УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01L11/06 

Предлагаемое устройство 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 (авторские свидетельства СССР №№922.086, 1.000.806, 1.177.698, 1.290.113, 1.368.677, 1.493.895, 1.508.114, 1.686.322, 1.769.010, 1.818.560, 1.831.669, 1.835.250; патенты РФ №№2.058.020, 2.244.908; патенты США №№4.387.601, 4.395.915, 4.562.742; патент Польши №1119.860; патент Японии №50-9.190; Бусурин В.И. «Оптические и волоконно-оптические датчики». Квантовая электроника, №5 с.901-944 и другие).

Известные устройства в основном обеспечивают измерение давления непосредственно в местах их установки.

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

Из известных устройств 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.

Указанное устройство содержит сканирующее устройство и приемоответчик.

В состав сканирующего устройства входит фазовый детектор, необходимым условием работы которого является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого фазоманипулированного (ФМн) сигнала. Указанное опорное напряжение непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала путем умножения и деления фазы принимаемого ФМн-сигнала на два.

Однако при этом возникает явление «обратной работы», которое обусловлено скачкообразными переходами фазы опорного напряжения выделяется из одного состояния φ_с в другое φ_с+π под воздействием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих фактов.

Это легко показать аналитически.

Явление «обратной работы» обусловлено неопределенностью начальной фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала. При равновероятных значениях переменной составляющий фазы сигнала: φ₁=0 и φ₂=π отсутствует признак, который позволял бы «привязать» фазу φ_c опорного напряжения к одной из фаз сигнала (фиг.3, в). Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния φ_с и φ_с+π.

Опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала (фиг.3, в)

где - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3, б), причем при Кτ_э<t<(к+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_с(T_с=τ_э·N);

Δφ - фазовый сдвиг, вызываемый 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.3, г)

Так как , то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание длится по фазе на два в делителе 6 фазы на два и выделяется узкополосным фильтром 7 (фиг.3, и)

Полученное гармоническое колебание u₃(t) используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8, на первый (информационный) вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u₁(t) (фиг.3, в). В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 8 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, к)

где

которое пропорционально модулирующему коду M(t) (фиг.3, б). Структура последнего определяется структурой встречно-штыревого преобразователя (ВШП) (фиг.2).

Низкочастотное напряжение u_Н(t) (фиг.3, к) содержит информацию о номере дистанционного датчика давления и фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.

Однако указанная информация может искажаться 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, кратовременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов.

Действительно, если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавить к аргументу угла 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π

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

Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 6 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.3, д) под воздействием различных дестабилизирующих факторов. При этом на выходе фазового детектора 8 выделяется искаженный аналог u_ни(t) (фиг.3, с) модулирующего кода M(t) (фиг.3, б), который не позволяет достоверно определять номер дистанционного датчика давления.

Искаженное опорное напряжение (фиг.3, д) не позволяет также достоверно измерить фазовый сдвиг Δφ, пропорциональный измеряемому давлению Р.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности дистанционного определения номера датчика давления и измеряемого им давления путем устранения явления «обратной работы».

Постоянная задача решается тем, что устройство для дистанционного измерения давления, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, удвоитель фазы, делитель фазы на два и узкополосный фильтр, последовательно подключенные к выходу дуплексера фазовый детектор и блок регистрации, второй вход которого через фазометр соединен с вторым выходом задающего генератора, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух гребенчатых систем электродов, нанесенных на поверхность звукопровода, электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопровод размещены тонкая мембрана и отражающая решетка, отличается от ближайшего аналога тем, что сканирующее устройство снабжено частотным детектором, триггером и двойным балансным переключателем, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора и фазометра.

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 связан с приемопередающей антенной 4, удвоителя 5 фазы, делителя 6 фазы на два, узкополосного фильтра 7, частотного детектора 18, триггера 19, двойного балансного переключателя 20, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 7, фазового детектора 8, второй вход которого соединен с выходом дуплексера 3, и блока 10 регистрации. К второму выходу задающего генератора 1 подключен фазометр 9, второй вход которого соединен с выходом двойного балансного переключателя 20, а выход соединен с вторым входом блока 10 регистрации.

Приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которая представляет собой дискретно аналоговую реализацию цифрового трансверсального фильтра. Роль отводов в таком фильтре играет ВПШ, который состоит из двух гребенчатых систем электродов, 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 11 с шагом Δh=V·τ_э,

где V - скорость ПАВ, она примерно на пять порядков меньше скорости С распространения электромагнитных волн (V<<C);

τ_э - длительность элементарных посылок.

Следовательно, 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 U_с, w_с, φ_с, T_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, улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 12 и возбуждает ВШП на ПАВ.

В основе работы устройства на ПАВ лежит три физических процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода и ее отражение;

- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется ВШП, работа которого основана на том, что переменное 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 определяется 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 16 изменится и фаза отраженной от решетки 17 акустической волны также 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 микрополосковую антенну 12 и излучается ею в пространство (фиг.3, в)

Указанный ФМн-сигнал управляется приемопередающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступает на первый вход фазового детектора 8 и на вход удвоителя 5 фазы. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг.3, г)

где

Так как , то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делителе 6 фазы и выделяется узкополосным фильтром 7 (фиг.3, д)

Полученное гармоническое колебание из-за явления «обратной работы» имеет неустойчивую фазу. Это колебание поступает на первый вход двойного балансного переключателя 20 и на вход частотного детектора 18. При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, например в моменты времени t₁ и t₃ (фиг.3, д), на выходе частотного детектора 18 появляется короткие положительные импульсы, а при скачке фазы на -180° в моменты времени t₂ и t₄ (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - отрицательное короткие импульсы (фиг.3, ж). Знакочередующие импульсы с выхода частотного детектора 18 управляют работой триггера 19, выходное напряжение которого (фиг.3, з), в свою очередь, управляет работой двойного балансного переключателя 20.

В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн-сигнала u₁(t) (фиг.3, в), на выходе триггера 19 образуется отрицательное напряжение (фиг.3, з) и двойной балансный переключатель 20 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение (фиг.3, д) поступает с выхода узкополосного фильтра 7 на второй (опорный) вход фазового детектора 8 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, обусловленным, например, неустойчивой работой делителя 6 фазы на два под действием помех, триггер 19 в моменты времени, например, t₁ и t₃ положительными короткими импульсами с выхода частотного детектора 18 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 19 в моменты времени t₁ и t₃ становится и остается положительным до очередного скачка фазы опорного напряжения в моменты времени t₂ и t₄, которые возвращают фазу опорного напряжения в первоначальное состояние. Положительное выходное напряжение триггера 19 (фиг.3, з) переводит двойной балансный переключатель в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение (фиг.3, д) с выхода узкополосного фильтра 7 поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8 с изменением фазы на - 180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения (фиг.3, д), вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех и связанную с ней «обратную работу». При этом на второй (опорный) вход фазового детектора 8 будет поступать опорное напряжение (фиг.3, и)

со стабильной фазой.

На выходе фазового детектора 8 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, к)

где

которое фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.

Одновременно опорное напряжение (фиг.3, и) поступает на второй вход фазометра 9, на первый вход которого подается гармоническое колебание (фиг.3, а) с второго выхода задающего генератора 1. Фазометр 9 измеряет фазовый сдвиг Δφ, пропорциональный измеряемому давлению Р, который фиксируется на втором входе блока 10 регистрации.

Следовательно, частотный детектор 18 обеспечивает обнаружение момента возникновения «обратной работы», а триггер 19 и двойной балансный переключатель 20 устраняют ее. Блоком 10 регистрации фиксируется номер дистанционного датчика давления и измеряемое им давление Р с высокой точностью.

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 источника 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 батареи и большое время наработки на отказ).

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение достоверности определения номера дистанционного датчика давления и измеренного им давления. Это достигается путем устранения явления «обратной работы» за счет стабилизации фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала. Указанная стабилизация фазы опорного напряжения обеспечивается применением частотного детектора, триггера и двойного балансного переключателя. Причем частотный детектор обеспечивает обнаружение момента возникновения «обратной работы», а триггер и двойной балансный переключатель устраняет ее.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. Устройство содержит: сканирующее устройство и приемоответчик. Сканирующее устройство содержит: задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, удвоитель фазы, делитель фазы на два, узкополосный фильтр, фазометр, фазовый детектор, блок регистрации, частотный детектор, триггер, двойной балансный переключатель. Приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности дистанционного определения номера датчика давления и измеряемого им давления путем устранения явления «обратной работы». 3 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 связан с приемопередающей антенной, удвоитель фазы, делитель фазы на два и узкополосный фильтр, последовательно подключенные к выходу дуплексера фазовый детектор и блок регистрации, второй вход которого через фазометр соединен с вторым выходом задающего генератора, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух гребенчатых систем 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 частотным детектором, триггером и двойным балансным переключателем, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора и фазометра.