датчик давления

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента, в центральной его части, металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепка с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране, отличающийся тем, что дополнительно введены первый пневматический канал в виде сообщающихся пневматического фильтра и дросселя, выполненных соответственно в форме вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания и заполненного фильтрующим материалом, например войлоком, и дросселя в виде горизонтального цилиндрического канала малого диаметра, второй пневматический канал в виде сообщающихся вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, часть которого заполнена фильтрующим материалом, и горизонтального цилиндрического канала с уравнительным подпружиненным клапаном в виде цилиндра с кольцевой проточкой по его поверхности и нажимной головкой, причем вход пневматического фильтра и вход второго пневматического канала сообщаются с входным отверстием корпуса, выход дросселя и выход второго пневматического канала сообщаются с объемом, ограниченным стенками, донной частью основания и внутренней поверхностью мембраны, а этот объем сообщается с входным отверстием корпуса через второй пневматический канал посредством уравнительного клапана в момент приведения датчика в исходное состояние.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления с частотным выходом, и может быть использовано в медицине для измерения давления пульсовой волны (динамического давления) при проведении сфигмографических исследований сердечно-сосудистой системы человека.

Известен пьезорезонансный датчик давления, содержащий корпус с металлической мембраной и дисковый кварцевый пьезоэлемент АТ-среза, установленный параллельно мембране с образованием зазора и снабженный электродом на поверхности, противоположной мембране [1].

Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная гистерезисом датчика из-за несовершенства крепления металлической мембраны к корпусу, а также высокой погрешностью установки начального зазора между мембраной и кварцевым пьезоэлементом.

Известен датчик давления, содержащий корпус, плоскую или гофрированную мембрану с жестким центром, выполненную из электропроводного материала, и дисковый плосковыпуклый кварцевый пьезоэлемент АТ-среза, обращенный плоской поверхностью к плоскости мембраны и снабженный электродом на выпуклой поверхности [2].

Основным недостатком этого устройства также является невысокая точность, обусловленная погрешностью установки начального зазора и сложностью установки плосковыпуклого кварцевого пьезоэлемента параллельно мембране. Кроме этого, при использовании данного пьезоэлемента существенно уменьшается разрешающая способность датчика за счет того, что емкостное отношение m плосковыпуклого пьезоэлемента на первой механической гармонике в 2.3 3.2 раза меньше, чем у плоского, причем это снижение тем больше, чем больше кривизна сферы линзы. Следовательно, информативная девиация частоты

и крутизна характеристики преобразования

данного датчика во столько же раз меньше, чем в датчике с плоским кварцевым пьезоэлементом [3], для которого

и f₀ - текущее и номинальное значения частоты датчика соответственно;

X=Х₀-Х _М, Х₀ и Х_М - текущий, начальный зазор между мембраной и кварцевым пьезоэлементом и ход мембраны под действием измеряемого давления;

- параметр кварцевого пьезоэлемента, его толщина и диэлектрическая проницаемость соответственно .

Соответственно и существенно уменьшается разрешающая способность датчика

где _f - ширина области вариации значений выходной частоты датчика при фиксированном измеряемом давлении (абсолютная нестабильность частоты автогенераторного измерительного преобразователя).

В силу этих факторов значительно возрастает вклад дополнительных погрешностей в полную погрешность измерения динамического давления пульсовой волны. Для получения приемлемого значения информационной девиации частоты необходимо в 2 3 раза уменьшить величину Х₀ с одновременным увеличением максимального значения хода мембраны X_Mmax , что делает устройство [2] практически неработоспособным.

В качестве устройства-прототипа выбран датчик давления, содержащий корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента, в центральной его части, металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепка с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране [4].

Недостатком устройства-прототипа является недостаточная разрешающая способность датчика при измерении динамического (пульсового) воздушного давления во время проведения сфигмографических исследований сердечно-сосудистой системы человека.

Это объясняется тем, что при снятии объемной сфигмограммы в окклюзионной манжете необходимо поддерживать постоянное (статическое) избыточное воздушное давление, близкое к среднему артериальному (для практически здоровых людей в состоянии покоя эта величина составляет P_СР=80 90 мм рт.ст.), а амплитуда информативной переменной (динамической) составляющей воздушного давления Р_~, отображающей сфигмографический сигнал, обычно не превышает 1 1,5 мм рт.ст. [5, 6].

Весьма существенно, что величина P_СР не является информативным параметром сфигмометрических исследований, а задание такого постоянного давления в окклюзионной манжете лишь обеспечивает получение максимальной амплитуды сфигмосигнала Р_~ при минимальном искажении его формы. При игнорировании же данного обстоятельства возникает необходимость начальной настройки датчика для обеспечения возможности измерения как статического, так и динамического воздушного давления в диапазоне P [0, P_СРmax], где P_СРmax (1,5-2)P_СР - максимально возможное значение среднего артериального значения с учетом патологических изменений в организме и возможности проведения сфигмографических исследований при воздействии физической нагрузки. Такая настройка соответствует градуировочной характеристике (1) при величине начального зазора порядка X₀=60 65 мкм и эффективной области рабочих изменений значений зазора X=Х₀-X_M от 0 до 55 60 мкм. Начальная крутизна такой градуировочной характеристики определяется выражением (2), а ее типовые значения приведены в таблице 1.

Таблица 1 Типовые значения крутизны градуировочной характеристики
	f0, МГц	X, мкм
0	10	20	30	40	60	80	100	200
SFx, 10-6/мкм	1	8,5	8,06	7,65	7,27	6,92	6,29	5,75	5,27	3,58
5	42,5	33	26,3	21,5	17,9	13	9,8	7,7	3,1
10	85	52,7	35,8	25,9	19,6	12,4	8,5	6,2	2,07
30	262	78	36,9	21,4	14	7,3	4,5	3	0,84

Анализ данных показывает, что для плоского кварцевого пьезоэлемента с номинальной частотой f₀=10 МГц при величине начального зазора порядка X₀=60 65 мкм крутизна S_F не превышает значений (12,4 10,8)×10^-6/мкм. Это ограничивает эффективность использования градуировочной характеристики датчика при измерении переменной (информационной) составляющей воздушного давления в окклюзионной манжете. В то же время компенсация постоянной составляющей окклюзионного давления позволяет уменьшить величину Х₀ до 10 15 мкм, что, в свою очередь, приводит более чем к четырехкратному увеличению крутизны S_F (до значений (52,7 44,2)×10^-6/мкм), а следовательно, в соответствии с (4), и разрешающей способности датчика, значительно повышая тем самым эффективность определения информационной (динамической) составляющей давления при сфигмографических исследованиях.

В основу изобретения поставлена задача повышения разрешающей способности при измерении динамического воздушного давления.

Поставленная задача повышения разрешающей способности решается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента, в центральной его части, металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепку с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране, согласно предлагаемому изобретению в него дополнительно введены первый пневматический канал в виде сообщающихся пневматического фильтра и дросселя, выполненных соответственно в форме вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, заполненного фильтрующим материалом, например войлоком, и дросселя в виде горизонтального цилиндрического канала малого диаметра, второй пневматический канал в виде сообщающихся вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, часть которого заполнена фильтрующим материалом, и горизонтального цилиндрического канала с уравнительным подпружиненным клапаном в виде цилиндра с кольцевой проточкой по его поверхности и нажимной головкой, причем вход пневматического фильтра и вход второго пневматического канала сообщаются с входным отверстием корпуса, выход дросселя и выход второго пневматического канала сообщаются с объемом, ограниченным стенками, донной частью основания и внутренней поверхностью мембраны, а этот объем сообщается с входным отверстием корпуса через второй пневматический канал посредством уравнительного клапана в момент приведения датчика в исходное состояние.

На фиг.1 показан предлагаемый датчик давления. Здесь введены следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - основание; 3 - пьезоэлемент; 4 - заклепка; 5 - упругий элемент; 6 - кварцедержатель; 7 - вывод датчика; 8 - опорное кольцо; 9 - регулировочный винт; 10 - мембрана; 11 - прижимная гайка; 12 - уплотнительное кольцо; 13 - сообщающиеся вертикальный и горизонтальный каналы; 14 - втулка; 15 - цилиндр с кольцевой проточкой; 16 - нажимная головка; 17 - дроссель; 18 - герметизирующий компаунд; 19 - пневматический фильтр; 20 - фильтрующий материал; 21 - фиксирующая планка.

На фиг.2 представлена пневматическая схема датчика давления, где K1 и K2 - первый и второй пневматические каналы; V_K1, V_K2 - объемы первой и второй камеры; R_Ф, R_др - пневматические сопротивления фильтра и дросселя; ПЭ - пьезоэлемент; М - мембрана; УК - уравнительный клапан; X - перемещение мембраны; Р_K1 и Р_K2 - давления в объемах V_K1 и V_K2;

Р₀+P_~ - суммарное давление.

На фиг.3 приведены амплитудно-частотные характеристики датчика давления в зависимости от высоты фильтрационной камеры h _ФК для двух значений длины дросселя l_др: а) l_др=1 мм; б) l_др=5 мм.

Предложенный датчик давления (фиг.1) состоит из полистиролового корпуса 1, содержащего штуцер и шесть установочных штырей, обеспечивающих механическое закрепление датчика на монтажной плате. С помощью клея корпус 1 соединен с металлическим (материал Д16) основанием 2.

Между верхней проточкой основания 2 и прижимной гайкой 11 установлено уплотнительное кольцо 12. На выступ основания 2 у донной его части установлен узел кварцедержателя, содержащий соосно соединяемые заклепку с цилиндрической головкой 4, упругий элемент 5 в виде плоской круглой пружины - прорезной шайбы, кварцедержатель 6. Элементы 4, 5, 6 жестко соединены развальцовкой оконечной части заклепки 4. Упругий элемент 5 выполнен из сплава 36НХТЮ. На рабочую поверхность кварцедержателя 6 с помощью клея соосно с кварцедержателем установлен плоский дисковый пьезоэлемент 3 АТ-среза, на поверхность, обращенную к кварцедержателю 6, которого напылен круглый электрод, соединенный электрически с потенциальным выводом датчика 7, выполненным из провода ПЭЛШО - 0.25 и выведенным наружу датчика через герметичное отверстие в донной части основания 2 через отверстия в кварцедержателе 6 и упругом элементе 5.

Упругий элемент 5 защемлен по контуру между выступом основания 2 и металлическим опорным кольцом 8 усилием, создаваемым прижимной гайкой 11 и осуществляющим одновременно защемление по контуру и мембраны 10. Усилие защемления как упругого элемента 5, так и мембраны 10 образуется при перемещении прижимной гайки 11 по ее резьбовому соединению с основанием 2 и передается на мембрану 10 - опорное кольцо 8 - упругий элемент 5 - основание 2 поверхностью выступа прижимной гайки 11. В центре этой гайки имеется сквозное отверстие для передачи воздуха, а также два глухих отверстия под торцевой ключ.

Величина начального зазора устанавливается регулировочным винтом 9, механически контактирующим своей сферической оконечной частью с плоской частью головки заклепки 4 и установленным в резьбовое отверстие в центре донной части основания 2, а образовавшееся резьбовое соединение герметизировано после окончания настройки компаундом 18.

В боковых стенках основания 2 путем сверления сформированы два пневматических канала: первый состоит из сообщающихся пневматического фильтра 19 (вертикального канала, заполненного фильтрующим материалом) и дросселя 17; второй - из сообщающихся вертикального и горизонтального каналов 13, один из которых (вертикальный) также частично заполнен фильтрующим материалом 20, образуя фильтр малой плотности с пренебрежимо малым пневмосопротивлением. В качестве фильтрующего материала пневматических каналов выбран войлок. Наличие фильтрующего материала в обоих пневматических каналах позволяет устранить загрязнение пьезоэлемента тальком и другими механическими примесями, которые присутствуют в окклюзионной манжете.

Второй пневматический канал содержит уравнительный клапан в виде подпружиненного цилиндра с кольцевой проточкой 15, нажимной полистироловой головкой 16 и фиксирующей планкой 21, которые закреплены при помощи клея в данной части основания 2.

После окончательной сборки датчика пневматические каналы и потенциальный вывод герметизируются при помощи компаунда 18 и втулки 14.

В донной части основания 2 имеется три технологических глухих отверстия с резьбой, предназначенных для фиксации основания в процессе сборки датчика.

Собранный датчик устанавливается в отверстие в печатной плате прибора: большое - по диаметру основания 2 и шесть малых - по диаметру крепежных штырей. Поверхность наружного выступа основания 2 выполняет роль корпусного электрода датчика и контактирует с корпусной шиной на печатной монтажной плате прибора.

Принцип работы заявляемого датчика состоит в следующем (фиг.2). Суммарное давление P =P₀+P_~, где Р₀ - постоянная (медленноменяющаяся) и Р_~ - переменная (информативная) составляющие, подается через войлочный фильтр с пневмосопротивлением R_Ф и пневмодроссель, сопротивление которого P_др, по первому пневматическому каналу датчика K1 в камеру давления мембранного преобразователя с объемом V _K1. Параметры фильтра, дросселя и камеры V_K1 выбраны таким образом, что представляют собой пневматический фильтр нижних частот (ПФНЧ), давление с выхода которого Р _K1=K_Ф(f)·Р , где K_Ф(f) - передаточная функция ПФНЧ, поступает на гофрированную мембрану 10 (М). Течение газа считается изотермическим.

По второму пневматическому каналу К2 давление P подается в камеру с объемом V_K2. Мембрана М выполняет функцию вычитания давлений и разностное давление, действующее на нее, равно P=Р_K2-Р_K1. Параметры ПФНЧ выбраны таким образом, что он полностью подавляет переменную составляющую P_~ суммарного давления P , пропуская на выход только его постоянную и медленноменяющуюся составляющую Р₀:

Р_K1=K _Ф(f)·P =K_Ф(f)·P₀+K_Ф (f)·P_~=P₀, так как K_Ф(f)·P _~ 0.

Таким образом, в процессе работы данного устройства, происходит компенсация постоянной (медленноменяющейся) составляющей давления окклюзионной манжеты Р=Р_K2-Р_K1=Р₀+P_~ -Р₀=P_~ что в целом позволяет представить передаточную характеристику датчика в диапазоне рабочих частот в виде пневматического фильтра верхних частот (ПФВЧ). Разностное давление Р преобразуется в перемещение мембраны X, модулирующее емкость зазора пьезоэлемента, что вызывает информативное изменение частоты датчика только от динамического давления Р_~ .

Для приведения датчика в исходное состояние перед началом измерений служит уравнительный клапан (УК), который в открытом состоянии уравнивает давления Р_K1 и Р _K2 в объемах V_K1 и V_K2.

Определим основные соотношения для расчета параметров пневматических каналов. Частота среза ПФВЧ определяется выражением [7]

где - пневмоемкость фильтрационной камеры V_K1;

R =R_Ф+R_др - суммарное пневматическое сопротивление;

, D_ФК и h_ФК - высота и диаметр фильтрационной камеры;

- газовая постоянная;

Т - температура газа (воздуха).

Сопротивление тканевого фильтра определяется как

где - перепад давления на тканевом фильтре;

- скорость движения воздушного потока через фильтр;

- площадь сечения отверстия тканевого фильтра,

d_Ф - диаметр отверстия тканевого фильтра.

Для материала тканевого фильтра войлок:

и

для

Сопротивление дросселя равно [7]

где l_др, d_др - длина и диаметр дросселя;

- плотность воздуха при нормальных условиях, =1,205 кг/м³;

=А+B·Т - динамический коэффициент вязкости газов;

А, B - постоянные коэффициенты (для воздуха А=37,4×10 ^-7 Па·с, В=0,506×10^-7 Па·с);

При нормальных условиях (Т=293 K) динамический коэффициент вязкости воздуха =0,186×10^-4 Па·с [7].

Частота среза ПФВЧ определяется спектром сфигмографических сигналов - (0,036 60) Гц [5, 6] и составляет приблизительно f_ср 0,03 Гц. Основываясь на выбранной частоте среза, с учетом реального размера D_ФК=40 мм и полученного сопротивления тканевого фильтра R_Ф=8,32·10¹⁰ Па·с/м ³, определим в соответствии с (5-7) конструкционные параметры дросселя (диаметр d_др и длину l_др) и высоту фильтрационной камеры h_ФК (таблица 2, 3 и фиг.3).

Анализ полученных данных показывает, что существенное влияние на частоту среза f_ср оказывает высота фильтрационной камеры h_ФК (таблицы 2, 3). Для d _р 0,1 мм сопротивление дросселя R_др существенно зависит от l_др и должно учитываться при расчете ПФВЧ (фиг.3а, б). В то же время для d_др=(0,2 1) мм и l_др=(1 10) мм сопротивление дросселя R_др намного меньше сопротивления тканевого фильтра R_Ф>>R_др и может не учитываться при расчете суммарного сопротивления R . В этом случае параметры ПВФЧ определяются в основном высотой фильтрационной камеры h_ФК (таблица 3).

Таким образом, предлагаемая конструкция ПФНЧ с последовательным соединением R_Ф и R_др позволяет варьировать параметры дросселя в зависимости от технологических возможностей производства и реализовывать его без применения специальной капиллярной технологии.

Таблица 2 Выбор геометрических размеров элементов ПФВЧ
hФК, мм	fср, Гц
lдр, мм при dдр=0,1 мм
1	2,5	5	10
1	0,11	0,107	0,093	0,073
2	0,0595	0,0539	0,0465	0,0365
3	0,0397	0,0359	0,031	0,0243
4	0,0298	0,0269	0,0232	0,0182
5	0,0238	0,0215	0,0186	0,0146
10	0,0119	0,0108	0,0093	0,0073

Таблица 3
Выбор высоты фильтрационной камеры при dдр=(0,2 1) мм и lдр=(1 10) мм
hФК, мм	1	2	3	4	5	10
fср, Гц	0,128	0,064	0,0427	0,032	0,0256	0,0127

Приведенные расчеты подтверждают возможность повышения разрешающей способности заявляемого датчика при измерении динамического воздушного давления (более чем в 4 раза по сравнению с известными устройствами) путем введения предлагаемых конструктивных решений при обеспечении его серийной пригодности даже на предприятиях с относительно невысоким уровнем технической оснащенности.

Заявляемая конструкция, кроме того, позволяет устранить дрейф линии нулевого уровня, возникающий при медленном изменении давления в окклюзионной манжете при объемной сфигмографии и изменения давления в воронке, вызванном непостоянством усилия прижатия ее к артерии, при локальной сфигмометрии. Благодаря этому обеспечивается повышение достоверности сфигмометрического диагностирования состояния сердечно-сосудистой системы компьютерными методами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вильщук В.А., Фроловский СИ. Пьезорезонансные датчики с переменным зазором. // Пьезо и акустоэлектронные устройства. - Омск: ОМПИ, 1981, с.102-105.

2. А.с. СССР № 1326921 G01L 11/00, 9/8. Пьезорезонансный датчик давления. / Ю.С.Шмалий и др. - Опубл. в Б.И. № 28, 1987.

3. Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генереторов. - М.: Связь, 1975, с.17.

4. Пат. 2098783 России, МКИ G01L 9/08, 9/12. Датчик давления. / Ф.Ф.Колпаков, Г.Л.Хильченко, С.К.Пидченко. // Бюл. - 1997. - 34.

5. Терехова Л.Г. Практические вопросы сфигмографии. - Л.: Медицина, 1968. - 119 с.

6. Сфигмография при гемодинамических измерениях в организме. - Рига: Зинатне, 1976. - 168 с.

7. Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами. - М.: Химия, 1970. - 320 с.