Разработка пьезоэлектрических датчиков динамического давления с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенной областью применения

Актуальность.

Для проектирования механизмов и при исследовании физико — химических процессов и явлений необходимо знать и контролировать физические параметры. Одним из основных параметров при описании поведения жидких и газообразных сред является давление.

Первичным звеном, регистрирующим и передающим информацию о давлении среды, является датчик, представляющий собой конструктивно завершенный прибор. Сфера применения датчиков давления очень широка. Этоэнергетика, автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая техника, судостроение, двигателестроение, атомная техника, химическое и энергетическое машиностроение, взрывные технологии, физические эксперименты. И для каждого условия применения датчик должен обладать совокупностью специальных технических, эксплуатационных и метрологических характеристик.

От качества измерительной информации, получаемой от вышеуказанных преобразователей, в значительной степени зависит эффективность решения важных диагностических задач. Это определяет актуальность исследований, направленных на совершенствование и создание новых пьезоэлектрических датчиков динамического давления с улучшенными характеристиками и более широкими эксплуатационными возможностями.

Сейчас наблюдается повышение спроса на датчики давления общепромышленного, а также специального применения. В ряде случаев разработанные датчики удовлетворяют требования потребителя по метрологическим характеристикам и надежности. Но зачастую новая, быстро развивающаяся техника предъявляет специфические требования к датчиковой аппаратуре, не обеспеченные существующими разработками.

Можно обозначить следующие особенности проектирования на современном этапе:

• Необходимость реализации требований к широкому динамическому диапазону от 100 Па до 1500 МПа, температурному диапазону до плюс 700 °C, частотному диапазону от 5 до 150 000 Гц, ресурсу. Измерения в широком динамическом диапазоне можно перекрыть применением номенклатурного ряда датчиков, но следует принимать во внимание одновременность проведения измерений в одной зоне, ограничения по размещению датчиков. Поэтому актуально такие измерения проводить одним датчиком с широким динамическим диапазоном и высоким разрешением. Совокупность требований потребителя вызывает необходимость поиска и исследования нетрадиционных материалов: пьезоматериалов с высокой точкой Кюри с линейной зависимостью электрофизических параметров в широком амплитудном диапазоне, конструкционных материалов с согласованными механическими и акустическими свойствами.

• Для обеспечения необходимой линейности характеристики датчика в широком динамическом диапазоне весьма существенным является особенность поведения мембранной части, принимающей давление. Проектирование этого элемента датчика требует помимо новых конструктивно — технологических решений использование новых расчетно — моделирующих подходов.

• Для удовлетворения совокупности требований заказчика по метрологическим, эксплуатационным характеристикам, ресурсу приходится принимать компромиссные решения и корректировать техническое задание, что приводит к проведению нескольких итераций, прежде чем организовать серийное производство.

• Отдельная задача — сертификация датчиков переменного давления, что вызывает необходимость проведения испытаний с целью утверждения типа средств измерений в аккредитованных центрах испытаний Ростехрегулирования. Такими центрами являются ВНИ-ИМ им. Д. И. Менделеева (г. Санкт-Петербург), УНИИМ (г. Екатеринбург), обладающие Государственными эталонами переменного давления. Однако существующие эталоны имеют верхний диапазон давления только до 20 МПа. Т. е. проектирование датчиков на высокие импульсные давления сопряжено с решением вопроса их калибровки.

В промышленности применяются датчики динамического давления на различных физических принципах: пьезои тензорезистивные, емкостные, индуктивные.

Тема диссертации связана с исследованием пьезоэлектрических датчиков динамического давления (ПДДД), которые незаменимы при эксплуатации в жестких условиях, в частности в атомной энергетике, взрывных, баллистических применениях.

Актуальность диссертации представляется в исследованиях, направленных на разработку конструкций и способов изготовления ПДДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Состояние проблемы.

Как показывает мировой опыт, несмотря на значительный в последние десятилетия научно-технический и технологический прогресс, создание многофункциональных, широкодиапазонных унифицированных моделей ПДДД для различных условий их применения — дело не ближайшего будущего. Мировая тенденция в данной области техники — создание измерительных преобразователей для специальных условий их применения. В настоящее время ведущие фирмы производят измерительные преобразователи номенклатурой в десятки наименований, т.к. требования к характеристикам средств измерения, определяемые условиями использования последних, весьма противоречивы.

Наиболее известны такие зарубежные производители ПДДД, как PCB (США), Endevco (CHIA), Kistler (Швейцария), АУЬ (Австрия). Среди российских разработчиков и производителей можно выделить НИИФИ (г. Пенза).

Конкуренцию ПДДД составляют датчики давления на других физических принципах: пьезои тензорезистивные, емкостные, индуктивные. Наиболее перспективным и быстрорастущим является рынок МЭМС (микроэлектромеханические системы). Но данная технология для пьезорезистивных, емкостных датчиков в настоящий момент времени не обеспечивает всех потребностей промышленности вследствие ограничений по техническим возможностям и условиям эксплуатации.

Цель работы и задачи исследований.

Целью работы является совершенствование и оптимизация основных метрологических и эксплуатационных характеристик пьезоэлектрических датчиков динамического давления, а также разработка и внедрение новых конструкций, их производство для выполнения современных требований рынка.

Целью работы является совершенствование и оптимизация основных метрологических и эксплуатационных характеристик пьезоэлектрических датчиков динамического давления на базе новых конструкций, технологий производства для удовлетворения современных требований по динамическому, частотному диапазонам, разрешению, ресурсу.

В связи с этим в задачи диссертационной работы входит:

• Анализ и обобщение совокупности требований к метрологическим характеристикам, эксплуатационным возможностям, ресурсу.

ПДДД.

• Поиск технологий и технических решений для реализации необходимых требований.

• Анализ конструктивных элементов ПДДД, выбор и исследование свойств материала мембраны ПДДД, как основного элемента, определяющего метрологические характеристики датчиков.

• Разработка расчетно-теоретических моделей ПДДД с использованием вычислительной техники и современных программных продуктов.

• Экспериментальное подтверждение расчетного моделирования.

• Разработка ПДДД с улучшенными метрологическими характери-стиками (динамическим диапазоном, разрешением, линейностью характеристики), ресурсом.

Методы исследования.

Оптимизация проектирования ПДДД выполнялась с использованием математического моделирования на основе метода конечных элементов и экспериментальных исследований.

Исследование свойств материала мембраны проводилось с помощью методики построения истинных диаграмм, учитывающей неоднородное напряженное состояние в шейке образца после локализации деформации.

При экспериментальном определении метрологических характеристик использовался метод квазистатической калибровки, метод возбуждения резонансных колебаний в газовой ударной трубе и с помощью локального удара малой длительности. Калибровка ПДДД в области сверхнизких переменных давлений порядка 30 Па было проводилась с помощью пистонфонов — калибраторов для пьезоэлектрических микрофонов.

Научная новизна работы.

• При проектировании ПДДД рекомендовано учитывать экспериментально определенные прочностные, жесткостные, деформационные характеристики материала мембраны для различных условий эксплуатации. Показано, что применение мультилинейной изотропной модели, в частости, для материала мембраны (сплава 36 НХТЮ) дает уточненные значения напряжений и деформаций в материале мембраны до 20% в сравнении с билинейной моделью.

• Экспериментально определены в масштабной модели прочностные, жесткостные и деформационные характеристики сплава 36 НХТЮ в температурном диапазоне от 20 °C до 300 °C.

• Рекомендована номенклатура конструкционных материалов для разработки ПДДД с различным динамическим диапазоном.

• Предложены конструкции и способ изготовления ПДДД с улучшенными метрологическими характеристиками, использующие работу материала мембраны в области пластической деформации и сварку мембраны с корпусом в зоне, удаленной от пьезоэлементов.

• Разработана методика расчетно-экспериментального выбора параметров мембраны (материала, геометрических размеров) ПДДД с использованием метода конечных элементов.

Практическая ценность работы.

1. Выполненные исследования позволили реализовать динамический диапазон ПДДД до 108 дБ, на 30 дБ превышающий динамический диапазон датчи-коа известных производителей. На базе полученных результатов разработаны датчики с диапазоном измерений от 0,001 до 250 бар, от 0,01 до 2500 бар, от 0,04 до 10 000 бар с нелинейностью не более 2% от полной шкалы.

2. Разработаны и внедрены в производство технологии сборки и калибровки ПДДД, позволяющие обеспечить надежные характеристики с ресурсом работы более 100 000 срабатываний в год.

3. Предложенные схемно-конструктивное исполнение и способ изготовления позволяет проектировать ПДДД с заданными метрологическими характеристиками.

4. Сертификация вновь созданных ПДДД с совокупностью улучшенных свойств во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева позволила определить перечень нормируемых метрологических характеристик для регламентирования номенклатурного диапазона проектируемых ПДДД.

Реализация и внедрение результатов работы.

На основе полученных в работе результатов разработаны и промыш-ленно производятся предприятием ООО «ГлобалТест» (г.Саров) пьезоэлектрические датчики динамического давления. Преобразователи входят в состав измерительных и диагностических систем, выпускаемых предприятиями ЗАО «Локомотив» (г.Ярославль), ООО «Пульс» (г. Геленджик), НПП «Мера» (г.Королев), ЗАО «Электроагрегат», (г. Курск), используются в составе измерительных комплексов ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров) при регистрации высокоскоростных импульсных процессов детонационного типа, при исследовании кавитационных процессов институтом проблем машиноведения РАН, в учебных лабораториях Института водных коммуникаций (г. С. Петербург) и др. Три модификации разработанных ПДДД используются в ЦНИИМАШ (г. Королев) для исследований в интересах Международной Космической станции. Проведен первый этап проектирования ПДДД для системы контроля пульсаций давления в первом контуре охлаждения АЭС, на котором реализовано техническое решение с обеспечением двойного барьера герметизации во избежание утечек радиоактивной среды.

На основе полученных в работе результатов разработаны и промышленно производятся предприятием ООО «ГлобалТест» (г.Саров) пьезоэлектрические датчики динамического давления. Датчики входят в состав измерительных и диагностических систем, выпускаемых предприятиями ЗАО «Локомотив» (г.Ярославль), ООО «Пульс» (г. Геленджик), НПП «Мера» (г.Королев), ЗАО «Электроагрегат», (г. Курск), используются в составе измерительных комплексов ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров) при регистрации высокоскоростных импульсных процессов детонационного типа, при исследовании кавитационных процессов Институтом проблем машиноведения РАН (г. С. Петербург), в учебных лабораториях Института водных коммуникаций (г. С. Петербург) и др. Проведен первый этап проектирования ПДДД для системы контроля пульсаций давления в первом контуре охлаждения АЭС, на котором реализовано техническое решение с обеспечением двойного барьера герметизации во избежание утечек радиоактивной среды. Датчики применяются на предприятиях авиакосмической промышленности: в НИЦ ЦИАМ им. Баранова, СНТК им. Н. Д. Кузнецова для отработки новых двигателей, в ЦНИИМАШ (г. Королев) для исследований в интересах Международной Космической станции и др.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на на Всероссийской научно — технической конференции «Механометрика-2008» (Суздаль, 2008), 9-й международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика 2007», (г. Димитровград, 2007), 19-й Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (СГАУ, г. Самара), 14-й Международной научнопрактической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 без соавторов, 3 в журналах, признанных ВАК научными изданиями, 1 патент на изобретение.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрируется 97 рисунками, содержит 13 таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 108 наименований и приложения.

4.3 ВЫВОДЫ.

1. Предложен способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления с расширенным динамическим диапазоном. Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности изготавливаемых датчиков давления, линейности их характеристики, увеличение динамического диапазона и разрешения за счет уменьшения паразитной жесткости.

2. Разработаны основные технологические операции и освоен в производстве номенклатурный ряд ПДДД без встроенных усилителей с чувствительностью от 3 пКл/ бар до 400 пКл/ бар и со встроенными усилителями с чувствительностью от 20 мВ/бар до 2,5В/бар, резонансной частотой от 10 до 200 кГц, температурным диапазоном до 330 °C, линейностью характеристики 2%. Разработанные ПДДД имеют улучшенные эксплуатационных и метрологических характеристики в широком амплитудном диапазоне от 10 Па до 1000 МПа с динамическим диапазоном 128 дБ и разрешением не более 10 Па, обеспечением ресурса работы до 100 000 срабатываний в год.

3. При исследовании метрологических характеристик в области низких и сверхнизких давлений до 10 Па предложены методики калибровки с помощью калибратора звуковых давлений, а также методика вибрационной калибровки с применением пересчета инерционного воздействия элементов конструкции на чувствительных элемент в эквивалентную нагрузку давлением. Применение этих методов позволяет подтвердить нижнюю границу динамического диапазона разработанных ПДДД.

4. Ряд разработанных конструкций ПДДД прошли государственные сертификационные испытания и внесены в Государственный реестр средств измерений. Все разработанные ПДДД производятся серийно и применяются в различных отраслях промышленности в составе диагностических систем, систем мониторинга, для измерений параметров давления во взрывных нагружениях, а также применяются в исследовательских лабораториях для научных исследований (кавитационные процессы газов при вибрации, процессы в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах), для отработки современных технологий (магнитно-импульсной штамповки, и др.). Датчики используются для отработки конструкций ракетно-космической техники.

5. По результатам государственных сертификационные испытаний рекомендовано при выпуске из производства ПДДД при первичной поверке определять следующие метрологические характеристики: коэффициент преобразования, нелинейность амплитудной характеристики, неравномерность АЧХ и погрешность ПДДД в рабочих диапазонах измерений динамических давлений и частот.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен расчетно — экспериментальный анализ для проектирования ПДДД с оптимизацией конструктивных элементов, материалов и их свойств для реализации улучшенных эксплуатационных и метрологических характеристик в широком амплитудном диапазоне от 10 Па до 1000 МПа с динамическим диапазоном 128 дБ и разрешением не более 10 Па, обеспечением ресурса работы до 100 000 срабатываний в год.

2. Разработаны основные технологические операции и освоен в производстве номенклатурный ряд ПДДД без встроенных усилителей с чувствительностью от 3 пКл/ бар до 400 пКл/ бар и со встроенными усилителями с чувствительностью от 20 мВ/ бар до 2,5В/ бар, резонансной частотой от 10 до 200 кГц, температурным диапазоном до 330 °C, линейностью характеристики 2%.

3. Предложен способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления с расширенным динамическим диапазоном. Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности изготавливаемых датчиков давления, линейности их характеристики, увеличение динамического диапазона и разрешения за счет уменьшения паразитной жесткости.

4. При проектировании ПДДД основное рекомендовано обращать оптимизации упругого элемента — материала мембраны, ее параметров и способа ее соединения с корпусом.

5. Измерены истинные диаграммы деформирования сплава 36НХТЮ при температурах от 20 °C до 300 °C.Определены зависимости предела прочности, а в, предела текучести о 0,2, модуля упругости Е от температуры. С возрастанием температуры от от от 20 °C до 300 °C эти параметры уменьшаются на 8−10%. Представлены зависимости относительного удлинения 8 5, относительного сужения ц/ после разрыва от температуры. Относительное удлинение увеличивается с температурой на 5%, зависимость относительного сужения от температуры носит нелинейный характер, снижаясь на 5% при температурах до 150 °C и возвращаясь к исходному значению при температуре 300 °C. Применена методика построения истинных диаграмм деформирования путем пересчета машинных диаграмм, суть которого состоит в выделении из общей деформации системы «образец — машина» непосредственно деформации образца. Исследования проведены на испытательной машине INSTRON модели 1185 в температурном диапазоне от 20 до 300 °C.

6. Поскольку конструкция ПДДД испытывает динамическое воздействие, исследовано влияние скорости нагружения на прочностные свойства материала мембраны. На установке УТС 101 МГУПИ (НУЦ «Каскад») определялись зависимости прочностных свойств сплава 36 НХТЮ от скорости деформации в диапазоне 2−350 мм/мин, что соответствовало начальной скорости относительной деформации (1,1−10″ 3 — 1,9-Ю" 1) с" 1. Определены зависимости предела прочности ав, предела текучести а0,2, максимальной относительной деформации 8 тах и относительной деформации разрушения 5 разр от скорости деформации. В исследованной области прочностные и пластические свойства меняются незначительно в зависимости от скорости нагружения.

7. Для ПДДД с динамическим диапазоном до 250 бар в качестве материала мембраны был рекомендован сплав 12Х18Н10Т, обеспечивающий необходимую прочность на верхней границе динамического диапазона и линейность характеристики в области низких давлений. Для ПДДД с динамическим диапазоном до 2500 — 10 000 бар был рекомендован сплав 36НХТЮ.

8. Проведено моделирование конструкции ПДДД с диапазоном измеряемого давления до 2500 бар. В модель заложены экспериментально определенные механические характеристики материала мембраны (сплава 36НХТЮ), что позволило оптимизировать толщину мембраны с реализацией заложенной методики сборки датчика с улучшенными метрологическими характеристиками, а именно линейности и увеличенного динамического диапазона до 128 дБ. Показано, что учет экспериментально определенных механических характеристик материала мембраны существенно уточняет расчет.

9. Представлены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния мембраны (полные напряжения по Мизесу в наиболее нагруженных частях мембраны) при вариации толщины мембраны, а также распределение напряжений в кварцевых чувствительных элементах. Расчеты проведены в температурном диапазоне от 20 до 300 °C.

10. Исследовано влияние радиуса скругления жесткого центра в диапазоне 0,1−0,3 мм на напряжения в мембране и кварцевых чувствительных элементах. Показано, что уменьшение радиуса скругления до 0,1 мм несколько уменьшает напряжения на нижней поверхности мембраны. Рекомендованным значением является величина 0,3 мм.

11. Для рассматриваемой конструкции с мембраной из сплава 36НХТЮ рекомендована толщина мембраны 0,2 мм. При давлении опрессовки в 3000 бар максимальные напряжения в материале мембраны достигают величины 98 кГ/мм2, что превышает предел текучести (88 кГ/мм2), но менее предела прочности (116 кГ/мм2). В расчетном динамическом диапазоне до 2500 бар материал мембраны работает в упругой зоне.

12. Необходим контроль зависимости напряжения в кварцевых чувствительных элементах от давления в целях обеспечения линейности характеристики датчика в расчетном динамическом диапазоне.

13. По результатам анализа НДС конструкции в диапазонах температур от 20 до 300 °C рекомендовано вводить температурную поправку для расчетного значения чувствительности при температурах выше 100 °C в связи со снижением чувствительности на 8. 10%. Показано, что конструкция датчика работоспособна при температурах до 300 °C, температурный диапазон реализованной конструкции датчика составляет 250 °C и ограничивается другими материалами конструкции, в частности, фторопластом.

14. Исследовано распределение контактных давлений на границах кварцевых чувствительных элементов, которое практически не зависит от толщины мембраны. Существенно отличается распределение давлений в верхнем и нижнем чувствительном элементе, а следовательно и внутренних напряжений. С точки зрения равнопрочности конструкции желательно добиваться равномерного распределения напряжений в кварцевых чувствительных элементах.

15. Методом конечных элементов проведен модальный анализ конструкции ПДДД для различных толщин мембран. Рассчитаны первые шесть мод колебаний. Определена зависимость низшей собственной частоты датчика от толщины мембраны.

16. При исследовании метрологических характеристик в области низких и сверхнизких давлений до 10 Па предложены методики калибровки с помощью калибратора звуковых давлений, а также методика вибрационной калибровки с применением пересчета инерционного воздействия элементов конструкции на чувствительных элемент в эквивалентную нагрузку давлением. Применение этих методов позволяет подтвердить нижнюю границу динамического диапазона разработанных ПДДД.

17. Ряд разработанных конструкций ПДДД прошли государственные сертификационные испытания и внесены в Государственный реестр средств измерений. Все разработанные ПДДД производятся серийно и применяются в различных отраслях промышленности в составе диагностических систем, систем мониторинга, для измерений параметров давления во взрывных нагружениях, а также применяются в исследовательских лабораториях для научных исследований (кавита-ционные процессы газов при вибрации, процессы в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах), для отработки современных технологий (магнитно-импульсной штамповки, и др.). Датчики используются для отработки конструкций ракетно-космической техники.

18. По результатам государственных сертификационных испытаний рекомендовано при выпуске из производства ПДДД при первичной поверке определять следующие метрологические характеристики: коэффициент преобразования, нелинейность амплитудной характеристики, неравномерность АЧХ и погрешность ПДДД в рабочих диапазонах измерений динамических давлений и частот.