УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01L11/04 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности.

Известные датчики давления основаны на различных физических принципах (авт.свид. СССР №№355519, 427257, 508700, 723413, 781638, 885843, 1000806, 1290113, 1368677, 1493895, 1508114, 1645862, 1686322, 1814040, 1815598, 1817929, 1818560, 1831669; патенты РФ №№2058020, 2244908; патенты США №№4395915, 4387601, 4562742; патент Польши №119860; патент Японии №50-9.190; Бусурин В.И. Оптические и волоконно-оптические датчики. Квантовая электроника, 1985, №5, с.901-944 и другие).

Из известных датчиков давления наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для дистанционного измерения давления» (патент РФ №2244908, G01L 9/00, 2002), которое и выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство содержит сканирующее устройство и приемоответчик.

Сканирующее устройство представляет собой приемопередатчик с приемопередающей направленной или ненаправленной антенной, содержащий последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, удвоитель фазы, делитель фазы, узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, и блок регистрации, последовательно подключенные к второму выходу задающего генератора фазометр, второй вход которого соединен с вторым выходом узкополосного фильтра, и блок регистрации.

При этом приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух гребенчатых электродов.

Устройство-прототип обладает низкой чувствительностью и малым динамическим диапазоном приемника сканирующего устройства в связи с его построением по схеме прямого усиления. Это приводит к снижению дальности действия устройства для дистанционного измерения давления, что является его недостатком.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности, динамического диапазона и дальности действия устройства для дистанционного измерения давления.

Поставленная задача решается тем, что устройство для дистанционного измерения давления, содержащее сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство представляет собой приемопередатчик с направленной или ненаправленной антенной и состоит из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности и дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, последовательно включенных удвоителя фазы, делителя фазы на два и первого узкополосного фильтра, последовательно включенных фазового детектора и блока регистрации, второй вход которого соединен с выходом фазометра, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух систем гребенчатых электродов, нанесенных на поверхность звукопровода, электроды гребенок соединены шинами, которые с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопроводе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка, снабжено гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, двумя перемножителями, полосовым фильтром и вторым узкополосным фильтром, причем к выходу дуплексера последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, и полосовой фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вход удвоителя фазы соединен со вторым выходом усилителя промежуточной частоты, второй вход фазового детектора соединен с выходом второго узкополосного фильтра.

Структурная схема сканирующего устройства представлена на фиг.1. Структурная схема приемоответчика изображена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства для дистанционного измерения 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 связан с приемопередающей антенной 4, смесителя 19, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, усилителя 20 промежуточной частоты, первого перемножителя 21, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 1, полосового фильтра 22, фазового детектора 8, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 24, и блока 10 регистрации, последовательно подключенных ко второму выходу усилителя 20 промежуточной частоты удвоителя 5 фазы, делителя 6 фазы на два, первого узкополосного фильтра 7, второго перемножителя 23, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 1, второго узкополосного фильтра 24 и фазометра 9, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, а выход подключен к блоку 10 регистрации.

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 11, 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 пъезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным пьезоэлектрическим преобразователем и набором отражателей. Преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне 12, которая также изготовлена на поверхности пъезокристалла.

Устройство для дистанционного измерения давления работает следующим образом.

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

,

где Vc, ωс, ϕс, Тс - 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-штыревой преобразователь (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;

- отражение акустической волны и обратное преобразование ее в электрический сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн).

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 пъезоэффекта 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 3 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 с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит всю необходимую информацию о датчике давления.

Сформированный ФМн-сигнал поступает в антенну 12 и излучается в пространство (фиг.3, в)

U₁(t)=V₁·Cos[ωc·t+ϕк(t)+ϕс+Δϕ], 0≤t≤Тс,

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

Δϕ - изменение фазы, вызванное деформацией мембраны 16.

Указанный ФМн-сигнал принимается приемопередающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18 (фиг.3, д)

Uг(t)=Vг·Cos(ωг·t+ϕг).

На выходе смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.3, г)

Uпр(t)=Vпр·Cos[ωпр·t+ϕк(t)+ϕпр+Δϕ], 0≤t≤Tc,

где Vпр=½K₁V₁·Vг;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ωпр=ωс-ωг - промежуточная (разностная) частота;

ϕпр=ϕс-ϕг,

которое поступает на первый вход перемножителя 21, на второй вход которого подается высокочастотное колебание Uc(t) со второго входа задающего генератора 1.

На выходе перемножителя 21 образуется напряжение (фиг.3, з)

U₂(t)=V₂·Cos[ωг·t+ϕк(t)+ϕг+Δϕ], 0≤t≤Tc,

где V₂=½K₂·Vпр·Vc;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте ωг гетеродина 18, выделяется полосовым фильтром 22 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 8.

Напряжение Uпр(t) со второго выхода усилителя 20 промежуточной частоты одновременно поступает на вход удвоителя 5 фазы. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг.3, е)

U₃(t)=V₃·Cos(2ωпр·t+2ϕпр+2Δϕ), 0≤t≤Тс.

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

U₄(t)=V₄·Cos(ωпр·t+ϕпр+Δϕ), 0≤t≤Тс.

Полученное гармоническое колебание поступает на первый вход перемножителя 23, на второй вход которого подается высокочастотное колебание Uc(t) со второго выхода задающего генератора 1. На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое колебание

U₅(t)=V₅·Cos(ωг·t+ϕг+Δϕ), 0≤t≤Tc,

где V₅=½K₂·V₄·V_c;

которое выделяется узкополосным фильтром 24 и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, и)

Uн(t)=Vн·Cosϕк(t),

где Vн=½K₃·V₂·V₅;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора;

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

Одновременно гармоническое колебание U₅(t) с выхода узкополосного фильтра 24 поступает на первый вход фазометра 9, на второй вход которого подается напряжение Uг(t) гетеродина 18. Фазометр 9 измеряет фазовый сдвиг Δϕ, 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 прототипом обеспечивает повышение чувствительности, динамического диапазона и дальности действия. Это достигается путем построения приемника сканирующего устройства по супергетеродинной схеме.

Следует отметить, что чувствительность приемника прямого усиления составляет 10^-2÷10^-3 Вт, в то время как чувствительность супергетеродинного приемника составляет 10^-6÷10^-8 Вт.

Кроме того, синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала и измерение фазового сдвига Δϕ, пропорционального измеряемому давлению Р, осуществляются на стабильной частоте ωг гетеродина, что не требует дополнительной фазовой синхронизации. Последняя была необходима при использовании для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала и измерения фазового сдвига Δϕ частоты ωс задающего генератора, так как на зондирующий и переизлученный сигналы воздействуют различные дестабилизирующие факторы.

Устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, динамического диапазона и дальности действия устройства для дистанционного измерения давления. Устройство для дистанционного измерения давления содержит сканирующее устройство и приемоответчик. При этом сканирующее устройство содержит задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый и второй узкополосные фильтры, фазовый детектор, фазометр, блок регистрации, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, первый и второй перемножители, полосовой фильтр. Приемоответчик содержит звукопровод, микрополосковую приемопередающую антенну, две системы гребенчатых электродов, две шины, мембрану и отражательную решетку. 3 ил.

Устройство для дистанционного измерения давления, содержащее сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство представляет собой приемопередатчик с направленной или ненаправленной антенной и состоит из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности и дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, последовательно включенных удвоителя фазы на два, делителя фазы на два и первого узкополосного фильтра, последовательно включенных фазового детектора и блока регистрации, второй вход которого соединен с выходом фазометра, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух систем гребенчатых электродов, нанесенных на поверхность звукоотвода, электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопроводе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка, отличающееся тем, что оно снабжено гетеродином, смесителями, усилителем промежуточной частоты, двумя перемножителями, полосовым фильтром и вторым узкополосным фильтром, причем к выходу дуплексера последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, и полосовой фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вход удвоителя фазы соединен со вторым выходом усилителя промежуточной частоты, второй вход фазового детектора соединен с выходом второго узкополосного фильтра.