Прецизионные кварцевые датчики производства российской компании «СКТБ ЭлПА»

Пьезоэлектрический резонатор — это электромеханическая система, в которой используется явление прямого и обратного пьезоэффекта. Обычно резонатор выполнен в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционального амплитуде этих колебаний. Один из самых распространенных пьезоэлектриков, применяемых в пьезоэлектрических резонаторах, — пьезокварц, что объясняется высокой добротностью кварцевых резонаторов (10⁷ и более), кратковременной и долговременной стабильностью — до 10^–10 и до 10^–7 соответственно. Пожалуй, единственным отечественным разработчиком и производителем кварцевых резонаторов-сенсоров и датчиков на их основе является компания «СКТБ ЭлПА» (г. Углич).

Благодаря развитию современной цифровой электроники появилась возможность применения датчиков с частотным или кодовым выходом в измерительных системах управления технологическими процессами, контроля параметров окружающей среды, образцовых средствах измерений.

На основе кварцевых резонаторов различных срезов выпускаются прецизионные датчики температуры, давления, усилия, влажности, ускорения. Среди зарубежных компаний, занимающихся разработкой и производством кварцевых датчиков (сенсоров) можно выделить Paroscientific Inc., Quartzdyne, PCB Piezotronics (США), Kistler (Швейцария), Chell Instruments (Великобритания), Seiko (Япония) и др.

Чувствительные пьезоэлементы термочувствительного среза, смонтированные в корпуса размером Ø2×6 и Ø3×10 мм — камертонные малогабаритные термочувствительные кварцевые резонаторы (табл. 1) с малой постоянной времени тепловой инерции (до 5 с). Аналогами таких резонаторов можно назвать термочувствительные резонаторы фирмы Seiko (Япония). Возможно создание сенсоров температуры в том же корпусе с меньшей постоянной времени, что достигается путем заполнения гелием пространства внутри корпуса.

Градуировочная характеристика термочувствительных резонаторов этого типа описывается полиномом второй или третьей степени (погрешность аппроксимации в среднем — сотые доли градуса):

где f_T — частота термочувствительного резонатора; f₀ — опорная частота; A₁, A₂, A₃ — коэффициенты полинома; T — температура; T₀ — температура, соответствующая опорной частоте f₀.

В последнее время выросла потребность в сенсорах с чувствительностью 0,01 °С и выше (до 0,0001 °С) и стабильностью 0,05–0,01 °С в год, что решается за счет увеличения кристалла (повышения добротности) и применения новых материалов и технологий для крепления кристалла в корпусе резонатора.

Особенностью конструкции высокотемпературных кварцевых термочувствительных резонаторов типа РКТВ является применение в заделке высокотемпературного припоя, а также применение лазерной заварки корпуса резонаторов, что обеспечивает их высокую рабочую температуру и стабильность.

Возможна разработка высокотемпературных термочувствительных резонаторов с верхним пределом измерения температуры более 500 °С.

На основе кварцевых термочувствительных резонаторов разработаны и производятся преобразователи, электронные термометры и терморегуляторы соответственно с частотным, аналоговым и цифровым выходом класса точности до 0,05. Например, преобразователь температуры кварцевый ПТК-01 (табл. 2).

Прецизионные манометрические кварцевые резонаторы абсолютного и избыточного давления

РКМА-Р и БРКМ-Р смогут найти широкое применение в цифровых приборах, измеряющих давление, скорость, расход (например, бензина, горячей и холодной воды), массу, уровень (например, воды в скважинах, в море; нефтепродуктов в скважинах, хранилищах) и др. Форма кварцевого корпуса манометрического резонатора может быть как прямоугольной, так и круглой.

В этих сенсорах применяются кварцевые силочувствительные пьезоэлементы, представляющие собой сдвоенный камертон ПС27-40, созданный методом фотолитографии. Особенностью конструкции кварцевых манометрических резонаторов является крепление силочувствительного пьезоэлемента легкоплавким стеклом на кварцевую мембрану того же среза. Это обеспечивает высокую точность в рабочем диапазоне давлений, относительно небольшой (<1%) и воспроизводимый уход частоты в диапазоне рабочих температур.

Градуировочная характеристика манометрических резонаторов описывается полиномом второй или третьей степени (погрешность аппроксимации до 0,05% и 0,02% соответственно).

где P — давление; P₀ — давление, соответствующее опорной частоте; A₁, A₂ — коэффициенты полинома; f_p — частота манометрического кварцевого резонатора; f₀ — опорная частота.

Температурно-частотная характеристика (ТЧХ) манометрических резонаторов также описывается полиномом второй или третьей степени (рис. 4), что облегчает компенсацию температурной погрешности.

где f_p(t) — частота манометрического кварцевого резонатора в зависимости от температуры; f₀ — частота при опорной температуре T₀; T — температура.

Верхний предел измерений абсолютного давления манометрических резонаторов составляет 0,1; 0,2; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 16,0; 25,0; 40,0; 60,0; 80,0; 100,0 МПа в соответствии с ГОСТ 22520. Допускается кратковременная перегрузка при значениях давления до 130% от верхнего предела измерения, ведутся испытания новых конструкций РКМА, позволяющих выдержать кратковременную перегрузку величиной несколько сотен процентов от этого значения.

Размеры РКМА-Р — 25×23×(3…8) мм (прямоугольный кварцевый корпус). Малогабаритные варианты РКМА-Р: Ø14,5×1,1(1,4) мм (круглый кварцевый корпус) и 12×11×1 мм (прямоугольный кварцевый корпус).

Манометрические кварцевые резонаторы могут изготавливаться с дополнительной крышкой для температурной развязки или с дополнительной крышкой со штуцером, через который может подаваться как атмосферное, так и избыточное давление до 0,4 МПа.

Благодаря своим высоким метрологическим характеристикам и относительно низкой цене, манометрические кварцевые резонаторы находят применение в высокоточных приборах.

На основе кварцевых манометрических резонаторов РКМА-Р и термочувствительных резонаторов РКТ206 и РКТВ206 многими предприятиями выпускаются преобразователи давления с компенсированной температурной погрешностью класса точности 0,1%, 0,06% и 0,03%.

На предприятии СКТБ ЭлПА (г. Углич) разрабатывается и выпускается ряд преобразователей температуры, а также температуры и давления.

Преобразователи давления и температуры, выпускаемые СКТБ ЭлПА, успешно применяются в различных областях: в лабораторном оборудовании, средствах АСУТП, метеорологическом, гидрологическом и геологоразведочном оборудовании.

Среди последних новинок:

1. Преобразователи гидростатического давления и температуры кварцевые ПДТК-Р-МГ, обеспечивающие прецизионное измерение гидростатического давления с возможностью компенсации температурной погрешности в интервале рабочих температур. Преобразователь имеет защиту от пресной и морской воды.

Рис. 6. ПДТК-Р-МГ
2. Преобразователь давления и температуры кварцевый ПДТК-Р-МС, обеспечивающий прецизионное измерение давления агрессивных сред с возможностью компенсации температурной погрешности в интервале рабочих температур. Преобразователь может использоваться в оборудовании для диагностики давления в скважине.

Рис. 7. ПДТК-Р-МС
3. Преобразователь гидростатического давления и температуры кварцевый наливной ПДТК-Р-МН-2.0, предназначенный для измерения давления горячей и холодной воды в отопительных и водопроводных системах.

Рис. 8. ПДТК-Р-МН-2.0 и МК-01
4. Манометры кварцевые МК-01 (разработаны совместно с ООО «Инсенс», г. Москва). В настоящее время проходит сертификация манометров как средств измерения.

Манометры предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование избыточного или абсолютного давления газообразных и жидких сред в частотный сигнал. Манометры предназначены для работы со вторичной регулирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от частотного сигнала в диапазоне 100–45 000 Гц с амплитудой импульсов 2,4–12 В. Манометры предназначены для измерения давления газообразных, жидких нейтральных и агрессивных сред в пределах стали 12Х18Н10Т. Манометры имеют исполнения по взрывозащите: взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь ia» и уровнем взрывозащиты «особовзрывобезопасный» (О); соответствуют ГОСТ 22782.5-78; взрывозащищенное смаркировкой «ОЕxiaIIСТ5 Х» по ГОСТ 12.2.020-76; категория и группа по взрывоопасной смеси IIСТ5 по ГОСТ 12.1.011-76 — исполнения Ч, модели 1,2,3,4; невзрывозащищенное — остальные исполнения и модели.

Пределы измерений давления от 0 до 0,06; 0,1; 0,16; 0,25–60 МПа. Основная погрешность (в зависимости от модели) — от 0,1 до 1,0%.

Нельзя обойти вниманием и высокочастотный кварцевый силочувствительный элемент ЭПКВ-10М толщинно-сдвиговых колебаний, широко используемый в силочувствительных балках весов. Достоинство этого элемента — высокая стабильность и чувствительность (3,5 Гц/г), низкое сопротивление (менее 30 Ом на воздухе), низкая цена.

Элемент пьезокварцевый высокочастотный на частоту 10 МГц служит для преобразования деформаций растяжения-сжатия по длине в частотный сигнал. Используя этот пьезоэлемент, можно спроектировать весы для взвешивания грузов массой от нескольких миллиграммов до сотен килограммов с высокой точностью. Например, данные пьезоэлементы успешно применяются компанией «Мера» (г. Москва) в качестве первичных чувствительных элементов в весовых балках.

Потребность в кварцевых пьезорезонансных датчиках с частотным выходом постоянно растет, чему способствуют постоянно расширяющиеся области их применения, а также высокие метрологические характеристики при достаточно невысокой цене.