eng
Выпуск #5/2003
А.Дышко, А.Панич.
Пьезоэлектрические датчики уровня жидких сред монолитной конструкции
Пьезоэлектрические датчики уровня жидких сред монолитной конструкции
Просмотры: 3761
Сегодня в качестве датчиков контроля уровня жидкостей и сжиженных газов различной плотности на объектах высокой критичности уровней используются резонансные пьезоэлектрические уровнемеры, для которых весьма актуально расширение температурного диапазона работы. Проблему решает предложенная специалистами филиала НИИ физических измерений (НИИФИ) в Ростове-на-Дону монолитная многослойная конструкция пьезопреобразователя.
Конструктивно сигнализаторы уровня резонансного типа выполнены в виде погружаемого в жидкость резонатора с прикрепленным к нему пьезопреобразователем. Резонатор, генерирующий механические продольные колебания, вместе с пьезопреобразователем представляют собой единую резонансную систему, которая крепится в корпусе датчика к мембране в точке ее нулевой продольной деформации. Схематично такой акустоэлектронный резонансный датчик уровня жидких сред показан на рис.1.
К пьезопреобразователю в резонансной системе такого типа датчиков предъявляются следующие требования:
· резонансная частота пьезопреобразователя и всей системы в целом должна обладать высокой стабильностью во времени, чтобы при старении не происходило рассогласования всей резонансной системы, т.е. выхода из строя датчика контроля уровня;
· для достижения высокой точности контроля уровня жидкости минимальная ширина резонансной полосы пропускания частот должна составлять менее 0,3% от резонансной частоты, что обеспечит пьезопреобразователю механическую добротность выше 350;
· устойчивая работа в широком диапазоне температур – от -196 до +200°С;
· емкость подсоединительного кабеля должна быть значительно ниже собственной электрической емкости преобразователя (~100 пФ).
В современных серийно выпускаемых датчиках резонансных уровнемеров используются преобразователи в виде цилиндра диаметром 8,5 мм и высотой 10–11 мм, изготовленные из пьезокерамического материала ЦТСтБС-2. Их торцевые поверхности снабжены серебряными электродами, предназначенными для контакта с контрольно-измерительной аппаратурой.
Для такой конструкции пьезопреобразователя материал ЦТСтБС-2 оптимален по всему набору параметров: относительной диэлектрической проницаемости (»2000), механической добротности (і350), тангенсу угла диэлектрических потерь (Ј0,01). С другой стороны, конструкция пьезоэлемента в виде стержня не позволяет использовать пьезоматериалы с более стабильными параметрами в рабочем диапазоне температур и более высоким значением механической добротности, так как они обладают сравнительно низким значением относительной диэлектрической проницаемости.
С целью повышения эксплутационных характеристик резонансных сигнализаторов уровня специалисты филиала НИИФИ (Ростов-на-Дону) разработали конструкцию монолитного многослойного пьезопреобразователя (рис.2). В нем на торцевых поверхностях двух пьезоактивных элементов расположены изоляторы. Пьезоэлементы электрически соединены параллельно друг с другом гибкими проволочными выводами из стали марки 18ґ12Н10Т, которые находятся под прямым углом друг к другу и закреплены механически в пазах глубиной 0,25–0,2 мм. Пазы размещены в плоскости электродов между изоляторами и пьезоэлементами, а также в средней части между пьезоэлементами. Монолитность конструкции достигается путём термокомпрессионной сварки изоляторов и пьезоэлементов, свариваемые поверхности которых покрыты вожженным в керамику серебром. Новая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с обычной:
· электроды пьезоактивных элементов изолированы от корпуса датчика, что обеспечивает его помехозащищенность;
· возможность применения более "сегнетотвердых" пьезокерамических материалов с более низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости и более высокими значениями механической добротности;
· гибкие проволочные токосъемники освобождают от необходимости ненадежной пайки токовыводов к электродам пьезопреобразователя, приводящей к локальному перегреву пьезоэлементов;
· наличие изоляторов на торцах пьезоэлементов упрощает операцию точной подгонки по частоте преобразователя после поляризации.
В процессе разработки были проведены исследования характеристик пьезопреобразователя обычной конструкции и образца монолитной многослойной конструкции, который изготовлен из пьезокерамического материала ПКЛ-2. Сопоставление основных электрофизических параметров ЦТСтБС-2 и ПКЛ-2 приведено в табл.1.
Из таблицы следует, что разработанный пьезокерамический материал ПКЛ-2 практически по всем параметрам превосходит традиционно используемый в датчиках уровня пьезоматериал ЦТСтБС-2 и может эффективно применяться в монолитных многослойных пьезопреобразователях.
Результаты сравнительных испытаний преобразователей старой конструкции – ПЭСД-16 и новой – ПЭСД-16М приведены в табл.2. При комнатной и отрицательных температурах измерялись параметры: тангенс угла диэлектрических потерь tgd, резонансное сопротивление Rr, эффективный коэффициент электромеханической связи Ке и резонансная частота fr.
Основной параметр, характеризующий стабильность работы резонансного уровнемера – резонансное сопротивление Rr. Этот параметр ограничивает область применения уровнемера при криогенных температурах: Rr возрастает при -50°С для ПЭСД-16 в 6,3 раза, для ПЭСД-16М – в 2,6 раза, при -100°С – в 12 и в 8,5 раз, соответственно. Элементы ПЭСД-16М сохраняют работоспособность до -196°С, характеризуясь резонансным сопротивлением, втрое меньшим, чем ПЭСД-16 при -100°С, и меньшим сопротивлением, чем ПЭСД-16 при -50°С. Измерение параметров ПЭСД-16, так же, как и его эксплуатация при температуре ниже –100°С, невозможны из-за резкого роста резонансного сопротивления и, как следствие, падения механической добротности.
К пьезопреобразователю в резонансной системе такого типа датчиков предъявляются следующие требования:
· резонансная частота пьезопреобразователя и всей системы в целом должна обладать высокой стабильностью во времени, чтобы при старении не происходило рассогласования всей резонансной системы, т.е. выхода из строя датчика контроля уровня;
· для достижения высокой точности контроля уровня жидкости минимальная ширина резонансной полосы пропускания частот должна составлять менее 0,3% от резонансной частоты, что обеспечит пьезопреобразователю механическую добротность выше 350;
· устойчивая работа в широком диапазоне температур – от -196 до +200°С;
· емкость подсоединительного кабеля должна быть значительно ниже собственной электрической емкости преобразователя (~100 пФ).
В современных серийно выпускаемых датчиках резонансных уровнемеров используются преобразователи в виде цилиндра диаметром 8,5 мм и высотой 10–11 мм, изготовленные из пьезокерамического материала ЦТСтБС-2. Их торцевые поверхности снабжены серебряными электродами, предназначенными для контакта с контрольно-измерительной аппаратурой.
Для такой конструкции пьезопреобразователя материал ЦТСтБС-2 оптимален по всему набору параметров: относительной диэлектрической проницаемости (»2000), механической добротности (і350), тангенсу угла диэлектрических потерь (Ј0,01). С другой стороны, конструкция пьезоэлемента в виде стержня не позволяет использовать пьезоматериалы с более стабильными параметрами в рабочем диапазоне температур и более высоким значением механической добротности, так как они обладают сравнительно низким значением относительной диэлектрической проницаемости.
С целью повышения эксплутационных характеристик резонансных сигнализаторов уровня специалисты филиала НИИФИ (Ростов-на-Дону) разработали конструкцию монолитного многослойного пьезопреобразователя (рис.2). В нем на торцевых поверхностях двух пьезоактивных элементов расположены изоляторы. Пьезоэлементы электрически соединены параллельно друг с другом гибкими проволочными выводами из стали марки 18ґ12Н10Т, которые находятся под прямым углом друг к другу и закреплены механически в пазах глубиной 0,25–0,2 мм. Пазы размещены в плоскости электродов между изоляторами и пьезоэлементами, а также в средней части между пьезоэлементами. Монолитность конструкции достигается путём термокомпрессионной сварки изоляторов и пьезоэлементов, свариваемые поверхности которых покрыты вожженным в керамику серебром. Новая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с обычной:
· электроды пьезоактивных элементов изолированы от корпуса датчика, что обеспечивает его помехозащищенность;
· возможность применения более "сегнетотвердых" пьезокерамических материалов с более низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости и более высокими значениями механической добротности;
· гибкие проволочные токосъемники освобождают от необходимости ненадежной пайки токовыводов к электродам пьезопреобразователя, приводящей к локальному перегреву пьезоэлементов;
· наличие изоляторов на торцах пьезоэлементов упрощает операцию точной подгонки по частоте преобразователя после поляризации.
В процессе разработки были проведены исследования характеристик пьезопреобразователя обычной конструкции и образца монолитной многослойной конструкции, который изготовлен из пьезокерамического материала ПКЛ-2. Сопоставление основных электрофизических параметров ЦТСтБС-2 и ПКЛ-2 приведено в табл.1.
Из таблицы следует, что разработанный пьезокерамический материал ПКЛ-2 практически по всем параметрам превосходит традиционно используемый в датчиках уровня пьезоматериал ЦТСтБС-2 и может эффективно применяться в монолитных многослойных пьезопреобразователях.
Результаты сравнительных испытаний преобразователей старой конструкции – ПЭСД-16 и новой – ПЭСД-16М приведены в табл.2. При комнатной и отрицательных температурах измерялись параметры: тангенс угла диэлектрических потерь tgd, резонансное сопротивление Rr, эффективный коэффициент электромеханической связи Ке и резонансная частота fr.
Основной параметр, характеризующий стабильность работы резонансного уровнемера – резонансное сопротивление Rr. Этот параметр ограничивает область применения уровнемера при криогенных температурах: Rr возрастает при -50°С для ПЭСД-16 в 6,3 раза, для ПЭСД-16М – в 2,6 раза, при -100°С – в 12 и в 8,5 раз, соответственно. Элементы ПЭСД-16М сохраняют работоспособность до -196°С, характеризуясь резонансным сопротивлением, втрое меньшим, чем ПЭСД-16 при -100°С, и меньшим сопротивлением, чем ПЭСД-16 при -50°С. Измерение параметров ПЭСД-16, так же, как и его эксплуатация при температуре ниже –100°С, невозможны из-за резкого роста резонансного сопротивления и, как следствие, падения механической добротности.
Отзывы читателей
