При производстве измерительных преобразователей разности давлений одной из основных тенденцией в настоящее время является использование резонаторов в преобразователях давления с высокими метрологическими характеристиками. В современных приборах входная величина давления или разности давлений определяет собственную частоту колебаний резонатора, являющегося частью первичного пьезопреобразователя. Конструкции чувствительного элемента с резонатором и материалы, из которых они изготавливаются, могут быть совершенно различными. Так, в приборах фирмы YOKOGAWA применен Н-образный резонатор из кремния на кремниевой мембране, конструкция которого описана ниже. Фирма FISHER-ROSEMOUNT разработала струнные резонаторы.
В этих преобразователях давления резонатор, включенный в цепь автогенератора, возбуждается электрическим или магнитным полем. Автогенератор поддерживает колебания резонатора на основной собственной частоте колебаний.
В соответствии с последними разработками производство прибора «Сапфир-22К» предусматривается на базе кварцевого камертонного резонатора. В этом преобразователе два наконечника камертона, размещенного на кварцевой мембране и закрытого кварцевым колпаком, замкнуты своими хвостовыми частями. Внутри устройства вакуум. Металлизированный камертон через специальные вводы подключен к автогенератору. При включении генератора появляются устойчивые колебания камертона на его собственной частоте. Уникальные механические свойства кристаллического кварца, из которого изготавливается камертон, обусловливают высокие метрологические характеристики преобразователя.
Измеряемое давление воздействует на кварцевую мембрану, вызывая ее прогиб, который приводит к натяжению ветвей камертона, закрепленного на поверхности данной кварцевой мембраны. Степень натяжения ветвей камертона, их деформации определяет собственную частоту колебаний камертонного резонатора. В результате в зависимости от упругих свойств кварцевой пластины устанавливается зависимость между измеряемым давлением и собственной частотой камертонного резонатора. Такая зависимость имеет определенную нелинейность, что в вычислительном блоке прибора при аппроксимации характеристики преобразования в процессе градуировки компенсируется применением полинома 3-й степени.
Измерительный преобразователь устанавливается на жестком основании в замкнутом контуре. Внутренний контур камеры с преобразователем заполнен силиконовой жидкостью. Со стороны измеряемого давления находится гофрированная металлическая мембрана, прогиб которой приводит к изменению степени сжатия рабочей жидкости и соответственно к пропорциональному прогибу кремниевой мембраны пьезопреобразователя.
Чувствительный элемент такого типа обеспечивает измерение абсолютного давления. Выход этого преобразователя соединяется с электронным блоком, обеспечивающим измерение собственных частот резонатора.
Для измерения разности давлений, а также избыточного давления применяют два идентичных первичных преобразователя, на один из которых воздействует «плюсовое» давление, на другой - «минусовое». В преобразователях избыточного давления канал «минусового» давления соединяется с атмосферой. Поступающий с измерительных схем каждого канала разностный сигнал преобразовывается в параметр измеряемого давления, отображается на жидко-кристаллическом дисплее и направляется по интерфейсу RS-485 в канал связи.
На точность функционирования преобразователей на базе резонаторов существенно влияет температура окружающей среды и рабочего вещества, так как под ее воздействием происходит изменение давления рабочей жидкости во внутренней полости измерительной камеры, обусловленное ее температурным коэффициентом объемного расширения. Кроме этого, под влиянием температуры изменяется модуль упругости кварца в составе камертона и мембраны. К сожалению, несовершенство компонентов радиоэлектронного блока в этих конструкциях также приводит к проявлению температурных влияний.
Многие отмеченные выше температурные влияния снижаются при установлении в измерительной схеме дополнительного кварцевого термочувствительного резонатора, идентичного по конструкции, но подверженного воздействию аналогичных температурных влияний с давлением только окружающей среды.
Кремниевый резонатор DPharp в качестве первичного преобразователя разности давлений фирмы YOKOGAWA приведен на рис. 5.28. Кремниевая мембрана 1 является основой сенсора. Плоские механические резонаторы 2, выполненные в виде буквы «Н», интегрированы в кремниевую диафрагму 1. Электрическая связь с ними осуществляется через линии 3 и контакты 4. Работа кремниевых резонаторов организована в электрическом магнитном поле. Собственная частота поперечных колебаний резонаторов без нагрузки составляет несколько десятков килогерц.
Рис. 5.28. Схема кремниевого резонатора DPharp в качестве первичного преобразователя разности давлений фирмы YOKOGAWA:1 – кремниевая мембрана; 2 – резонатор;3 – линии; 4 – контакты
Измеряемая среда давлением ризм воздействует на кремниевую мембрану, вызывая ее прогиб. Асимметричное расположение резонаторов относительно центра мембраны приводит к тому, что при ее прогибе один резонатор подвергается растяжению, другой – сжатию. При росте значений измеряемого давления увеличивается разница (от 0 до десятков килогерц) между частотами собственных колебаний резонаторов. резонаторы и мембраны подобраны таким образом, что снимаемая разностная частота пропорциональна измеряемому давлению. Такая линейная характеристика действительна в широком диапазоне измеряемых давлений, что позволяет предусматривать в одном приборе перестройку диапазона до соотношения 1:100. Причем эта характеристика симметрична относительно «нуля» давления, т. е. зависимость разностной частоты имеет идентичный вид, только с разными знаками, как для избыточного, так и для вакуумметрического давления. Такой преобразователь выдерживает значительные перегрузки, исключая при этом явления гистерезиса.
Преобразователь типа Dpharp позволяет снимать с одного сенсора показания разности давлений, а также отслеживать величину статического давления, температуру рабочей среды в измерительной камере. Таким образом, с помощью прибора можно дополнительно диагностировать состояние измерительного устройства.
