Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля Советский патент 1987 года по МПК G01K7/32 G01L1/16 

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и предназначено для одновременного измерения нескольких физических величин в локальном объеме измерительного поля.

Целью изобретения является обеспечение измерения ускорения,

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля; на фиг. 2.- конструкция трехпараметрового чувствительного элемента (датчика) ; на фиг. 3- разрез А-А на фиг. 2.

Устройство для одновременного изменения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля (фиг. 1) содержит трехпа- раметровый чувствительный элемент (датчик) 1 с шестью кварцевыми резонаторами 2, подключенными к соответствующим автогенераторам 3, выходы которых, подключены к вторым входам смесителей 4, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих преобразователей 6 частота-код,. вторые входы которых подключены к выходу опорного генератора 5,соединенному с первыми входами смесителей 4, дополнительные входы преобразователей 6 частота - код подключены к выходу вычислительного блока 7, соединенного с блоком 8 памяти, а выходы преобразователей 6 частота - код соединены с входом вычислительного блока 7.

Трехпараметровый чувствительный элемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 9 и изготовленные за одно целое с ним мембрану 10 и шесть пар поддерживающих мембранных стоек 11. В корпусе 9 на поддерживающие мембранные стойки 11 установлена кварцевая пластина (LC-среза) 12 с шестью ступенчатыми электродами 13. На опорные шайбы

14установлен пьезокварцевый диск

15(LC-среза) с шестью плоскими электродами 16, поджатый с торцов пружинами 17. Весь корпус закрыт крышкой 18.

Трехпараметровый чувствительный элемент 1 находится под действием температуры T(Xj), давления Р() и ускорения g(X5), действующего в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 9 и проходящей через середины пружин 17. Пьезокварцевый

0

диск 15 с плоскими электродами 16 выполнен из материала такого LC--cpe- за как и пьезокварцевая пластина 12 со ступенчатыми электродами 13, а также одинаковую с пьезоквар- цевой пластиной 12 ориентацию относительно ступенчатых электродов 13 пьезокварцевой пластины 12. Середина каждой соответствующей мембранной стойки 1, центр пьезокварцевой пластины 12 и центр соответствующего ступенчатого электрода 13 находятся на одной прямой, а углы между этими прямыми составляют 60 . Вид сверху на

пьезокварцевую пластину 12 со ступенчатыми электродами 13, установленную в поддерживающих мембранных стойках II, представлен на фиг. 2. Углы (фиг, 3) между осью z и направлениями прикладываемых усилий при действии давления составляют в данном случае 15, 75, 135, 195, 255, . 315 , что позволяет получить коэффициенты силовой чувствительности для резонаторов 2, различных по величине и знаку.

Пьезокварцевый диск 15 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполняет роль массы, используемой в акселерометрах. При этом ширина и конфигурация пружины 17, ограничивающей перемещение пьезокварцевого диска 12 по поверхности опорных шайб 14, выбира5 ется такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действия ускорения и максимальную жесткость во всех остальных направлениях. Ступенчатые электроды 13, центры которых расположены под углом 60 относительно центра пьезокварцевой пластины 12, нанесены на ней так, чтобы плоскости ступенек были перпендикулярны направлению действия ускорения.

5

0

0

5

0

5

В процессе сборки многопараметрового чувствительного элемента на мембрану 10 воздействует давлением выше максимального измеряемого, при этом поддерживающие мембранные стойки 11 отклоняются в стороны и в них вставляется пьезокварцевая пластина 12 со ступенчатыми электродами 13, причем так, как это показано на фиг. 2. При снятии давления кварцевая пластина оказывается зажатой в мембранных стойках 11, а векторы силы F при этом направлены по осям,

соедиияюпшм середины соответствую- пщх электродов 13. При подаче измеряемого давления . происходит изменение сжимаю1цих усилий, прикладываемых к кварцевым резонаторам 2 и пропорциональных воздействуюгдему дав- лепию. Причем, поскольку вектор усилий для каждого из резонаторов иапраг;- лен относительно оси Z под разным углом, то силовые коэффициенты чувствительности различны по величине и знаку,

Пьезокварцевый диск 15 под действием цружин 17 устанавливается относительно зажатой пьезокварцевой пластины 12 так, чтобы плоскость симметрии каждого резонатора проходила через диаметр каждого плоского электрода 16 пьезокварцевого диска 12 и вдоль плоскости раздела массы соответствующего ступенчатого электрода 13 пьезокварцевой пластины 12.

Таким образом., в трехпараметровом чувствительном элементе 1 имеется шесть кварцевых резонаторов 2, состоящих каждый из кварцевой пластины 17 и двух электродов: ступенчатого 13 и плоского 1 6.

Диаметр каждого плоского (подвижного) электрода 16 меньше соответствующего (нейодвижного) электрода 13, Подбором жесткости пружин 17 и соотношением высот и толщиной ступенчатых электродов 13 можно варьировать коэффициенты чувствительности к перемеще- 35 образом.

кию или коэффициенты мае сочу вств.и- тельности кварцевых резонаторов 2,

Температурные коэффициенты чувствительности однозначно определяются выбранным типом среза кварцевых резонаторов (LC-срез).

f f,+aUx,-Xj+a°,(X,-Xj,)+ar,()+a°,(X,-X) (Х,-Х ) + ,(Х,-XJ (Х,-Х)+а°,(Х,-Х) (Хз-Х) .. .

f « Va6,(X, -Х„)+а°(Х2-Хг)+а°,(Х5-Х„)+а,,(Х, -2Х,,) (Х,-Х,,) + +a,Vx, -Х„) (X,-X)-a°g() (,,; ,

где a;-(,6; ,3) - коэффициенты термо-, тензо- и масс-чувствительности кварцевых резонаторов;

a; (,6; ,6) - коэффициенты смешанных чувствительностей;

X , Х, Xj - измеряемые температура, давление и ускорение;

X,,,, Х

X,

10 20 50 координаты реперной точки X(j, в которой определялись коэффициенты чувствительности а;, (i,

,6);

fO

t5

7:-4;-.4

Таким образом, в трехпараметро- ном чувствительном -элементе 1 возде ствие температуры ТС,) и;; кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации (эффект термочувстзительности). При H3 teHerU воздействующего давления Р( происходит изменение сжимающих усилий, цропорционаиьных давлению и прикладываемых к кажд ому резонатору (эффект тензочувствитель- ности). Воздействие ускорения рДХд) приводит к изменению взаимного расположения подвижных (плоских) электродов 16 пьезокварцевого диска 15 и неподвижных (ступенчатых)электродов 13 пьезокварцевой пластины 12, а следовательно, и изменению массы в активной зоне резонаторов (эффект масс-чувствительности).

Другими словами, резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 зависят от температуры, прикладываемых усилий и величины массы в активной зоне. Благодаря такой многопарамет- ровой чувствительности кварцевых резонаторов имеется возможность строить устройства для одновременного измерения нескольких (в предлагаемом устройстве трех) физических величин в локальном объеме измерительного поля, базирующиеся на многопарамет- ровом методе измерений.

Устройство работает следующим

20

30

В результате воздействия на чувствительный элемент с пьезоквар- цевыми резонаторами 2 температуры, давления и ускорения частоты автогенераторов 3 изменяются следующим образом

(1)

f; ( ,6) - начальные частоты автогенераторов 1-ши частоты автогенераторов в реперной точке.

В выражениях системы () учтено имеющееся на практике взаимное влияние измеряемых параметров на соответствующие коэффициенты чувствительности, т.е. температуры на тен- зо- имасс-чувствительность силы на термо- и масс-чувствительность, ускорения на термо- и тензочувствительность, которе выражается в первом приближении в виде

а-а°.н1: 4(ХЕ-Хе,);

(,6, ,3),

(2)

.i

где k.jj - коэффициент взаикшого влияния Р-го измеряемого параF-(f,,-f,)+a° (X, -Х„)+а;(Х,,) -., .а;(,Р (Х,-Х„) F6(Vfo )+4(Х, -X,,)(X,-Xj.. .+а°,(Х,) (Х,-Х)

Эти сигналы поступают на вход соответствующих преобразователей 6

ли

У, -а° (X, -Х„)+а„(Х,)+.. .- а ДХ-Х) (Х,-Х.„)

УЙ аб,(Х,-Х,о)+а,(Х4-Х„)+.. .+a°,(Xj-X,,) (Х,-Х„)

25

(5)

(X-Xp,

де V - вектор сигналов с преобразователей частота - код; А - матрица преобразований, имеющая следующий вид:

30

Принцип дей блока 7 по двух чается в следу формирует на ш ствующего пери одного из прео та - код или б устройство выд шине данных, вычислительно шифратор, нахо ле частота - именно к данн стота - код п выставляет на ветствующий и торая считыва блоком. Вычис быть реализов микроэвм Эле гого типа. Формула

А

о

а,б

я° я° я с1, .л« dx

о о а„а.

(6)

fii W 66

С выходов преобразователей 4 частта - код сигналы V поступают в вычи слительньш блок 7, где происходит перемножение вектора сигналов V на обратную матрицу коэффициентов преобразования А

(х-х) A V, . (7)

вызьшаемую из блока памяти 8. В результате получается оценка

(х,-х,„) . (х,-х,/ ,...-.. .1(хгх.о) W

одновременно действующих на много- параметровый чувствительный элемент 1 измеряемых физических величин

л ( i A-rt « Л. ,

I

Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления, ускорения в локальном объеме измерительного поля управляет 1ц.1чис- лительный блок 7, который связан с блоком 8 памяти, преобразователями 6 частота - код по двухшинной системе . Имеются шины адреса и шины данных.

метра на соответствуюпщй коэффициент чувствительности a;j,

Сигналы с частотами f,,f,,,..,fg с выходов автогенераторов поступают на первые входы соответствующих смесителей 4, на вторые входь которых поступают сигналы частоты f с опорного генератора 5, в результате чего на выходах смесителей 4 имеются низкочастотные сигналы вида

(3)

частота - код, на выходе которых преобретают кодовую (цифровую) форму

(4)

5

0

5

0

0

5

Принцип действия вычислительного блока 7 по двухшинной системе заключается в следующем. Сначала блок формирует на шине адреса код соответствующего периферийного устройства: одного из преобразователей 6 частота - код или блока памяти 8 - и это устройство выдает свою информацию по шине данных, которая считывается в вычислительном блоке 8. Причем дешифратор, находящийся в преобразователе частота - код определяет, что именно к данному преобразователю частота - код произошло обращение и выставляет на шине данных код, соответствующий измеренной частоте, которая считывается вычислительным блоком. Вычислительный блок может быть реализован, например, на основе,, микроэвм Электроника ДЗ-28 или другого типа. Формула изобретения

Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля, содержащее чувствительный элемент с тремя кварцевыми резонаторами, подключенными к трем автогенераторам, три преобразователя частота - код, , выходы которьгх подключены к входу вычислительного блока, соединенного с блоком памяти, отличаю ще- е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет

обеспечения измерения ускорения, в него введены три дополнительных: автогенератора, шесть смесителей, три дополнительных преобразователя частота - код и опорный генератор, а чувствительньш элемент снабжен трем дополнительными кварцевыми резонаторами, подключенными к соответствующим дополнительным автогенераторам, при этом выходы дополнительных преобразователей частота - код под

ключены к входу вычислительного блока, выход которого соединен с дополнительными входами всех преобразователей частота - код, первые входы которых подключены соответственно к выходам смесителей, а вторые входы подключены к выходу опорного генератора, соединенному с первыми входами смесителей, вторые входы которых подключены соответственно к выходам автогенераторов,

/7 / ;j /J 75 76

Г

78

Ю

фиг. 2

А-А

77 73

Изобретение относится к электрическим измерениям неэлектрических величин. Цель изобретения - обеспечение -измерения ускорения. Устройстфцni во содержит трехпараметровый чувствительный элемент 1 с кварцевыми резонаторами 2, автогенераторы 3, смесители 4, опорный генератор 5, преобразователи 6 частота-код, вычисли- тельньй блок 7 и блок 8 памяти. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет благодаря многопа- раметровой чувствительности кварцевых резонаторов 2 строить устройства для одновременного измерения нескольких физических величин в локальном объеме измерительного поля, базирующиеся на многопараметровом методе измерений, так как резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 зависят от температуры, прикладываемьк усилий и величины массы в активной зоне. 3 ил. с &

Составитель В.Куликов Редактор Т.Парфенова Техред И.Попович

Заказ 1619/38 Тираж 777Подписное

ВНИШИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и- открытий И 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб.., д. 4/5

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

Корректор Л.Патай