Резонансные сенсоры давления и датчики давления на их основе

Известно, что частота свободных колебаний струны музыкального инструмента зависит от длины струны и степени её натяжения.

Это свойство можно использовать для построения сенсора, чувствительного к величине прикладываемого давления.

Устройство, основанное на этом принципе, показано на следующем рисунке:

Компания Foxboro использовала данный принцип преобразования давления в частоту в своем раннем резонансном проводном датчике давления.

Позже, корпорация Yokogawa Японии применила кремниевый микрорезонатор в качестве сенсора, ставший основанием для их успешной линии датчиков давления «DPharp».

Фотография датчика давления Yokogawa модель EJA110 с использованием данной технологии:

Давление процесса поступает через порты в двух фланцах, воздействует на пару разделительных диафрагм, сообщая движение чувствительной диафрагме через заполняющую жидкость, где резонансные элементы изменяют свою частоту колебаний с изменением деформации диафрагмы. Электронный блок, находящийся в верхнем корпусе, преобразует изменение частоты резонаторов в стандартный выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению.

Это, конечно, датчик дифференциального (разностного) давления. Даже когда датчик разобран частично, он не выглядит очень отличимым от датчика на основе дифференциального конденсатора:

Существенные отличия скрыты от наблюдателя внутри капсулы сенсора, хотя, функционально этот датчик является почти таким же, как его кузен на основе дифференциального конденсатора. В нём так же используются заполняющая жидкость и разделительные диафрагмы, чтобы защитить тонкие кремниевые резонаторы от потенциально разрушительных жидкостей и газов процесса, и от воздействия сверхдавлений.

Интересное преимущество резонансного элемента сенсора давления состоит в том, что сигнал сенсора очень легко преобразовать в цифровую форму. Вибрация каждого резонансного элемента воспринимается пакетом электроники как переменный ток «подсчитана» по заданному промежутку времени и преобразована в цифровой вид. Кварцевый кристалл электронного генератора чрезвычайно точен, обеспечивает стабильный эталон частоты, необходимый для задания промежутка времени для подсчета количества периодов измеряемой частоты.

В проекте Yokogawa «DPharp», два резонансных элемента колеблются с номинальной частотой 90 кГц. Поскольку чувствительная диафрагма деформируется под действием приложенного дифференциального давления, один резонатор испытывает растяжение, а другой сжатие. Частота резонаторов при этом изменяется в разных направлениях в пределах до 20 кГц.

Электроника датчика определяет эту разницу в частоте двух резонаторов, преобразуя её в стандартный сигнал, пропорциональный давлению процесса.