Пьезоэлектрический преобразователь давления и температуры Советский патент 1985 года по МПК G01K7/32 G01L1/16 

11

Изобретение относится к технике электрических измерений и может быть использовано для измерения давления II температуры газообразных или жидких сред.

Цель изобретения - повьшшние точности измерения исследуемых параметров путем улучшения степени взаимодествия чувствительного элемента с контролируемой средой.

На чертеже представлена функциональная схема пьезоэлектрического преобразователя, предназначенного для измерения двух физических парамеров контролгфуемой среды - давления | ri/MMOpa гуры Т.

м;--. b:iLл; иаа гель содержит высокос ;), например, кварцевый автогоиератор 1 с пьезорезонатором 2, двухотводпую ультразвуковую линию 3 задержки (УЛЗ) на объемных акустических волнах с излучающим 4 и двумя приемными 5 и 6 преобразователями, помещенную в контролируемую среду 7, два фазостабильных усилителя 8 и фазовых детектора 10 и И, два аналого-цифровых преобразователя (ЛЦП ) 2 и 13, вычислительный блок

14 и блок 15 памяти. I

В качестве двухотводной ультразвуковой линии задержки - чувствительного элемента преобразователя, используется интегральная линия, в которой в едином анизотропном моно- кристаллическом звукопроводе формируются два канала распространения объемных акустических волн. Двухотводная УЛЗ, использующая объемные акустические волны, содержит зву- копровод и закрепленные на нем излучаюищй и приемные преобразователи, представляющие собой пьезоэлектрические пластинки с нанесенными на них электродам, причем конструкции приемных и излучающих преобразователей отличаются лишь выполнением электродов. Каждый из приеьшых преобразователей содержит два сплошных тонкопленочных электрода, нанесенных на противоположны :; широкие грани пьезоэлектрических пластин. В излучающем преобразователе с целью фор- иpoвaпия многолепестковой диаграммы направленности один из .электродов выполняется сплошным, а другой делается в виде решетки, причем выбор расстояния между элементами этой решетки и элементов полностью

102

определяют число лепестков диапэам- мы направленности излучающего преобразователя и углы между лепестками этой диаграммы. Приемные преобразователи 5 и 6 УЛЗ крепятся на звукопроводе в направлениях максимумов лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя 4.

Материал звукопровода УЛЗ 3 должен обеспечивать высокую чувствительность величины задержки Т, обеспечираемой линией 3, к изменениям контролируемых давления Р и температуры Т, постоянство этих коэффициентов чувствительности в диапазонах изменения Р и Т и анизотропию свойств звукопровода в папрагалениях максимумов лепестков диаграммы направленности излучающего г реобразователя 4. Всем этим требованиям в наибольшей степени соответствуют звукопроводы, изготавливаемые из темпер атурно-чу нет витального монокристаллического кварца LC-среза, которые обладают постоянным температурным коэффициентом задержки во всем диапазоне измеряемых температур а значит и линейной зависимостью фазы проходящего через сигнала о температуры Т. Таким же свойством обладает и зависимость фазы проходящего через линию сигнала от давления Р, так как при всестороннем сжатии кварцевого звукопровода УЛЗ измеряемым давлением Р, благодаря хоропшм упругим свойствам кварца, coi- ласно закону Гука пропорционально прикладываемому к звукопроводу давлению изменяются механические напряжения в этом звукопроводе, а значит изменяются соответственно и механические свойства звукопровода. Это приводит к изменениям задержек, обеспечиваемых линией в направлениях максимумов диаграммы направленности излучающего преобразователя 3, а значит и к вариациям фаз принимаемых преобразователями 5 и 6 сигналов, причем эти вариации для различных лепестков диаграммы направленности вследствии анизотропии свойств кварца различные.

Пьезоэлектрический преобразователь давления и температуры работает следующим образом.

Автогенератор 1 вырабатывает высокостабильный сигнал с постоянной частотой (а и начальной фазой if , 3 а именно и. (). Этот сигнал поступает на излучающий преобразователь 4 двухотводной УЛЗ 3, Пр этом на выходах приемных преобразователей 5 и 6 возникают сигналы одн наковьк частот, но с различными фазовыми набегами: ., .) фазовые набеги сигналов на выходах приемных преобразователей 5 и 6, определяемые свойствами кварцевого звукоправода в на правлениях максимумов лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя, соответствующие на чальным значениям давления Рд и те пературы Т- контролируемой среды. %, ° f -jr f В процессе изменения температуры Т и давления Р контролируемой среды 7 изменяются свойства кварцевого зв копровода УЛЗ 3, которьй находится непосредственно в контакте с измеря емой средой 7, причем из-за анизотропии свойств кварца параметры зву копровода в направлениях максимумов каждого из лепестков диаграммы на- правленности излучающего преобразователя 4 получат различные по величине приращения. В результате сис тема уравнений (1 ) для случая, когд давление принимает значение Р Рр+йР а температура ДТ, перепишется е виде 1 Jn.,T) К2 ) где р , К - -коэффициен ты фазовой чувствительности сигналов Uf, и по давлению Р за счет изменения параметров звукопровода в направлении максимумо первого и второго лепестков, соответственно, диаграммы направленности излу- чающего преобразователя 4: . av, коэффициен ы фазовой чувствительности сигналов Uj, и Uf,j,no те пературе Т за счет изменения параметров материала звукопровода от температуры Т в направлениях максим мов первого и второго ле10пестков, соответственно, диаграммы направленности излучающего преобразователя 4. При этом благодаря использованию для материала звукопровода кварца LC-среза, взаимозависимость коэффиК р и , KjT циентов К - из-за влияния температуры на силовую чувствительность и давления на температурную чувствительность незначительна. Сигналы и, и и через фазостабильные усилители 8 и 9, не внося щие дополнительных фазовых сдвигов, поступают на первые входы фазовых детекторов 10 и 11 соответственно, причем на вторые входы этих детекторов при этом поступает высокоста- „ „ „ / „ бильный сигнал U.., U 91п(и)„-(;+Ч,,)с аг m v о о выхода автогенератора 1. Поскольку на входы каждого из фазовых детекторов поступают сигналы и, , Ug и и„, и у,, , соответственно, с одинаковыми частотами, но различными фазами, то на выходах фазовых детекторов получаем сигналы в виде изменяющихся постоянных напряжений и, и j, уровни которых пропорциональны изменяннцимся в процессе варьирования Р и Т временам заfo сигналов и... и и держки f в звукопроводе УЛЗ 3 V4i(nr.). , . V(V%) где К, крутизны характеристик преобразования фазовых детекторов 10 и II соответственно . Сигналы и ip и выходов фазовых детекторов поступают на входы АЦП 12 и 13, где преобразуются в кодовые сигналы вида 1У у г У10- а.х, + а2.гХг - цифровые значения вегде и у. личин КфгУ„ соответственно; -цифровые значения У, и у сигналов -цифровые значения 1 « величин лР и ДТ ; 11 соответственно цифровые значения величин и ,; а„ н а. - соответственно цифро вые значения величин Ф KjTК,„и К фг Так как цифровые сигналы у и у СBiiixoflOB АЦП 12 и 13 поступают на входы вычислительного блока 14, который должен решать систему уравнений (4 ) онределяя цифровые величины и знаки приращения ЛР и Т измеряемых давлений Р и температуры Т , то для определения величин коэффициентов а , а а„ и величин У-( и у , которые необходимо знать для решения системы уравнений (4 }, в постоянную память блока 15 памя ти необходимо внести цифровые значения измеренных на этапе наладки устройства величин Кф, -jp К., , ) ягакже величины ,пронорщ1ональные начальным значениям давления Рд и температуры , ин формация о которых в цифровом виде также должна содержаться в блоке. 15 памяти. Поскольку, благОдаря анизотропии свойств кварца, коэффициенты чувств тельности , и К , К во всем диапазоне изменения давления Р и тем пературы Т удовлетворяют соотношеВИЯМ const K p cons-tii K consf,TO уравнения системы (4) всегда Ь езависимы, а сама система всегда разрешима относительно искомых сигналов х, X., В связи с этим вичислительный блок 14 с учетом информации, записанной | в блоке памяти, решает систему (4 следующим образом. ,(5-) где X - вектор искомых сигналов; V / ) I вектор выходных ,сигналов АЦП 12 и 13 с учетом нектоP -I JА - матрица обратная матрице Таким образом из уравнения 5 вид но, что вьгаислительный блок, который может напримерJбыть реализован на основе микро-ЭВМ на основе имеющейся информации осуществляет вычисление матрицы А и обращает ее, Далее эта матрица А умножается на вектор у| Y - Y и полученные цифровые оценки и 2 приращений давления Р и температуры Т контролируемой среды суммируются с учетом их знаков с цифровыми оценками началь- ных значений давления Р и температуры Т(, . В результате на выходе преобразователя получаем информацию в виде двоичных кодов N(r) и N(T) о текущих значениях давления и температуры в контролируемой среде.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий автогенератор, два преобразователя аналог-код, выходы которых подключены к входам вычислительного блока, соединенного с блоком памяти, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере.ния исследуемых параметров путем.улучшения степени взаимодействия чувствительного элемента с контролируемой средой, в него введены два усилителя, два фазовых детектора и двухотводная ультразвуко вая линия задержки на объемных акустических волнах, используемая в качестве чувствительного элемента, излучающий преобразователь которой соединен с выходом автогенератора, а приемные преобразователи соответственно через усилители подключены к первым входам фазовых детекторов, входы которых подключены к выходу автогенератора, а выходы под(Л ключены соответственно к входам преобразователей аналог-код. / СО о к fl ta