Структурная схема измерительного преобразователя на основе пьезоэффекта: 1, 2 – рабочий и опорный чувствительные элементы; 3, 4 – частотные автогенераторы; 5 – смеситель; 6 – преобразователь
Частотные автогенераторы 3 и 4, в электрическую цепь которых включены рабочий и опорный чувствительные элементы, генерируют на своих выходах частотные сигналы по давлению и температуре рабочей и окружающей среды. Частотный выходной сигнал со смесителя 5 является разностным параметром между сигналами рабочего и опорного каналов. Соответственно в каждый канал включен чувствительный элемент и автогенератор. Выходным сигналом измерительного преобразователя могут служить как частотный fвых, так и унифицированный токовый Iвых, который генерируется на выходе частотного преобразователя 6. На практике частотный сигнал fвыхпо своим техническим показателям предпочтительнее токового Iвых.
В серии измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений фирмы YOKOGAWA применен кремниевый резонатор, изготавливаемый в виде монокристаллической структуры. Основой чувствительно элемента служат два механических резонатора, интегрированных в кремниевую мембрану. Кремниевый резонатор DPharp, выполненные в виде буквы «Н» (см.рис.5.28), имеют собственную частоту поперечных колебаний в несколько десятков килогерц.
Мембрана подвергается с одной стороны воздействию измеряемого давления, что приводит к деформации ее поверхности. Расположенные на другой поверхности мембраны резонаторы из-за использования разных образующих поверхности размещаются таким образом, что один резонатор под воздействием давления подвергается растяжению, другой – сжатию. С ростом давления увеличивается разница собственных частот установленных резонаторов. Эта разница частот пропорциональна приложенному давлению. Линейность зависимости частоты от давления позволяет изготавливать прибор с симметричным выходным сигналом по отношению к избыточному и вакуумметрическому давлению, а также иметь возможность перенастройки диапазона измерений в интервале от 1 до 100, сохраняя при этом точность и стабильность. Высокие метрологические характеристики, в которых практически отсутствует влияние гистерезиса, достигнуты измерением не электрического, а механического параметра – резонанса.
Возможность считывания непосредственно частоты без дополнительных преобразований предопределяет достижение высокой точности измерений. При этом влияние внешних «паразитных» факторов, как, например, температуры окружающей среды, у приборов с измерением резонанса в 4…10 раз ниже, чем для пьезоэлектрического преобразователя.
