Датчик давления Советский патент 1991 года по МПК G01L11/00 

t

(21)4621215/10

(22)19.12.88

(46) 30.04.91. Бюл. И- 16

(71)Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьском социалистической революции

(72)С.И.Жуйков, А.А.Чайка, В.Н.Коробов и А.И.Сыроид

(53)531.787.91 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР И- 1384983, кл. С 01 I, 11/00, 1986.

(54)ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

(57)Изобретение относится к измерительной технике, в частности к акус- тоэлектрическим датчикам на поверхностных акустических воинах (ПАВ),

и расширяет функциональные возможности датчика за счет одновременного измерения давления и температуры контролируемой среды. Датчик состоит

из чувствительного элемента (ЧЭ) 1, ныполненного в виде монокристалличес- кпй колпачковой мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с пьезоэлектрическим диском 4, расположенным внутри глухого торцового отверстия 5 пьезоэлектрической пластины 6. На пьезоэлектрической пластине по обе ее стороны лнены две пары вс гречно-штыревых пре. бразователей (ЗШП) ПАВ. Пластина о закреплена отверстием вниз на переходном диске 9 корпуса Ю датчика. На ЧЭ1 размещена третья пара 12 ВШП ПАВ, несущая информацию о температуре. На диск 4 нанесены металлические электроды, с одной стороны соприкасающиеся с основаниями ВШП, которые заземлены, а с другой стороны - с электродами одной из гребенок.ВШП. 6 ил.

Ј

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного контроля давления и температуры газообразных и жидких сред.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей датчика путем одновременного измерения давления и температуры измеряемой среды.

На фиг.1 изображен предложенный датчик, разрез; на фиг,2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - пьезоэлектрическая пластина; на фиг.4 - разре Б-Б на фиг.З на фиг.З - разрез В-В на фиг.3$ на фиг.6 - схема измерения давления.

Датчик (фиг.1) содержит чувствительный элемент (ЧЭ) 1, выполненный в виде монокристаллической колпачко- вой мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2, закрепленного с помощью уплотнителя 3 на ЧЭ, соединена с пьезоэлектрическим диском 4, расположенным внутри глухого торцового отверстия 5 пьезоэлектрической пластины 6 Отверстие 5 выполнено параллельно ос симметрии пластины 6 диаметром, превышающим толщину пластины. Это условие является обязательным для работы датчика. По тем частям радиуса диска 4, которые не соприкасаются с пьезоэлектрической пластиной 6, нанесены металлические электроды, соответствующие по ширине электродам встречно-штыревых преобразователей поверх ностных акустических вблн (ВШП ПАВ) пар 7 и 8. При этом эти электроды с одной стороны соприкасаются с основаниями ВШП, которые заземлены, а с другой стороны - самих электродов одной из гребенок ВШП (фиг. 3, S).

Излучающие ВШП представляют собой пленарную структуру противофазных проводящих электродов, сформированную на поверхности пьезоэлектрической пластины 6 с переменным шагом, который у излучающих ВШП пары 7 увеличивается, к периферии пластины по линии, перпендикулярной электродам, а у излучающих ВШП пары 8 его изменение обратно пропорционально изменению шага ВШП пары 7. Приемные ВШП пары 7 и пары 8 представляют собой также планарную структуру противофач ных электродов, сформированную кы поверхности пластины 6 с переменным

5

0

5

0

5

0

5

0

5

шагом электродов. По в отличии от излучающих, изменение шага . i -ктро- дов у приемных ВШП пары 7 и пары 8 одинаково. Он увеличивается к периферии пластины по линии, перпендикулярной электродам ВШП.

Для исключения погрешностей, связанных г. прохождением электрических сигналов по электродам пьезоэлект- ричесього диска 4, допустимым является превышение диаметра диска по сравнению с толщиной пластины 6 в предечах 10%. Пьезоэлектрический диск 4 имеет толщину не более 1,5 мм и диаметр отверстия пластины. Он расположен так, что может перемещаться вдоль отверстия 5. Работоспособность датчика определяется контактом между пластиной и пьезоэлектрическим диском в очках соприкосновения электродов ВШП и диска, а указанные погрешности объясняются силой трения (коэффициентом трения). Нагрузка на ЧЭ определяется приложенным усилием, направленным противоположно силе, создаваемой в ЧЭ измеряемым дрилением. Следовательно, в дннном случае осуществить требуемую точно ть электрического контакта между электродами диска и ВШП можно Путем выбора соответствующего диска, имеющего контакт с пластиной, но не обладающими большими усипнями этого контакта. Пласти- ia 6 закреплена отверстием вниз на переходном диске 9 корпуса 10 датчика. Шток 2 является связующим звеном между пьезоэлектрическим диском 4 и ЧЭ датчика. Неподвижность крепления пластины 6 обеспечивают держатели 11. На монокристаллической кол- пачковой мембране выполнена линия задержки (ЛЗ-1), состоящая из пары ВШП 12, а на пьезоэлектрической пластине 6 - линия задержки (ЛЗ-2), состоящая из пары ВШП 7, и линия задержки (ЛЗ-3), состоящая из другой пары ВШП 8. Отверстие 13 выполнено в корпусе 10 датчика с целью обеспечения вывода проводников к вторичной аппаратуре .

Датчик работает следующим образом.

При отсутствии измеряемого давления и при наличии равенства температур измеряемой среды и среды сравнения (фиг-. П пьезоэлектрический диск 4 ндхолии ч в глухом торцовом

51

отверстии 5 пьезоэлектрической пластины 6 в определенном начальном положении (например, соответствующем атмосферному давлению и нормальной температуры). При подаче напряжения питания через выводные контакты, расположенные в отверстии 13, на излучающие ВШП пар 7, 8 и 12, оно преобразуется в частоту f0 .ПАВ, про- ходящая по монокристаллической коп- пачковой мембране, не изменяя своей траектории, доходит до приемного ВШП пары 12, обеспечивая устойчивую генерацию сигнала на частоте Г0. Дру гие ПАВ возникают между той парой электродов,с которой в данный момент контактируют электроды, нанесенные на пьезоэлектрический диск А, и также, не изменяя своей траектории, до- ходят до приемных ВШП пар 7 и 8. Начальное положение лиска выбирается таким, чтобы все три ЛЗ-1, ЛЗ-2 и ЛЗ-3 имели одинаковое время задержки, т.е. частоту Г0 . Причем значение fQ У/ Лф, где V - скорость распространения ПАВ; Ад - пространственный шаг той пары электродон, которые генерируют ПАВ.

Возникновение генерации автогенератора на другой частоте невозможно. Начальная частота (0 автогенератора, образованного усилителем 14 (фиг. 6) и ВШП, расположенными на звукопроьоде 15 Ч ) 1, выбирается pap ной частоте второго автогенератора, образованного уснчителем 16 и ВШП, расположенными на 1вукопроводе 17 пьезоэлектрической ичлстины 6, а также частоте третьего автогенератора, образованного усилителем 18 и ВШП, расположенными на звукопроводе 19 с другой стороны пьезоэлектрической пластины 6. Равенство частот второго и третьего автогенераторов обеспечивается благодаря начальному положению диска 4 относительно ЛЗ-2 и ЛЗ-3. При этом используется дифференциально-частотная схема включе ния ЛЗ-1 и ЛЗ-2, в которых происходи сравнение (вычитание) выход.ых сигналов двух ПАВ генераторов ЛЗ-1 и ЛЗ-2 в смесителе 20 и выделение сигнала разностной частоты с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) 21 на регистрирующем устройстве 22. В ЛЗ-3 измерение частоты происходит на регистрирующем устройстве 23.

5 0 5

0

5 0

5

0

5

36

При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ 1, что приводит к перемещению пьезоэлектрического диска А (фиг, 1) вдоль оси глухого торцового отверстия 5 пластины 6. При этом все три автогенераторы изменяют частоту своих колебаний. В первом автогенераторе частота изменяется благодаря деформации мембраны 1. Во втором и третьем ав- тогенерэторах изменение частоты происходит из-за перемещения диска, а следовательно, и электродов, нанесенных по его радиусу, свободному от контакта с пластиной 6, и контактирующих уже с новыми гребенчатыми эле 4 грсдами излучающих ВШП пар 7 и 8. пагодарч выбранной топологии ВШП пары 7 и .:тве температур измеряемо:, среды и -репы сравнения на регистрирующем устройстве 22 (фиг. 5) устанавливается нулевой сигнал, поскольку частоты 13-1 и ЛЗ-2 одинаково уменьшаются. Одновременно, вследствие зеркяльно-симметричного расположения иэпучаюи.нх ЛЗ-2 и ЛЗ-3, частота третьего автогенератора увеличивается на ту В1Ч1ИЧН1; М, на которую уменьшились частоты первого и второго ав- тогенератор- в. регистрирующий прибор 23 выделяет что тиснение частоты, как фун1цню измеряемого давления.

В C4V4.1O изменения температуры измеряемой технологической среды происходит допол ытемьное изменение частоты ЛЗ-1. При эт-iy на смесителе 20 выделит с-я ра- ность частот первого и второго автогенераторов, котортя, пройдя через ФНЧ 21, фиксируется на регистрирующем устройстве 22, как функция измеряемой температуры.

Расширение функциональных возможностей датчика происходит за счет того, что благодаря выбранной его конструкции можно с большой степенью точности одновременно измерять изменение частоты, пропорциональное измеряемому давлению, и изменение частоты, пропорциональное изменяемой температуре.

При выборе схем построения датчика учитывается, что днффкpeni fильная схема, использующая термочувствительную и термостабильную ПАВ-струк- туры, позволяет осуществить относительно низкочастотный выход и снизить s данном случае влияние дестабилизирующего воздействия, является изменение давлении измеряемой среды.

Термостабилизация эталонной (опор ной) ПАВ-структуры позволяет существенно расширить диапазон измеряемых температур как в сторону их увеличения, так и Е сторону их снижения

Таким образом, за счет истлльэо- вания конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, нежесткой с вяз. между ними, изменения топологии ВШП и их соответствующего расположения по обеим сторонам пластины относительно начального положения пьезоэлектрического диска, исполь ования различных срезов пьезоэлектрических материалов можно добиться менного точного измерения как даг. гения, так и температуры датчиком.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий чувствительный элемент в виде закрепленной в корпусе монокристаллической мембраны, снабженной соединенные: с ней штоком, на котором закреплен пьезоэлектрический диск, расположенный в глухом отверстии пьезоэлектрической пластины, с возможностью перемещения вдоль него, две пары встр ччо-штыре- вых преобразователей поверхностны/ акустических волн с излучающими и приемными преобразователями, их которых размещена на внешней поверхности мембраны, а вторая раэме- щепа на пьезоэлектрической гглстчне, причем диаметр d гпухого отверстия пластины удовлетворяет соотношению

1, 1 h d h,

,-

0

5 0

5

0 5 0

5

rni- h - толщина пластины, отличающийся тем, что, г ;елью расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения давления и температуры, он снабжен дополнительными излучающим и приемным встречно-штыревыми преобразователями поверхностных акустических волн, расположенными на обратной стороне пьезоэлектрической пластины,при этом вторые и дополнительные преобразователи раслопожены симметрично относительно оси симметрии пластины, пярчллгпьной оси глухого отверстия, причем v излучающих и приемных преоб- ра твателен -электроды выполнены с переменным шагом, который у приемных преобразователей ув пичиваетсч к периферии пьезоэлектрической пластины, обращенной к мембране по линии, перпендикулярной электродам, а у из- пучаютих встречно-штыревых преобразователей изменение шага втгрого преобразователя обратно пропорционально изменению -ил. а допппнитепьного преоб- ратовятеля, кроме того, основание одного из греиенчатых электродов второго и чопотнительного излучающих пре.. -pd э гзателей выпопнено на пластине с олной стороны глухого отверстия пластины и зачемлечо, а электроды излучающих преобразователей выполнены но другую сторону глухого отверстия, при том на окружных частях диска, не соприкасающихся .с пластиной, выполнены электроды, ширина которых равна ширине электродов излучающих встпечнп-штыревых преобразователей, и выполнены они ( возможностью контакта одним концом г заземленными основаниями, а другим концом - с злект- рот 1ми излагающих встречно-штыревых пр« образсвате.ией поверхностных акус- тичоскнх полн.

В

Физ.З

Фиг г

6-Ь

8

Фиг. 4

Фиг.5

г/

22

Фиг 6