ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерительным преобразователям статического и быстроменяющегося давления.

Известны датчики давления с чувствительным к усилию давления элементом в виде мембраны и тензорезистивным преобразователем усилия давления в электрический сигнал [1]
Такой датчик выдает аналоговый выходной сигнал, затрудняющий его применение с цифровыми устройствами обработки информации.

Частотный выходной сигнал обеспечивается в датчике давления с преобразователями поверхностных акустических волн (ПАВ), выбранном в качестве прототипа и содержащем корпус со штуцером, мембрану, расположенную в соединенной со штуцером камере в корпусе, линии задержки на поверхностных акустических волнах, расположенные на мембране и имеющие входные и выходные встречно-штыревые преобразователи (ВШП), ПАВ-автогенераторы, каждый из которых образован включением усилителя между входным и выходным ВШП каждой линии задержки, блок вычитания частот [2]
Недостатком этого датчика давления является ограниченная точность измерения, вызванная малым изменением частот ПАВ-автогенераторов вследствие наличия допустимого предела деформации мембраны и низкого коэффициента тензочувствительности ПАВ-преобразователей.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель реализуется в датчике давления, имеющем корпус со штуцером, мембрану, расположенную в соединенной со штуцером камере в корпусе, линии задержки на поверхностных акустических волнах с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, ПАВ-автогенераторы, каждый из которых образован включением усилителя между входным и выходным встречно-штыревым преобразователем каждой линии задержки, блок вычитания частот, тем, что после мембраны по другую сторону от штуцера установлена неподвижная пластина, на каждой стороне которой образована линия задержки, на стороне мембраны, обращенной к стороне неподвижной пластины с одной из линий задержки, в области расположения линии задержки выполнен металлизированный участок длиной не более акустической длины линии задержки, расстояние между обращенными друг к другу линией задержки на неподвижной пластине и металлизированным участком на мембране составляет не более четверти длины ПАВ, в датчик давления введены формирователи импульсов, каждый из которых соединен своим входом с выходом соответствующего ПАВ-автогенератора, а выходом с одним из входов блока вычитания частот.

В дальнейшем развитии этого датчика давления на обеих сторонах неподвижной пластины образованы резистивные обогреватели, введены управляющий генератор, регистр и цепь из последовательно соединенных счетчика-регистра, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика и электронного ключа, к которому подключены резистивные обогреватели, причем вход счетчика-регистра подключен к выходу формирователя импульсов, соединенного с ПАВ-автогенератором на линии задержки на стороне неподвижной пластины, расположенной по другую сторону от мембраны, выход регистра подключен к второму входу блока вычитания кодов, знаковый и кодовый выходы которого соединены соответственно с разрешающим и информационными входами реверсивного счетчика, управляющий генератор соединен своими выходами с вторым и третьим входами счетчика-регистра, с разрешающим входом блока вычитания кодов, с входом обнуления и счетным входом реверсивного счетчика.

В усовершенствованном варианте датчика давления на мембране выполнен дополнительный резистивный обогреватель, подключенный к выходу электронного ключа.

При выполнении на мембране металлизированного участка, размещении линии задержки на неподвижной пластине на ее стороне, прилежащей к мембране, на расстоянии не более четверти длины волны ПАВ обеспечивается изменение фазового набега, а следовательно, и частоты ПАВ-автогенератора не за счет тензоупругих взаимодействий акустической длины линии задержки, а за счет шунтирования металлизированным участком мембраны электрического поля пьзоэлектрика в области расположения линии задержки, возникающего при прохождении ПАВ. При одинаковой величине деформации мембраны изменение частоты ПАВ-автогенератора за счет эффекта шунтирования электрического поля по крайней мере на два порядка больше изменения частоты, вызванного суммарным действием акустической линии длины задержки и тензоупругих взаимодействий.

Большее изменение частоты ПАВ-автогенератора при одной и той же деформации мембраны повышает разрешающую способность датчика давления, т.к. происходит большее изменение частоты на единицу давления.

Выполнение второй линии задержки на второй поверхности неподвижной пластины обеспечивает выполнение второго ПАВ-автогенератора, служащего в качестве генератора тактового частоты для получения разностного сигнала, характеризующего измеряемое давление.

Расположение обеих линий задержки на неподвижной пластине приводит к тому, что линии задержки находятся в идентичных температурных условиях, что уменьшает температурную погрешность датчика ускорений.

При введении формирователей импульсов из гармонических сигналов ПАВ-автогенераторов обеспечивается выделение большей разностной частоты импульсных сигналов, чем при обработке гармонических сигналов. Получение большей разностной частоты повышает разрешающую способность датчика давления.

Выполнение резистивных обогревателей на мембране и неподвижной пластине, введение в датчик давления задатчика уставки температуры в виде регистра, электронного терморегулятора, состоящего из счетчика-регистра, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика и электронного ключа, приводят к получению постоянной и одинаковой температуры для линии задержки и чувствительного элемента (мембраны), что уменьшает температурную погрешность датчика давления.

Повышение разрешающей способности и уменьшение температурной погрешности вызывает повышение точности измерений датчика давления.

Установка неподвижной пластины после мембраны по другую сторону от штуцера обеспечивает изоляцию линий задержки от воздействия среды, создающей давление, что также приводит к повышению точности измерений.

На фиг.1 показана конструкция датчика давления; на фиг.2 и 3 мембрана и неподвижная пластина, на фиг.4 структурная схема датчика давления.

Датчик давления (фиг. 1) имеет корпус 1 со штуцером 2. В корпусе 1 установлена мембрана 3, в результате чего между штуцером 2 и мембраной 3 в корпусе 1 образована камера для среды, создающей давление. На мембране 3 образован металлизированный участок 4. После мембраны 3 по другую сторону от штуцера 2 установлена неподвижная пластина 5, на одной стороне которой, обращенной к мембране 3, образована первая линия задержки с входным встречно-штыревым преобразователем 6 и выходным ВШП 7, а на противоположной стороне вторая линия задержки с входным ВШП 6' и выходным ВШП 7'. Расстояние d между металлизированным участком 4 на мембране 3 и ВШП 6 и 7 на неподвижной пластине 5 составляет не более четверти длины волны ПАВ.

Для выполнения ПАВ-преобразований либо вся неподвижная пластина 5 выполняется из пьезоэлектрического материала, либо образуется слой из пьезоэлектрического материала в области ВШП 6 и 6', 7 и 7' на неподвижной пластине 5.

Датчик давления закрыт крышкой 8. Акустическая длина каждой линии задержки на неподвижной пластине 5 составляет L (фиг.2). Длина металлизированного участка 4 на мембране 3 составляет l (фиг.3), которая меньше акустической длины L линии задержки.

В схеме датчика давления (фиг.4) включением усилителя 9 между ВШП 6 и 7 первой линии задержки образован первый ПАВ-автогенератор, включением усилителя 9' между ВШП 6' и 7' второй линии задержки образован второй ПАВ-автогенератор.

К первому ПАВ-автогенератору подключен формирователь импульсов 10, к второму ПАВ-автогенератору формирователь импульсов 10', выходы формирователей импульсов 10, 10' соединены с двумя входами блока вычитания частот 11.

В развитие данного выполнения датчика давления на одной стороне неподвижной пластины 5 образован резистивный обогреватель 12, на второй стороне резистивный обогреватель 12', на мембране 3 выполнен резистивный обогреватель 12" (фиг.1-3).

Для этого в схему (фиг.4) датчика давления введена цепь из последовательно соединенных счетчика-регистра 13, блока вычитания кодов 14, реверсивного счетчика 15, электронного ключа 16, а также введены регистр 17 и управляющий генератор 18. При этом вход счетчика-регистра 13 подключен к выходу формирователя импульсов 10', соединенного с выходом второго ПАВ-автогенератора, образованного на линии задержки с ВШП 6' и 7' на стороне неподвижной пластины 5, противоположной относительно мембраны 3. Регистр 17 подключен к второму входу блока вычитания кодов 14. Знаковый выход блока вычитания кодов 14 соединен с разрешающим входом реверсивного счетчика 15, кодовый выход блока вычитания кодов 14 соединен с информационным входом реверсивного счетчика 15, на электронный ключ 16 подается напряжение обогрева U_об. Резистивные обогреватели 12, 12' и 12'' подключены к выходу электронного ключа 16.

Выход "а" управляющего генератора 18 соединен с вторым входом счетчика-регистра 13, выход "б" с третьим входом счетчика-регистра 13, выход "в" с разрешающим входом блока вычитания кодов 14, выход "г" с входом обнуления реверсивного счетчика 15, выход "д" с счетным входом реверсивного счетчика 15.

Формирователи импульсов 10 и 10' могут быть выполнены в виде триггеров Шмитта, блок вычитания кодов 14 в виде цифрового сумматора, на один из входов которого подается сигнал в обратном коде. В качестве блока вычитания частот 11 могут быть использованы реверсивный счетчик или триггерное устройство вычитания частот.

Датчик давления работает следующим образом.

При отсутствии давления мембрана 3 не прогибается под усилием давления, расстояние между металлизированным участком 4 на мембране 3 и ВШП 6 и 7 первой линии задержки на неподвижной пластине 5 составляет около четверти длины волны ПАВ, что не оказывает шунтирующего влияния металлизированного участка 4 на частоту первого ПАВ-автогенератора на первой линии задержки с входным ВШП 6 и выходным ВШП 7. Поэтому частота первого ПАВ-автогенератора не изменяется и остается равной частоте ПАВ-автогенератора на второй линии задержки с входным ВШП 6' и выходным ВШП 7'.

В формирователях импульсов 10 и 10' из синусоидальных сигналов ПАВ-автогенераторов образуются импульсные сигналы с частотой следования импульсов, равной частоте синусоидального сигнала. Так как частота первого и второго ПАВ-автогенераторов равны, то равны и частоты следования импульсов сигналов, получаемых с выходов формирователей импульсов 10 и 10'. В результате вычитания в блоке вычитания частот 11 двух одинаковых частот следования импульсов сигнал с выхода блока вычитания частот равен нулю, что свидетельствует об отсутствии давления.

При наличии давления мембрана 3 деформируется и при ее прогибе металлизированный участок 4 приближается к ВШП 6 и 7 первой линии задержки на неподвижной пластине 5. Расстояние d между металлизированным участком 4 и ВШП 6 и 7 становится меньше четверти длины волны ПАВ. Тогда начинается шунтирующее воздействие металлизированного участка 4, которое заключается в том, что металлизированный участок 4 замыкает электрическое поле пьезоэлектрика в области расположения ВШП 6 и 7, возникающее при прохождении ПАВ. В результате замыкания электрического поля часть сигнала с выходного ВШП 7 передается на входной ВШП 6 через металлизированный участок 4, минуя акустический тракт линии задержки. При этом изменяется фазовый набег в первой линии задержки на неподвижной пластине 5 и изменяется частота первого ПАВ-автогенератора. Так как частота второго ПАВ-автогенератора на второй линии задержки с ВШП 6 и 7 остается неизменной, то на выходе блока вычитания частот 11 получается разность частот, определяемая величиной давления.

Для создания постоянных и идентичных условий для обеих линий задержки и мембраны 3 в регистре 17 записывается код, равный коду частоты второго ПАВ-автогенератора на второй линии задержки с ВШП 6' и 7' при температуре термостатирования.

Если температура линий задержки на неподвижной пластине 5 будет меньше температуры термостатирования, то, например, при отрицательном температурном коэффициенте частоты ПАВ-автогенератора частота второго ПАВ-автогенератора увеличивается. Эта частота после преобразования в формирователе импульсов 10' преобразуется в цифровой код в счетчике-регистре 13, и на выходе счетчика-регистра 13 будет получен код больше кода, записанного в регистре 17. В результате вычитания в блоке вычитания кодов 14 из кода счетчика-регистра 13 кода регистра 17 на кодовом выходе блока вычитания кодов 14 будет получена разность кодов счетчика-регистра 13 и регистра 17, на знаковом выходе блока вычитания кодов 14 будет получен код знака кода счетчика-регистра 13 относительно кода регистра 17.

В том случае, когда температура линий задержки на неподвижной пластине 5 меньше температуры термостатирования, код знака, поступающий со знакового выхода блока вычитания кодов 14 на разрешающий вход реверсивного счетчика 15, открывает его, и на информационном входе реверсивного счетчика 15 произойдет запись кода с выхода блока вычитания кодов 14. При наличии на информационных входах реверсивного счетчика 15 цифрового кода с выхода блока вычитания кодов 14 на счетный вход по линии "д" от управляющего генератора 18 подаются счетные импульсы, которыми реверсивный счетчик 15 обнуляется. Число счетных импульсов определяется цифровым кодом, записанным на информационных входах. Время, за которое реверсивный счетчик 15 обнулится, и длительность импульса на входе электронного ключа 16 определяются числом импульсов обнуления и периодом их следования.

Таким образом, в реверсивном счетчике 15 происходит преобразование кода, поступающего с выхода блока вычитания кодов 14, в длительность импульса, подаваемого на вход электронного ключа 16. Чем больше величина разности кодов, полученной с выхода блока вычитания кодов 14, тем больше длительность импульса, подаваемого с выхода реверсивного счетчика 15 на вход электронного ключа 16 и открывающего его. Чем больше время открытия электронного ключа 16, тем больше время напряжения питания обогрева U_об поступает с электронного ключа 16 на резистивные обогреватели 12, 12' и 12", тем большая мощность обогрева рассеивается на резистивных обогревателях 12, 12' и 12". В результате нагрева температура линий задержки на неподвижной пластине 5 становится равной температуре термостатирования, частота ПАВ-автогенератора уменьшается, код на выходе счетчика-регистра 13 становится равным коду, записанному в регистре 17. Тогда разность кодов на выходе блока вычитания кодов 14 становится равной нулю, электронный ключ 16 не открывается и нагрев линий задержки прекращается.

При повышении температуры линий задержки относительно температуры термостатирования код знака блока вычитания кодов 14 закроет информационные входы реверсивного счетчика 15, обратный счет реверсивного счета будет заперт, на вход электронного ключа не поступит импульс на его открытие и резистивные обогреватели 12, 12' и 12" не получат мощности для обогрева линий задержки.

Таким образом, в зависимости от знака и величины рассогласования температуры линий задержки на неподвижной пластине 5 от термостатируемой регулируется мощность и температура линий задержки и мембраны поддерживается постоянной.

С выходов управляющего генератора 18 поступают сигналы управления блоками датчика давления. По линии "а" поступает сигнал обнуления счетчика-регистра 13, по линии "б" сигнал считывания счетчика-регистра 13. По линии "в" передается сигнал обнуления блока вычитания кодов 14, по линии "г" сигнал обнуления реверсивного счетчика 15, по линии "д" счетные импульсы на реверсивный счетчик 15.

Использование: измерительная техника, а именно измерительные преобразователи статического и быстроменяющегося давления. Сущность изобретения: в датчик давления, имеющий корпус 1 со штуцером 2, мембрану 3, линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), ПАВ-автогенераторы на линиях задержки, введена неподвижная пластина 5, на каждой стороне которой образована линия задержки, на мембране 3 выполнен металлизированный участок 4, расстояние между металлизированным участком 4 и линией задержки на неподвижной пластине 5 выполнено не более четверти длины волны ПАВ, введены формирователи импульсов. В развитие этого датчика давления в нем образованы резистивные обогреватели 12 на неподвижной пластине 5 и мембране 3. В электронную схему введены управляющий генератор, регистр и цепь из последовательно включенных счетчика-регистра, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика и электронного ключа, к выходу которого подключены резистивные обогреватели. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус со штуцером, мембрану, расположенную в соединенной со штуцером камере в корпусе, линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с выходными и выходными встречно-штыревыми преобразователями и электронную схему, в которую входят ПАВ-автогенераторы, каждый из которых образован включением усилителя между входным и выходным встречно-штыревым преобразователями каждой линии задержки, блок вычитения частот, отличающийся тем, что после мембраны по другую сторону от штуцера установлена неподвижная пластина, на каждой стороне которой образована линия задержки, на стороне мембраны, обращенной к стороне неподвижной пластины с одной из линий задержки в области расположения линии задержки, выполнен металлизированный участок длиной не более акустической длины линии задержки, расстояние между обращенными друг к другу линией задержки на неподвижной пластине и металлизированным участком на мембране составляет не более четверти длины волны ПАВ, а в электронную схему датчика введены формирователи импульсов, каждый из которых соединен входом с выходом соответствующего ПАВ-автогенератора, а выходом с одним из входов блока вычитания частот. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на обеих сторонах неподвижной пластины образованы резистивные обогреватели, а в электронную схему введены управляющий генератор, регистр и цепь из последовательно соединенных счетчика-регистра, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика и электронного ключа, к которому подключены резистивные обогреватели, причем вход счетчик-регистра подключен к выходу формирователя импульсов, соединенного с ПАВ-автогенератором на линии задержки на стороне неподвижной пластины, расположенной по другую сторону от мембраны, выход регистра подключен к второму входу блока вычитания кодов, знаковый и кодовый выходы которого соединены соответственно с разрешающим и информационными входами реверсивного счетчика, управляющий генератор соединен выходами с вторым и третьим входами счетчика-регистра, разрешающим входом блока вычитания кодов, входом обнуления и счетным входом реверсивного счетчика. 3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что на мембране выполнен дополнительный резистивный обогреватель, подключенный к выходу электронного ключа.