УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01L9/00 

Предлагаемый датчик относится к приборостроению и может быть использован в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности.

Известные датчики давления основаны на различных физических принципах (авт. свид. СССР №355.519, 427.257, 508.700, 639.494, 723.413, 781.638, 797.701, 885.843, 922.086. 1.000.806, 1.177.698, 1.290.113, 1.368.677, 1.486.818, 1.493.895, 1.508.114, 1.645.862, 1.686.322, 1.736.951, 1.769.010, 1.814.040, 1.815.598, 1.817.929, 1.818.560, 1.831.669, 1.838.250; патент РФ №2.058.020; патент США №№4.395.915, 4.387.601, 4.562.742; патенты ФРГ №№2.626.784, 3.432.984; патент Польши №119.860; патент Японии №50-9.190; Бусурин В.И. Оптические и волоконно-оптические датчики. Квантовая электроника, 1985, №5, с.901-944 и другие).

Известные устройства обеспечивают измерение давления непосредственно в месте их установки.

Однако в ряде случаев в различных отраслях промышленности возникает необходимость дистанционного измерения давления с высокой точностью.

Технической задачей изобретения является повышение точности дистанционного измерения давления.

Это достигается тем, что пассивный приемоответчик, выполненный в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах и снабженный мембраной, применяют в качестве дистанционного датчика давления. Указанный датчик состоит из сканирующего устройства и приемоответчика.

Структурная схема сканирующего устройства представлена на фиг.1.

Структурная схема приемоответчика изображена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы дистанционного датчика давления, показаны на фиг.3.

Сканирующее устройство представляет собой приемопередатчик с направленной или ненаправленной антенной и состоит из последовательно включенных задающего генератора 1, усилителя 2 мощности, дуплексера 3, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной 4, удвоителя 5 фазы, делителя 6 фазы на два, узкополосного фильтра 7, фазового детектора 8, второй вход которого соединен с выходом дуплексера 3, и блок 10 регистрации, второй вход которого через фазометр 9 соединен с вторыми выходами задающего генератора 1 и узкополосного фильтра 7.

Приемоответчик выполнен на многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которая представляет собой дискретно-аналоговую реализацию цифрового трансверсального фильтра. Роль отводов в таком фильтре играет встречно-штыревой преобразователь, который состоит из двух гребенчатых систем электродов 13, нанесенных на поверхность звукопровода 11. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 14 и 15. Шины в свою очередь связаны с микрополосковой приемопередающей антенной 12. На звукопроводе, кроме того, размещены тонкая мембрана 16 и отражающая решетка 17.

Отводы многоотводной линии задержки равномерно распределены по поверхности звукопровода с шагом

где V - скорость поверхностных акустических волн, она примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний;

τ _э - длительность элементарных посылок.

Приемоответчик представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным пьезоэлектрическим преобразователем и набором отражателей. Преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне 12, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла.

Дистанционный датчик давления работает следующим образом.

Задающий генератор 1 формирует высокочастотное колебание (фиг.3, а)

где Uc, Wc, c Тc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое после усиления в усилителе 2 мощности через дуплексер 3 поступает в приемопередающую антенну 4 и излучается ею в эфир.

Это высокочастотное колебание улавливается приемопередающей антенной 12 и возбуждает приемоответчик, а именно встречно-штыревые преобразователи (ВШП) на ПАВ.

В основе работы устройств на ПАВ лежат три физических процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;

- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется встречно-штыревой преобразователь (ПАВ), работа которого основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 13, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов 13 и их количеством. Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до З ГГц.

К тонкой мембране 16 прикладывается давление Р, вызывающее ее деформацию. Скорость ПАВ в области мембраны изменится и фаза отраженной от решетки 17 волны изменится в соответствии с деформацией мембраны 16.

Акустическая волна модифицируется уникальным, зависящим от топологии приемоответчика образом. Затем отраженная акустическая волна претерпевает обратное преобразование в электромагнитный сигнал, который поступает в антенну 12 и излучается в пространство (фиг.3, в)

где _k(t)={0,π } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3, б), который определяется структурой ВШП (фиг.2);

- изменение фазы, вызванное деформацией мембраны 16.

Указанный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН) принимается приемопередающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступает на первый вход фазового детектора 8 и на вход удвоителя фазы 5. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг.3, г)

Так как 2· ϕ _k(t)={0,2π }, то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делителе фазы 6 на два и выделяется узкополосным фильтром 7 (фиг.3, д)

Полученное гармоническое колебание U₃(t) используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй вход фазового детектора 8, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, е)

U_н(t)=V_н·_{Cosϕ k(t),}

где U_н=1/2KV21

К - коэффициент передачи фазового детектора,

которое содержит информацию о номере дистанционного датчика давления и фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.

Одновременно напряжения Uc(t) и U₃(t} с вторых выходов задающего генератора 1 и узкополосного фильтра 7 поступают на два входа фазометра 9, где измеряется фазовый сдвиг , пропорциональный измеряемому давлению Р, который фиксируется на втором входе блока 10 регистрации.

Следовательно, блоком 10 регистрации фиксируется номер дистанционного датчика давления и измеряемое им давление Р.

Сканирующее устройство обеспечивает последовательный опрос всех дистанционных датчиков давления, регистрацию их номеров и измеряемых давлений.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными устройствами обеспечивает дистанционное измерение давления с повышенной точностью. Это необходимо в тех случаях, когда непосредственное (контактное) измерение давления невозможно выполнить. Повышение точности дистанционного измерения давления обеспечивается фазовым методом.

Основное преимущество систем автоматической телеиндикации с применением приемоответчиков на ПАВ состоит в возможности изготовить пассивный, т.е. не требующий источников питания приемоответчик с малыми габаритами. Используемый приемоответчик предоставляет возможность дистанционного считывания несущей им информации о давлении неограниченное число раз, в автоматическом режиме.

Другое преимущество заключается в возможности совмещения функций переизлучения энергии, кодирования постоянной информации о номере и функции датчика давления в одном устройстве с простой конструкцией.

Положительным свойством приемоответчика на ПАВ можно считать также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батарей и большое время наработки на отказ).

Изобретение относится к технике измерения и приборостроения, а именно к устройствам дистанционного сбора и обработки измерительной информации о давлении в различных производственных процессах. Технический результат - повышение достоверности процесса дистанционного измерения давления за счет учета топологии чувствительного элемента датчика давления. Для достижения технического результата сканирующее устройство содержит приемопередатчик с приемопередающей направленной или ненаправленной антенной, последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход/выход которого соединен с приемопередающей антенной. При этом приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух гребенчатых электродов. 3 ил.

Устройство для дистанционного измерения давления, содержащее сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство содержит приемопередатчик с приемопередающей направленной или ненаправленной антенной, последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход/выход которого соединен с приемопередающей антенной, удвоитель фазы, делитель фазы на два, узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, и блок регистрации, второй вход которого через фазометр соединен с выходами задающего генератора и узкополосового фильтра, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух гребенчатых электродов, нанесенных на поверхность звукопровода, электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопроводе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка.