Датчик давления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А2 (!9! (!!! (5!! 4 G 01 1 11/00, 8/08

1!РI-(,РР»)9Д

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1384983 (21) 4362354/24-10 (22) 11,01.88 (46) 30.11.89. Вюл. 11 44 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) С.И,Жуйков (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1384983, кл. G Ol L ll/OO, 9/08, 1986. (54) ДАТЧИК ДАВПЕНИЧ (57) 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 газов.

Датчик состоит из чувствительного

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измеренич полных ц парциальных давлений газов.

Цель изобретения — расширение области применения датчика за счет обеспечения возможности одновременного измеренич полного и парциального давлений газон, На фиг. 1 изображен датчик, разрез; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг.l; на фиг, 3 — разрез В-Б на фиг. 1; на фиг, 4 — схема включения датчика в измерительную схему; на фиг, 5 — пьезоэлектрическая пластина с линиями

2 элемента (ЧЭ) монокристаллической колпачковой мембраны, на которой расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), образующие линию задержки (ДЗ), с помощью которой измеряется полное давление газа. На пьезоэлектрической пластине, консольно закрепленной н корпусе, с противопо— ложных ее сторон находятся две идентичные линии задержки, состоящие из

ВШП ПАВ и периодических отражательных решеток, выполненных на слое материала, с помощью которых измеряется гарциальное 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, задержки, разрез (в увеличенном масштабе).

Датчик давления (фиг. 1) содержит чувствительный элемент (ЧЭ) 1, выполненный и виде монокристаллической коппачковой мембраны с утолщенной 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 толщину пластины

Это условие является обязателен,иым

1525508 для работы предлагаемого устройства, Допустимым является превышение диаметра по сравнению с толщиной пластины 5 в пределах 10Х. Пьезоэлектрический диск 3 имеет толщину не более

1,5 мм и диаметр, равный диаметру отверстия пластины. Он расположен так, что может перемещаться вдоль отвер1 стия 4. Работоспособность устройства определяется контактом между пластиной 5 и пьезоэлектрическим диском 3 в направлении распространения поверхностной акустической волны (ПАВ).

Осуществить требуемую точность иэ- 15 мерения можно путем выбора соответствующего диска, имеющеГо контакт с пластиной, но не обладающего большими усилиями этого контакта. Пластина

5 закреплена отверстием вниз на пере- 2р ходном диске 6 корпуса 7 датчика. Неподвижность крепления пластины 5 обеспечивают держатели 8. На монокристаллической колпачкавой мембране выполнена линия задержки (Л3-1), сос- 25 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 задержки (ЛЗ-2) и (ЛЗ-3) состоящие из пар входных и выходных ВЩП ПАВ 10 и периодических 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,l)40 пьезоэлектрический диск 3 находится в глухом торцовом отверстии 4 пьезоэлектрической пластины 5 в определенном положении (например, соответствующем атмосферному давлению), При 45 подаче напряжения питания на входные

ВШП 9 и 10, оно преобразуется в частоту f, . ПАВ, проходящая по монокристаллической 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 отражаФ

55 тельных решеток 11 нанесенных на слое материала 12, селективного по отношению к исследуемому компоненту газовой смеси, 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 fo в Л3-2. о

Причем начальное значение

Voz

f г

Оа %0 Ф где Vo — скорость распространения

ПАВ; пространственный шаг периодических отражательных решеток, выбирается исходя из величины %,, 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 BUII 10.

Тоже самое происходит с ПАВ в Л3-3, 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 Чо = 10, равны благодаря выбору начального положения пьезоэлектрического диска 3, обеспечиваю о = о °

Ъ

Начальная частота автогенератора

f, образованного усилителем 13 (фиг. 4) и ВШП, расположенными на звукопроводе — ЧЭ-1 (ЛЗ-I), 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 звукопроводах 16 и 17 пьезоэлектрической пластины 5 (ЛЗ вЂ” 2 и ЛЗ-3). При этом используется дифференциальная схема

8 6 торов Ь Ек, которая, пройдя через ФЯЧ

19, фиксируется на регистрирующем приборе 20. Таким образом, изменение результируюцей частоты gЕ пропорционально перемецению пьезоэлектрического диска (велнчине полного давления газовой смеси) и парциальноиу давлению исследуемого коипонента газовой смеси, а изменение частоты s первом автогенераторе ДГ, пропорционально только полному давлению газовой смеси и выделяется с поиоцью регистрирующего устройства 21.

В качестве материала, селективного к определенному компоненту газовой смеси, можно выбрать следукияие тонкие пленки: при измерении кислорода — ZnO, ZrO, TiO и др,, при измерении водорода — Pd (или его сплавы с Ti, V, Ta), PdO, NO>, PtO и др.; при измерении СΠ— In<0» Ag О, Си 0 и др»

Материал в каждом конкретиои случае выбирается в зависимости от концентрации, рабочей температуры, а также технологии нанесения пленок.

Благодаря варьированию специально ориентированных срезов или кристаллов монокристаллического пьезоэлектрика (кварца и др.), а также благодаря диффЕренциальной схеме включения ЛЗ-2 и 13-3 температурная составляюцая погрешности устройства может быть практически уменьшена до н уля.

Расширение области применения датчика и повышение точности измерения происходит эа счет того, что благодаря выбранной конструкции устройства можно с большей степенью точности изиерить изменение частоты,пропорциональное измеряемому полному и парциальному давлениям. Чувствительность к изменению давления может быть выкс ражена S —.

5Р

Относительная чувствительность (df/f) определяется помимо изменения относительной деформации (полное давление), изменением Ь, обусловленныи топологией периодических отражательных решеток и материалов, селективным по отношению к определенной коипоненте газовой смеси, входящих в состав ЛЗ-2 и ЛЗ-3. Следовательно, за счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, не жесткой связи менялу ни152550 включения ЛЗ-2 и ЛЗ-З, в которой производятся сравнение (вычитание) выходных сигналов двух ПАВ генераторов ЛЗ-2 и ЛЗ-3 в смесителе 18 и выделение сигнала разностной частоты

5 с поиоцью фильтра нижних частот (фНЧ)

1 9 на регистрируюцем устройстве 20, Сигнал с ЛЗ-1 выделяется на регистрирующем устройстве 21. 10

При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ-1, что, в свою очередь, приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 3 (фиге 1) Вдоль оси Глухого торцовоГО 15 отверстия 4 пластины 5, что соответствует смецению акустического" тракта для распространения ПАВ. При этом все три автогенератора изменяют свою частоту колебаний. В первом автогене- 20 раторе, образованном усилителем 13 (фиг. 4) и ВНП, расположенными на звукопроводе ЧЭ-1, частота уменьшается. Это обусловлено деформацией звукопровода ЧЭ. Во втором автогенерато- 25 ре (ЛЗ-2) устанавливаются колебания с частотой, соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11 (фиг. 1) по линии, перпендикулярной оси глухого торцово- 30 го отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 и проходящей через диск 3.

Изменение пространственного шага периодических отражательных решеток

11 задается их топологией таким образом, что при перемещении диска 3

А уменьшается. Следовательно, частота автогенератора увеличивается. В третьем автогенераторе (ЛЗ-3) устанавливаются колебания с частотой, 60 также соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток ll, (фиг. 5). Однако в отличие от ЛЗ-2, при перемещении диска 3 3 увеличивается, т.е. увеличи 45 вается частота автогенератора Ео, .

Кроме того, при наличии в газе компонента, к которому селективен материал 12, начинается его адсорбция на данном материале с изменением скорости протекания через него ПА — Ч а и .1, т.е., частота во втором автогенераторе определяется выражением

V +Ча с - - — — а в третьем

- к .д Е

Чо + Ч)

3Q

f - — — — — где Ф 4 A Ъ з °

На смесителе 18 (фиг. 4) выделяется разность частот обоих автогенепа)525508 ми, изменения топологии периодических отрашательных решеток н материала, ка котором они выполнены, лспользования различных срезов пьезоэлектрических материалов, облада)ащих высокими коэффициентами включения Л9-2 и ЛЗ-3 для исключения температурных погрешностей, составляющих единицы процентов на )О С, мошно добиться одновременного измерения как полного, так и парциального давлений газа с повышенной точностью измерения, 20

Формула изобретения

Датчик давления по авт. св.

У )384983, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возмопности одновременного измерения полного и парцнального давлений газов, он снабхен вторыми дополнительными входным и выходным встречно» штыревыми преобразователями поверхностных акустических волн с периоди- 25 ческими отрааательными решетками, размещенными с другой стороны пьезоэлектрической пластины н имеющими топологию, аналогичную первым дополнительным встречно-штыревым преобразователям поверхностных акустических волн с отракательными решетками, причем вторые входные и выходные встречно-штыревые преобразователи поверхностных акус гических волн располокены на пьезоэлектрической пластине в зоне ее задерзжи, а на пьезоэлектрическую пластину в местах располокения отралательных решеток нанесены пленочные подлоаки прямоугольной формы, выполненные иэ материала, обладающего адсорбирующими свойствами по отношению к определенному газу, при этом отражательные решетки размещены на соответствующих подлокках зеркально-симметрично одна относительно другой, а первые н вторые дополнительные встречно-штыревые преобразователи включены по дифференциальной схеме.

)525508

1525508

6uz5

Составитель А,Амаханов

Редактор Н,Киштулинец Техред A. Кравчук Корректор О.Кравцова

Заказ 7212/35 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101