Датчик давления Советский патент 1989 года по МПК G01L11/00 G01L11/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения полных и парциальных давлений газов.

Цель изобретения - расширение области применения датчика за счет обеспечения возможности одновременного измерения полного и парциального давлений газов.

На фиг. 1 изображен датчик, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - разрез 5-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема включения датчика в измерительную схему; на фиг. 5 - пьезоэлектрическая пластина с линиями

задержки, разрез (в увеличенном масштабе) .

Датчик давления (фиг. 1) содержит чувствительный элемент (ЧЭ) 1, выполненный в виде монокристаллической колпачковой мембраны с утолтенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с пьезоэлектрическим диском 3, расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5. Глухое торцовое отверстие 4 выполнено по оси симметрии пластины 5 диаметром, превышающим толпшну плпстины 5. Это условие является обязательным

00

для работы предлагаемого устройства. Допустимым является превышение дна- метра по сравнению с толщиной плести ны 5 в пределах 10%. Пьезоэлектричес кий диск 3 имеет толщину не более 1,5 мм и диаметр, равный диаметру от верстия пластины. Он расположен так, что может перемещаться вдоль отверстия 4, Работоспособность устройства определяется контактом между пластиной 5 и пьезоэлектрическим диском 3 в направлении распространения поверх ностной акустической волны (ПАВ).

Осуиествить требуемую точность из мерения можно путем выбора соответст вуюцего диска, имеющего контакт с пластиной, но не обладающего большими усилиями этого контакта. Пластина 5 закреплена отверстием вниз на пере ходном диске 6 корпуса 7 датчика. Пе подвижность крепления пластины 5 обеспечивают держатели 8. На монокристаллической колпачковой мембране выполнена линия задержки (ЛЗ-1), сое тоящая из пары входных и выходных встречно-штыревых преобразователей (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ) 9, а на пьезоэлектрической пластине 5 с противоположных ее сторон - две идентичные линии задерж ки (ЛЗ-2) и (ЛЗ-3), состоящие из пар входных и выходных ВГЩ ПАВ 10 и пери одических отражательных решеток 11, нанесенных на слой материала 12, селективного по отношению к исследуемому компоненту газа.

Датчик работает следующим образом При отсутствии в измерительной камере датчика исследуемого газа (фиг. пьезоэлектрический диск 3 находится в глухом торцовом отверстии 4 пьезоэлектрической пластины 5 в определенном положении (например, соответствующем атмосферному давлению). При подаче напряжения питания на входные ВШИ 9 и 10, оно преобразуется в частоту „ . П.В, проходящая по монокрис- таплической колпачковой мембране, не изменяя своей траектории, доходит до выходного ВШП 9, обеспечивая устойчивую генерацию сигнала на частоте Другие же ПАВ, распространяясь по противоположным поверхностям пластины 5, достигают периодических отражательных решеток 11, нанесенных на слое материала 12, селективного по отношению к исследуемому компоненту газовой смеси.

10

15

В том месте дисперсионной структуры, где расстояние между соседними периодическими отражательными решетками достигает интервала в половину длины волны, происходит отражение ПАВ, которая, пройдя через пьезоэлектрический диск 3, достигает аналогичной области периодических отражательных решеток 11. Здесь волна опять отражается от решеток и изменяет свою траекторию по направлению к выходному ВШП 10.

Таким образом, обеспечивается генерация сигнала частоты fg в ЛЗ-2. Причем начальное значение

-02

Voi

т„

25

30

35

)40

45

50

55

.

20 где Vg - скорость распространения

ПАВ;

о - пространственный шаг периодических отра кательных решеток,

выбирается исходя из величины Лд, находящейся на линии, проходящей через пьезоэлектрический диск 3 и периодические решетки 11. Эта линия соответствует направлению акустического луча ПАВ.

Возникновение генерации автогенератора на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч отраженных ПАВ сместился бы относительно диска 3 и не достигнул бы выходного ВШП 10. Тоже самое происходит с ПАВ в ЛЗ-3, расположенной с обратной стороны пластины 5 (фиг. 5). При отсутствии в газе компонента, парциальное давление которого измеряется, на поверхности материала 12 адсорбции газа нет. Скорости ПАВ V(j VQ равны благодаря выбору начального положения пьезоэлектрического диска 3, обеспечивающего fo foj.

Начальная частота автогенератора f, образованного усилителем 13 (фиг. 4) и В11Ш, расположенными на звукопроводе - ЧЭ-1 (ЛЗ-1), выбирается равной частотам других автогенераторов, образованных усилителями 14 и 15, ВШП 10 и периодическими отражательными решетками 11, расположенными на слое материала 12, селективного по отношению к исследуемому газовому компоненту, которые выполнены на зву- копроводах 16 и 17 пьезоэлектрической пластины 5 (ЛЗ-2 и ЛЗ-3). При этом используется дифференциальная схема

пклпчения ЛЗ-2 и ЛЗ-3, в которой производятся сравнение (вычитание) выходных сигналов двух ПАВ генераторов ЛЗ-2 и ЛЗ-3 в смесителе 18 и выделение сигнала разностной частоты с помоцью фильтра нижних частот (W4) 19 на регистрирующем устройстве 20, Сигнал с ЛЗ-1 выделяется на регистрирующем устройстве 2J.

При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ-, что, в свою очередь, приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 3 (фиг. Г) вдоль оси глухого торцового отверстия 4 пластины 5, что оответ- ствует смещению акустического тракта для распространения ПАВ. При этом все три автогенератора изменяют свою частоту колебаний. В первом автогенераторе, образованном усилителем 13 (фиг. 4) и ВШП, расположенными на звукопроводе ЧЭ-1, частота уменьшается. Это обусловлено деформацией зву

торов &fj, которая, пройдя через ФНЧ 19, фиксируется на регистрирующем приборе 20, Таким образом, изменение результирующей частоты &f пропорционально перемещению пьезозлектрическо го диска (величине полного давления газовой смеси) и парциальному давлению исследуемого компонента газовой смеси, а изменение частоты в первом автогенераторе /if, пропорционально только полному давлению газовой смеси и выделяется с помощью регистрирующего устройства 21.

В качестве материала, селективного к определенному компоненту газовой смеси, можно выбрать следуицие тонкие пленки: при измерении кислорода - ZnO, ZrO, TiOj и др.; при измерении водорода - Pd (или его сплавы с Ti, V, Та), PdO, WO,, PtO и ДР.; при измерении CQ - , Ag,0, и др.

Материал в каждом коикретиом слу

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам и датчикам для измерения давлений газов. Целью изобретения является расширение области применения датчика за счет обеспечения возможности одновременного измерения полного и парциального давлений газа. Датчик состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) -монокристаллической колпачковой мембраны, на которой расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), образующие линию задержки (ЛЗ), с помощью которой измеряется полное давление газа. На пьезоэлектрической пластине, консольно закрепленной в корпусе, с противоположных ее сторон находятся две идентичные линии задержки, состоящие из ВПШ ПАВ и периодических отражательных решеток, выполненных на слое материала, с помощью которых измеряется парциальное давление газа. В боковой части пьезоэлектрической пластины по оси симметрии выполнено глухое торцовое отверстие, внутри которого находится пьезоэлектрический диск диаметром, равным диаметру отверстия, который посредством штока жестко соединен с монокристаллической мембраной. 5 ил.

копрозода 43. Во втором автогенерато- 25 чае выбирается в зависимости от концентрации, рабочей температуры, а также технологии нанесения пленок. Благодаря варьированию специально ориентированных срезов или кристал30 лов моиокристаллического пьезоэлект- рика (кварца и др.), а также благодаря дифференциальной схеме включения ЛЗ-2 и ЛЗ-3, температурная составляющая погрешности устройства мо,с жет быть практически уменьшена до нуля.

Расширение области применения датчика и повышение точности измерения происходит за счет того, что благода40 ря выбранной конструкции устройства можно с большей степенью точности измерить изменение частоты, пропорциональное измеряемому полному и парциальному давлениям. Чувствительность

45 к изменению давления может быть выbfражена Г

ре (ЛЗ-2) устанавливаются колебания с частотой, соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11 (фиг. I) по линии, перпендикулярной оси глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 и проходящей через диск 3.

Изменение пространственного шага периодических отражательных решеток II задается их топологией таким образом, что при перемещении диска 3 Хд уменьшается. Следовательно, частота автогенератора увеличивается. В третьем автогенераторе (ЛЗ-3) устанавливаются колебания с частотой, также соответствухяцей пространственному шагу периодических отражательных решеток II (фиг. 5). Однако в отличие от ЛЗ-2, при перемещении диска 3 Ад увеличивается, т.е. увеличивается частота автогенератора f . Кроме того, при наличии в газе компонента, к которому селективен материал 12, начинается его адсорбция на данном материале с изменением скорости протекания через него ПАВ - V

и У.

3

т.е.

частота во втором автогенераторе определяется выражением

iz:

32:

Tl

Vo,

a в третьем где А, -Л,

ся

А, , -м г На смесителе 18 (фиг. разность частот обоих

4) выделяет- автогенеоайРОтносительная чувствительность

(&f/f) определяется помимо изменения 50 относительной деформации (полное давление), изменением uf, обусловленным топологией периодических отражательных решеток и материалов, селективным по отношению к определенной компоненте газовой смеси, входящих в состав ЛЗ-2 и ЛЗ-3. Следовательно, за счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, не жесткой связи между ни55

bf ражена Г

йР Относительная чувствительность

(&f/f) определяется помимо изменения 0 относительной деформации (полное давление), изменением uf, обусловленным топологией периодических отражательных решеток и материалов, селективным по отношению к определенной компоненте газовой смеси, входящих в состав ЛЗ-2 и ЛЗ-3. Следовательно, за счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, не жесткой связи между ни5

ми, изменения тополоп1н периодических отражательных решеток и материала, на котором они выполнены, использования различных срезов пьезоэлектрических материалов, oблaдakциx высокими коэффициентами включения ЛЗ-2 и ЛЗ-3 для исключения температурных погрешностей, составляюсшх единицы процентов на 10°С, можно добиться одновре- менного измерения как полного, так и парциального давлений газа с повышенной точностью измерения.

Формула изобретени

Датчик давления по авт. св. 9 1384983, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возможности одновременного измерения полного и парциального давлений га- зов, он снабжен вторыми дополнительными входным и выходным встречно- штыревыми преобразователями поверхностных акустических волн с периоди-

. 5

х |g 2025

15

ческими отражательными решетками, размещенными с другой стороны пьезоэлектрической пластины и имеюпщми топологию, аналогичную первым дополнительным встречно-штыревым преобразователям поверхностных акустических волн с отражательными решетками, причем вторые входные и выходные встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн расположены на пьезоэлектрической пластине в зоне ее задержки, а на пьезоэлектрическую пластину в местах расположения отражательных решеток нанесены пленочные подложки прямоугольной формы, выполненные из материала,обладающего адсорбирующими свойствами по отношению к определенному газу, при этом отражательные решетки размещеш на соответствующих подложках зеркально-симметрично одна относительно другой, а первые и вторые дополнительные встречно-штыревые преобразователи включены по дифференциальной схеме.

ф1/г.

Л-А

(puU

Составитель А.Амаханов Редактор Н.Киштулинец Техред А.КравчукКорректор О.Кравцова

:1аказ 7212/35

Тираж 789

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Производствеино-издательскиЛ комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Фиг.

ч И1П1Ш1ПП1Ш1

;/ fo

Фиг.5

Подписное