CC BY
207
УДК 681.586
В. Е. ШИКИНА
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКА МАССОВОГО РАСХОДОМЕРА ЖИДКОСТИ
Рассматриваются вопросы выбора материала первичного преобразователя для измерения массового расхода жидких сред и основные этапы его изготовления.
Ключевые слова: первичный преобразователь для массового расходомера, пьезокерамические материалы, пьезоэлемент, цирконат-титаната свинца, поляризация.
При измерении расхода жидких сред в различных областях промышленности кроме традиционных объёмных расходомеров применяются массовые расходомеры, которые являются более точными, поскольку учитывают плотность протекающей жидкости.
Целью работы являлось исследование датчика, совершающего изгибные колебания, частота которых меняется при изменении скорости течения жидкости, её плотности и вязкости. Датчик имеет форму полого цилиндра, являющегося частью общего трубопровода, внутри которого протекает измеряемая среда. В качестве материала цилиндра используется пьезоэлектрический материал с нанесёнными на поверхность электродами для возбуждения требуемых колебаний.
Как известно, пьезоэлектрические материалы применяются в устройствах, преобразующих механические воздействия в электрические сигналы (с использованием прямого пьезоэффекта), электрические сигналы в механические (с использованием обратного пьезоэффекта), электрические сигналы в электрические (с последовательным использованием обратного и прямого пьезоэффектов).
В настоящее время все существующие пьезоэлектрические материалы условно разбивают на три группы:
1) пьезоэлектрические монокристаллы(кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сегнетова соль, ниобат лития, силикоселенит и германосе-ленит);
2) пьезоэлектрическая керамика;
3) полимерные PVDF плёнки.
Из пьезоэлектрических материалов первой группы применяются лишь некоторые кристаллы, например кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими
© Шикина В. Е., 2013
потерями. Однако, рассматривая возможности использования кварца в качестве материала для-датчика расходомера жидкости, следует сказать, что влажность оказывает на него сильное влияние. Во влажной среде имеет место взаимодействие влаги с электродными покрытиями и контактными соединениями элемента, вследствие коррозии и разрушения которых могут происходить частичные или полные его отказы. Кроме влажности на изменение параметров кварцевого пьезоэлемента оказывают влияние механические воздействия. Изменения частоты в зависимости от интенсивности механических воздействий могут носить как обратимый, так и необратимый характер. Все эти недостатки кварца являются особенно критичными в условиях применения его в качестве материала для датчика расхода жидкостей. Поэтому кварц из рассмотрения следует исключить.
Что касается полимерных плёнок (третья группа), то рассматривать их в качестве материала для датчика расхода следует в перспективе как возможность наложения такой плёнки на участок готового трубопровода и исследовать подобную конструкцию, поскольку таких исследований ещё не проводилось. Поэтому окончательный выбор сделан в пользу пьезокерамики, которая является нечувствительной к влажности и свойства которой наиболее изучены на данный момент.
Пьезокерамические материалы (вторая группа) представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твёрдые растворы.
В зависимости от назначения пьезокерамические материалы подразделяются на четыре класса (таблица 1):
1) для высокочувствительных пьезоэлемен-тов, работающих в режимах приёма и излучения;
2) для пьезоэлементов, работающих в режимах приёма и (или) излучения при воздействии сильных электрических полей и (или) механических напряжений;
3) для пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью частотных характеристик в заданном интервале температур и во времени
Таблица 1
Классификация пьезокерамических материалов
Марка материала Основные химические компоненты Рекомендуемая рабочая температура, °С Точка Кюри, °С Класс
минимум максимум
ТБ-1 Титанат бария -60 +60 110 1
ЦТС-19 Цирконат-титанат свинца -60 +200 290
ТБК-3 Титанат бария-кальция -60 +60 105 2
ЦТБС-3 Цирконат-титанат бария-свинца -60 +85 180
НБС-1 Ниобат бария-свинца -60 +150 245
ЦТССт-1 Цирконат-титанат свинца-стронция -60 +85 260
ЦТС-24 Цирконат-титанат свинца -60 +150 270
ЦТС-23 Цирконат-титанат свинца -60 +150 275
ТБКС Титанат бария-кальция-свинца -60 +85 150 3
ЦТС-35 Цирконат-титанат свинца -60 +85 300
ЦТС-28 Цирконат-титанат свинца -60 +85 330
НБС-3 Ниобат бария-свинца -60 +150 250
ЦТС-22 Цирконат-титанат свинца -60 +200 320
ЦТС-21 Цирконат-титанат свинца -60 +300 400 4
для частотно-селективных устройств на объёмных волнах;
4) для элементов, работающих при температурах выше 250°С и обладающих повышенной стабильностью пьезоэлектрических характеристик в заданном интервале температур или механических напряжений.
Общими ограничениями для практического применения пьезокерамического материала являются температура точки Кюри, нелинейность параметров при конечных электрических и механических напряжениях.
Исходя из условий эксплуатации, более предпочтительными могут считаться первый и второй классы материалов.
К наиболее разработанным пьезокерамиче-ским материалам следует отнести титанат бария (ТБ) и цирконат-титаната свинца (ЦТС).
Титанат бария имеет низкую температуру точки Кюри, небольшой диапазон рабочих температур, нестабильность характеристик. По сравнению с керамикой ЦТС её пьезоэлектрические свойства выражены слабее. Модифицированная керамика на основе титаната бария также не имеет широкого применения, так как суще не имеет широкого применения, так как существуют другие составы. Следовательно, данная пьезокерамика не подходит для изготовления первичного преобразователя расходомера в первую очередь по причине нестабильности характеристик. Таким образом, необходимо использовать пьезокерамику ЦТС, которая изна чально имеет большее практическое применение.
Среди модификаций цирконата-титаната свинца наиболее используемой в различных от-
раслях и универсальной является ЦТС-19, которая относится к первому классу, имеет широкий рабочий диапазон температур и высокое значение температуры точки Кюри.
Среди материалов второго класса наиболее предпочтительными можно считать ЦТС-23 и ЦТС-24, использующиеся для изготовления пье-зоэлементов, работающих в воде или других жидкостях с аналогичными механическими свойствами. Данные модификации имеют одинаковый диапазон рабочих температур, но ЦТС-23 имеет несколько большее значение точки Кюри. Механическая добротность ЦТС-23 по сравнению с ЦТС-24 в 1,5 раза выше, что можно сказать и о чувствительности.
Таким образом, в качестве материала для первичного преобразователя могут рассматриваться ЦТС-19, 23 и 24. Однако ЦТС-19 относится к сегнетомягким материалам, а ЦТС-23 и ЦТС-24 - к сегнетожёстким. Жёсткость материала определяет возможность и качество его поляризации, следовательно, ЦТС-19 поляризовать с получением хорошего результата проще. Пористость материала «5%, поры закрытые, жидкости не впитываются. Поэтому окончательный выбор материала для данных условий сделан в пользу цирконата-титаната свинца ЦТС-19. Этот выбор подтверждается специалистами по изготовлению пьезокерамики одной из ведущих организаций России в данной области ОАО «НИИ «Элпа» с опытным производством» (г. Зеленоград).
Итак, в общем виде конструкция первичного преобразователя расходомера представляет собой полый цилиндр, являющийся участком действующего трубопровода (рис. 1).
Система из четырёх входных электродов, расположенных на концах цилиндра, обеспечивает при подаче рабочего напряжения изгибные колебания преобразователя, которые усиливаются при протекании жидкости внутри конструкции. Два выходных электрода, расположенных в центре цилиндра, могут иметь квадратную или круглую форму и служат для получения частотного выходного сигнала, пропорционального массовому расходу протекающей жидкости.
На основе проведённых исследований созданы экспериментальные образцы, которые были изготовлены в ОАО «НИИ «Элпа». На рис. 2 показаны образцы с разных сторон, на которых присутствуют только входные электроды.
Рис. 1. Внешний вид первичного преобразователя массового расходомера
Рис. 2. Экспериментальные образцы
Входные электроды (4 шт.) наносятся на внешнюю поверхность с захватом торцов, чтобы удобнее было проводить поляризацию. При необходимости с торцов электроды после поляризации можно полностью удалить. Электроды наносятся серебросодержащей пастой тонкой кисточкой, затем вжигаются в печи. После вжи-гания(через 24 часа) проверяется качество нанесённых электродов и измеряются их характеристики: ёмкость С0 и tgS.
Процесс поляризации образцов для получения в них изгибных колебаний является довольно сложным и проходит в два цикла: сначала поляризуется одна пара электродов (по длине цилиндра), затем другая в обратном направлении.
После проведения первого цикла поляризации измеряются те же характеристики, а также пье-зомодуль й33 с положительной и отрицательной сторон. После поляризации ёмкость образцов, как правило, увеличивается примерно на 30%, tgS уменьшается.
Экспериментальные исследования показали, что в среднем по образцам пьезомодуль равен 400. Со стороны, не подвергшейся поляризации,
значение пьезомодуля теоретически должно быть равно 0, однако при измерении были получены значения порядка 200. Это означает, что вторая половина тоже слабо заполяризовалась.
После второй поляризации в очередной раз измеряются все перечисленные характеристики. Эксперименты показали, что пьезомодули практически выравниваются с обеих сторон и имеют значения порядка 360. Это говорит о том, что, во-первых, поля пересеклись и в центре цилиндра при наличии выходных электродов можно регистрировать выходной сигнал, и во-вторых, полученные образцы обладают сильными пьезоэлектрическими свойствами, что немаловажно при использовании их в качестве первичных преобразователей для расходомера жидкостей.
Центральные (выходные) электроды наносятся после проведения поляризации, поскольку в противном случае образец при поляризации может разорвать внутренним напряжением. Способов нанесения данных электродов может быть несколько: тонкой кисточкой серебросодержа-щим контактолом либо приклеванием электродной площадки специальным клеем через контак-тол для увеличения чувствительности.
В заключение следует отметить, что на кафедре «Измерительно-вычислительные комплексы» для подтверждения теоретических выводов были проведены исследования экспериментальных образцов с помощью проливной установки при протекании с разными скоростями жидкостей, имеющих разные плотности и вязкости. Полученные результаты полностью подтвердили возможность использования в составе массового расходомера подобных первичных преобразователей, изготовленных из пьезокерамики ЦТС-19 и поляризованных соответствующим образом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ОСТ 11 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. - М., 1988.
2. Шарапов, В.М. Пьезоэлектрические датчики / В. М. Шарапов, М. П. Мусиенко, Е. В. Шарапова; под ред. В. М. Шарапова. - М. : Техносфера, 2006.
3. Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе; пер. с англ. - М. : Мир, 1974.
4. http://www.elpapiezo.ru/Catalogs/Catalog of piezoceramic.pdf (дата обращения: 20.09.2013).
Шикина Виктория Евгеньевна, старший преподаватель кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Область научных интересов - первичные преобразователи для массовых кориолисовых расходомеров жидкости.
