Акустоэлектронный газоанализатор Советский патент 1987 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в аналитическом приборостроении для определения состава газовых и жидких сред, в металлургии, прецизионной химии для контроля и регулирования технологических процессов.

Цель изобретения - повьшение чувствительности и расширение диапазона измерения за счет обеспечения трансформации волны Лэмба в квазирелеев- скую волну или поперечной объемной акустической волны в поверхностную акустическую волну и дифференциальной схемы измерения.

На фиг,1 изображен акустоэлектрон- ный газоанализатор, вид спереди; на фиг.2 - разрез А-А на фиг,1.

Акустоэлектронный газоанализатор

сти от типа газообразного вещества, содержание которого определяется, например, двуокись кремния для паров воды, поливинилхлорид для паров

5 ацетона, триэтиламин для газа двуок си серы.

Без сорбента чувствительность пр бора уменьшается, а стабильность ха рактеристик улучшается. Принципиаль

10 ной необходимости в пленках сорбента нет, так Как работоспособность устройства сохраняется и без нанесения сорбента.

На краях звукопроводов нанесены

5. поглотители 12 и 13 акустических волн из низкомодульных материалов, -например резины.

I Корпус 1 с закрепленными на нем звукопроводами установлен на плате.

содержит корпус 1, размещенные в нем 0 1А внутри герметичного баллона 15,

звукопроводы из двух пьезоэлектрических слоев 2, 3 и 4, 5, например пьезокварца УХ-среза и ниобата - метия

YZ-среза. В слоях 2 и 5 скорость

заполненного инертным газом и выполняющего роль экрана. Электроды ВШП соединены с внешними электрическими цепями через гермовводы 16 - 23.

i о . i JJlUnA JL, Vi Cn- JpUl lbОС

ВОЛНЫ меньше, чем в слоях 3 и 4.СлоиЦентры отверстий в корпусе 1 совпа2 ,3 и 4,5 соединены между собой связую- центрами отверстий в плате 14. щим веществом, например легкоплавким : Устройство работает следующим об- стеклом или высокомодульным клеем. Оба звукопровода изогнуты так, что

разом.

С помощью ВШП 6 в первой двуслой ной пластине (звукопроводе) возбуждается первая объемная акустическая волна (ОАВ),, скорость которой зависит от физических свойств материала слоев 2 и 3 и их толщины. Для струкслои 2 и 5 с меньшей скоростью распространения акустической волны рас тянуты, а слои 3 и 4 с большей скоростью сжаты.

Напряженно-деформированное состояние звукопроводов обеспечивается их жесткой связью с основанием корпуса по контуру и необходимой шириной периферийных участков торцовых поверхностей корпуса 1, контактирующих с звукопроводами. На поверхности слоя 2 предварительно сформированы входной 6 и выходной 7 встречно-штыревые преобразователи (ВШП) акустических волн. Аналогичные ВШП 8 и 9 размещены на поверхности слоя 4 второго звукопровода. Суммарная толщина двух слоев пластины не превьшгает пяти периодов решетки В1Ш: для периода решетки 100 мкм (длина волны 0,1мм) толщина пластин не превышает 0,5 мм, Корпус 1, первьй и второй звукопроводы образуют емкость, внутри которой на поверхности слоя 3 нанесен слой сорбента 10, а на поверхности

ной пластине (звукопроводе) возбуж дается первая объемная акустическа волна (ОАВ),, скорость которой зави сит от физических свойств материал слоев 2 и 3 и их толщины. Для стру

35 туры кварц-ниобат ли.тия скорость в ны (волны Лэмба) лежит в пределах 3, 1... 3,85 км/с. Если толщины слвев равны, то скорость волны сос вляет примерно 3,5 км/с.

40 Первая ОАВ достигает выходной

ВБШ 7 за время

45

50

k

V

где 1 - расстояние между ВШП 6 и 7 V - средняя скорость распространения ОАВ в двухслойной структуре со слоями 2 и 3.

Средняя скорость ОАВ в недеформи рованной тонкой пластине практически не отличается от скорости ОАВ в изогнутой пластине, так как энерслоя 5 - слой сорбента 11. В корпусе гия ОАВ передается по всему объему 1 выполнены отверстия, которые соеди- пластины. В этом случае изменение няют емкость с внешней средой. Материал сорбента выбирается в зависимос.корости в зависимости от деформаци компенсируется деформациями протисти от типа газообразного вещества, содержание которого определяется, например, двуокись кремния для паров воды, поливинилхлорид для паров

ацетона, триэтиламин для газа двуокиси серы.

Без сорбента чувствительность прибора уменьшается, а стабильность характеристик улучшается. Принципиальной необходимости в пленках сорбента нет, так Как работоспособность устройства сохраняется и без нанесения сорбента.

На краях звукопроводов нанесены

поглотители 12 и 13 акустических волн из низкомодульных материалов, -например резины.

I Корпус 1 с закрепленными на нем звукопроводами установлен на плате.

заполненного инертным газом и выполняющего роль экрана. Электроды ВШП соединены с внешними электрическими цепями через гермовводы 16 - 23.

центрами отверстий в плате 14. Устройство работает следующим об-

разом.

С помощью ВШП 6 в первой двуслойной пластине (звукопроводе) возбуждается первая объемная акустическая волна (ОАВ),, скорость которой зависит от физических свойств материала слоев 2 и 3 и их толщины. Для структуры кварц-ниобат ли.тия скорость волны (волны Лэмба) лежит в пределах 3, 1... 3,85 км/с. Если толщины слвев равны, то скорость волны составляет примерно 3,5 км/с.

Первая ОАВ достигает выходной

ВБШ 7 за время

k

V

где 1 - расстояние между ВШП 6 и 7; V - средняя скорость распространения ОАВ в двухслойной структуре со слоями 2 и 3.

Средняя скорость ОАВ в недеформиованной тонкой пластине практически не отличается от скорости ОАВ в изогнутой пластине, так как энергия ОАВ передается по всему объему пластины. В этом случае изменение

с.корости в зависимости от деформации компенсируется деформациями проти3

вопо.иожного знака в слое 2 . par-j sr- жение) и слое 3 (сжатие).

Аналогичным образом вторая ОАВ возбуждается входным В1Ш 8 и достигает выходной ВШП 9 за время

Т Ь

2 V 5

где 12 расстояние между ВШП8 и 9; V средняя скорость в двухслойной структуре со слоями 4 и 5.

При нанесении тонких слоев сорбета 10 и 11 скорость ОАБ изменяется незначительно за счет эффекта мае- сонагружения звукопровода. При наличии в газовой среде определенного компонента, который поглощается материалом сорбента 10 и 11 происходит следующее.

Энергия ОАВ перераспределяется так, что большая ее часть передается через слой, на поверхности которого отсутствует пленка сорбента: в первой пластине - через слой 2, во второй - через слой 4. При этом происходит трансформация типов волн:

ОАВ преобразуется в квазирелеевскую поверхностную волну. Скорость перво акустической волны при этом меньше, а второй больше, чем в первоначальном состоянии.

Дополнительное изменение скорост происходит за счет эффекта акустоуп ругости: Уменьшения скорости первой акустической волны в слое 2, в котором преобладают деформации растяжен и увеличение скорости в слое 4, вызванное деформациями сжатия,

Изменение скоростей акустических волн пропорционально концентрации вещества, содержащегося в газовой среде.

Происходит также увеличение длины акустического пути, проходимого ква- зирелеевской волной в первой пластине и уменьшение во второй пластине.

Время задержки акустической волны в первом звукопроводе увеличивается, а во втором уменьшается:

+ дт

- лТ.

V, - - av;

V,

v; + (sv.

где , ftl, изменение длины акустического пути в первом и втором звуO

5 0

5

копрсятдах за счет трансформации ОАВ в квазирелеевскую соответственно в растянутом слое 2 и сжатом слое 4; uV ,uV - соответствующее изменение скорости в первом и втором звуко- проводах, связанное с перераспределением энергии акустических колебаний в слой 2 и слой 4;

uV , iVj - дополнительное изменение скорости первой и второй акустических волн за счет растяжения слоя 2 и сжатия слоя 4.

При деф(1)еренциальном включении выходных электродов первого и второго звукопроводов полезное изменение времени задержки определяется в виде:

лТ Т + дт, - (т

- ьт,).

т.т,

йТ„ дТо имеют

При Т ri ьТ 2 дТ .

Изменение времени задержки,вызван-- ное нагревом звукодроводов, компенсируется, так как происходит примерно одинаковое изменение размеров звукопровода и скорости волны в них.

Информация о концентрации вещества или влагосодержания представляется либо в фазовой форме при использовании внешнего высокостабильного генератора, либо в частотной при включении выходных электродов ВШП в состав генераторов с задержанной обратной связью.

Ф о

изобретения

45

Акустоэлектронныйгазоанализатор содержащий корпус и размещенный в нем звукопровод с нанесенными на

50 одной из его поверхностей встречно- штыревыми преобразователями и слоем сорбента на противоположной, о т - личающийс я тем, что, с це- гпзю повьш1ения чувствительности и

4fj расширения диапазона измерений, он снабжен размещенным в корпусе параллельно первому вторым звукопроводом с встречно-штыревыми преобразователями и слоем сорбента, звукопроводы

изогнуты и выполнены из двух пьезоэлектрических слоев с разной скоростью распространения акустических волн, поверхности звукопроводов с сорбентами образуют емкость, соединяемую с внешней средой, на наружной поверхности которой размещены ;изолированные от внешней среды встречно-штыревые преобразователи, слои звукопроводов со стороны выпуклой поверхности выполнены из материала с меньшей скоростью распространения акустических волн, а толщина звукопроводов не превышает пяти периодов решетки встречно-штыревых преобразователей.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения состава газ овых и жидких сред. Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение диапазона измерения за счет обеспечения трансформации волны Лэмба в квазирелеевскую волну или поперечной объемной акустической волны в поверхностную 16 акустическую волну и дифференциальной схемы измерения. Звукопроводы аку- стоэлектронного газоанализатора изогнуты, выполнены из двух пьезоэлектрических слоев 2, 3 и 4, 5 с различными скоростями распространения акустических волн и расположены параллельно один другому. Слои 10, 11 сорбента размещены внутри полости, образованной звукопроводами и соединенной с окр у жающей средой. Встречно-штыревые преобразователи 6, 7.и 8, 9 размещены на наружной поверхности полости и изолированы от окружающей среды. Слои 2, 5 звукопроводов выполнены из материала с меньшей скоростью распространения акустической волны. Изменение скоростей акустических волн пропорционально концентрации вещества, содержащегося в газовой среде. Дифференциальное включение выходных ВШП позволяет скомпенсировать влияние изменения внешних условий. 2 ил. & ю г 00 05 23

Фиг.

Составитель И.Ардашева Редактор М.Бланар Техред Л, Сердюкова Корректор Л. Патай

882/46

Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж--35, Раушская наб., д.4/5

. Проигчподственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4