УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2008 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; патенты РФ №№2.058.020, 2.244.908; патенты США №№4.395.915, 4.387.601, 4.562.742; патенты ФРГ №№2.626.784, 3.432.984; 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 №2.244.908, G01L 9/00, 2002), которое и выбрано в качестве прототипа.

Данное устройство содержит сканирующее устройство и приемоответчик.

Сканирующее устройство (фиг.1) содержит последовательно включенные задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, дуплексер 3, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной 4, удвоитель 5 фазы, делитель 6 фазы на два, узкополосный фильтр 7, фазовый детектор 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 (фиг.3) содержит звукопровод 11, микрополосковую приемопередающую антенну 12, две гребенчатые системы электродов 13, шины 14 и 15, тонкую мембрану 16 и отражающую решетку 17.

Опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала (фиг.4, в)

u₁(t)=U₁cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c+Δϕ], 0≤t≤T_c,

где ϕ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с манипулирующим кодом M(t) (фиг.4, б), который определяется структурой встречно-штыревых преобразователей (ВШП) (фиг.3);

Δϕ - изменение фазы, вызванное деформацией мембраны 16, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала. Для этого используется удвоитель 5 фазы, делитель 6 фазы на два и узкополосный фильтр 7.

На выходе удвоителя 5 фазы образуется гармоническое колебание (фиг.4, г)

u₂(t)=U₁cos(2ω_ct+2ϕ_c+2Δϕ), 0≤t≤T_c.

Так как 2ϕ_k(t)={0,2π}, то в данном колебании модуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делителе 6 фазы на два и выделяется узкополосным фильтром 7 (фиг.4, д)

u₃(t)=U₁cos(ω_ct+ϕ_c+Δϕ).

Полученное гармоническое колебание u₃(t) используется в качестве опорного напряжения и поступает на опорный вход фазового детектора 8, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, е)

u_н(t)=U_нcosϕ_k(t),

где

K - коэффициент передачи фазового детектора,

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

Однако указанная информация искажается из-за явления «обратной работы», которое обусловлено скачкообразными переходами фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_с в другое ϕ_с+π под воздействием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов.

Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π

Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления.

Физически указанная двузночность фазы объясняется неустойчивой работой делителя фазы на два. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния: ϕ_с и ϕ_с+π. Переход из одного состояния в другое происходит в случайные моменты времени, например, t₁, t₂, t₃, t₄ (фиг.4, д) под воздействием различных дестабилизирующих факторов. При этом на выходе фазового детектора 8 выделяется искаженный аналог (фиг.4, е) модулирующего кода M(t) (фиг.4, б), который не позволяет достоверно определить номер дистанционного датчика давления и измеряемое им давление.

Кроме того, наличие фазового детектора 8 ограничивает скорость обработки принимаемого ФМн-сигнала, динамический диапазон входных сигналов и ухудшает отношение сигнал/шум при приеме слабых сигналов.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности определения номера дистанционного датчика давления и измеряемого им давления путем устранения явления «обратной работы», увеличения динамического диапазона входных сигналов и улучшения отношения сигнал/шум при приеме слабых сигналов.

Поставленная задача решается тем, что устройство для дистанционного измерения давления, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, сканирующее устройство и приемопередатчик, при этом сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности и дуплексер, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной, последовательно подключенные к второму выходу задающего генератора фазометр, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, и блок регистрации, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающий 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, отличается от ближайшего аналога тем, что сканирующее устройство снабжено линией задержки, фазоинвертором, тремя сумматорами, двумя амплитудными детекторами и перемножителем, причем к выходу дуплексера последовательно подключены линия задержки, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, первый амплитудный детектор, третий сумматор и перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подключен к входу узкополосного фильтра, к выходу линии задержки последовательно подключены фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, и второй амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, второй вход блока регистрации соединен с выходом третьего сумматора.

Структурная схема предлагаемого сканирующего устройства представлена на фиг.2. Структурная схема приемоответчика изображена на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы дистанционного датчика давления, показаны на фиг.4.

Сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, дуплексер 3, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной 4, линию задержки 11, первый сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом дуплексера 3, первый амплитудный детектор 15, третий сумматор 17, перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 13, узкополосный фильтр 7, фазометр 9, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 1, и блок 10 регистрации, последовательно подключенные к выходу линии 11 задержки фазоинвертор 12, второй сумматор 14, второй вход которого соединен с выходом дуплексера 3, и второй амплитудный детектор 16, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора 17, второй вход блока 10 регистрации соединен с выходом третьего сумматора 17.

Отводы многоотводной линии задержки равномерно распределены по поверхности звукопровода с шагом

Δh=v·τ_Э,

где v - скорость поверхностных акустических волн, она примерно на пять порядков меньше скорости 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.4, а)

u_с(t)=U_сcos(ω_сt+ϕ_с), 0≤t≤T_с,

где U_с, ω_с, ϕ_с, Т_с - 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 приемоответчика и возбуждает встречно-штыревые преобразователи (ВШП) на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

В основе работы устройств на ПАВ лежат три физических процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустических волн вдоль поверхности звукопровода;

- обратное преобразование ПАВ в электрический кодированный сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется встречно-штыревой преобразователь, 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 стандартным методом фотолитографии и травления 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, вызывающая ее деформацию. Скорость ПАВ в области мембраны изменяется и фаза отраженной от решетки 17 волны изменяется в соответствии с деформацией мембраны 16.

Акустическая волна модулируется уникальным образом, зависящим от топологии приемоответчика. Затем отраженная акустическая волна претерпевает обратное преобразование в электромагнитный кодированный сигнал, который поступает в приемопередающую антенну 12 и излучается ею в пространство в виде ФМн-сигнала u₁(t) (фиг.4, в). Указанный сигнал улавливается приемопередающей антенной 4 сканирующего устройства и через дуплексер 3 поступает на входы линии 11 задержки, первого 13 и второго 14 сумматоров.

Время задержки τ_З линии 11 задержки выбирается равным длительности τ_Э элементарных посылок τ_З=τ_Э.

На сумматор 13 поступают незадержанный и задержанный ФМн-сигналы. На сумматор 14 поступают незадержанный, задержанный и сдвинутый по фазе на π ФМн-сигналы.

На сумматорах 13 и 14 происходит суммирование незадержанного и задержанного ФМн-сигналов синхронно и противофазно, т.е. на одном из сумматоров ФМн-сигналы складываются, а на другом - вычитаются.

Следовательно, на выходе сумматоров 13 и 14 напряжение или удваивается, или становится равным нулю, происходит замена фазовых соотношений между элементарными символами кода амплитудными. С выходов сумматоров 13 и 14 сигналы поступают на амплитудные детекторы 15 и 16 противоположной полярности. Продетектированные видеосигналы поступают на два входа третьего сумматора 17. Так как сигналы разнесены во времени и имеют разную полярность, то на выходе сумматора 17 образуется разнополярный видеосигнал (фиг.4, ж)

u_Σ(t)=U_Σcosϕ_k(t),

пропорциональный модулирующему коду M(t) (фиг.4, б). Положительные посылки соответствуют разности фаз задержанного и незадержанного символов, равной нулю, а отрицательные - разности фаз, равной π.

Так как видеосигналы с выходов амплитудных детекторов 15 и 16 разнесены во времени и имеют разную полярность, то схема, состоящая из амплитудных детекторов 15, 16 и сумматора 17, работает как схема отбора по максимуму. Это не ухудшает отношение сигнал/шум на выходе сумматора 17, так как один из амплитудных детекторов, например 15, оказывается «запертым» сигналом другого детектора 16.

Напряжение u_Σ(t) с выхода сумматора 17 поступает на первый вход перемножителя 18, на второй вход которого подается ФМн-сигнал с выхода первого сумматора 13

u_Σ1(t)=U_Σ1cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c+Δϕ], 0≤t≤Т_c.

На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение (фиг.4, з)

u₄(t)=U₄cos(ω_ct+ϕ_c+Δϕ), 0≤t≤T_c,

где

которое выделяется узкополосным фильтром 7 и поступает на первый вход фазометра 9. На второй вход последнего подается высокочастотное колебание u_c(t) с второго выхода задающего генератора 1. Фазометр 9 измеряет фазовый сдвиг Δϕ, пропорциональный измеряемому давлению Р, который фиксируется на первом входе блока 10 регистрации. На втором входе блока 10 регистрации фиксируется низкочастотное напряжение u_Σ(t), пропорциональное модулирующему коду M(t).

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. Дистанционный датчик давления необходим в тех случаях, когда непосредственное (контактное) измерение давления невозможно выполнить.

Основное преимущество систем автоматической телеиндикации с применением приемоответчиков на ПАВ состоит в возможности изготовить пассивный, т.е. не требующий источников питания приемоответчиков с малыми габаритами. Использованный 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 батареи и большое время наработки на отказ).

Таким образом, представляемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение достоверности определения номера дистанционного датчика давления и измеряемого им давления. Это достигается путем устранения явления «обратной работы», увеличения динамического диапазона входных сигналов и улучшения отношения сигнал/шум при приеме слабых сигналов.

Изобретение относится к устройствам для измерения давления и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. Сущность: устройство содержит сканирующее устройство и приемоответчик. Сканирующее устройство содержит задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, фазометр, узкополосный фильтр, блок регистрации, линию задержки, фазоинвертор, три сумматора, два амплитудных детектора, перемножитель. Приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь. Встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде двух гребенчатых электродов, нанесенных на поверхность звукопровода. Причем электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной. На звуководе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка. Технический результат: повышение достоверности измерений. 4 ил.

Устройство для дистанционного измерения давления, содержащее сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной, последовательно подключенные к второму выходу задающего генератора фазометр, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, и блок регистрации, 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, отличающееся тем, что сканирующее устройство снабжено линией задержки, фазоинвертором, тремя сумматорами, двумя амплитудными детекторами и перемножителем, причем к выходу дуплексера последовательно подключены линия задержки, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, первый амплитудный детектор, третий сумматор и перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подключен к входу узкополосного фильтра, к выходу линии задержки последовательно подключены фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, и второй амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, второй вход блока регистрации соединен с выходом третьего сумматора.