1.1.4 Пьезоэлектрические датчики

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 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 пьезо-керамического 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 (>350), тангенсу угла диэлектрических потерь (<0,01).

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 эксплуатационных характеристик резонансных сигнализаторов уровня специалисты филиала НИИФИ (Ростов-на-Дону) разработали конструкцию монолитного многослойного пьезопреобразователя В нем на торцевых поверхностях двух пьезоактивных элементов расположены изоляторы. Пьезоэлементы электрически соединены параллельно друг с другом гибкими проволочными выводами из стали марки 18х12Н10Т, 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; [10]