Датчик давления

 

СООЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (IQ)SU(II) 1

А1 (((!)) (! G 0 1 L 1 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/з

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П.(НТ СССР (21) 4621215/1О (22) 19. 12. 88 (46) 30.04.91. Бюл. У 16 (71) Киевский политехнический инсти= тут им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) С.И.Жуйков, A А.Чайка, В.tt.hoробов и А.И.Сыроид (53) 531.787.91 (088.8) (56) Авторское свидетельство С!.(:".

Ф 1384983, кл. G 01 1, 11/00, 1986. (54) ДАТЧИК ДАВЛГНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к акустоэлектрическим датчикам на поверхностных акустических волнах (ПАВ), и расширяет функциональные возможности датчика за счет одновременного измерения давления и температуры контролируемой среды. Датчик состоит

2 пз чувствительного элемента (ЧЭ) 1, выполненного в виде монокристаллической колпачковой мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с пьезоэ(1ектрическим диском 4, расположенным внутри глухого торцового отверстия 5 пьезоэлектрической пластины 6, Па пьезоэлектрической пластине по обе ее стороны в)/(...лнены две пары встречно-штыре вых пре i бразователей (ВЗП) ПАВ. Пластина 6 закреплена отпер-..тием вниз на переходном диске

9 корпуса 10 датчика. На ЧЭ! размещена третья пара 1? ВШЛ ПАВ, несущая информацию о температуре. Ла диск 4 нанесены металлические электроды, с одной стороны соприкасающиеся с основаниями ВШП, которые заземлены, а с другой стороны — с электродами одной из гребенок.ВШЛ. 6 ил.

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

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей датчика путем одновременного нэмерения давления и температуры измеряемой 1р среды.

На фиг. 1 изображен предложенный датчик, разрез1 на фиг,2 — разрез

А-А на фиг,11 на фиг.3 — пьезоэлектрическая пдастина1 на фиг.4 — разрез 15

Б-Б на фиг,3 ° на фиг.5 — разрез В-В на фиг.31 на фиг.6 — схема измерения давления.

Датчик (фнг,1) содержит чувствительный элемент (ЧЭ) i выполненный в виде монокристаллической коппачковой 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 ; сн 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, соответст35 вующие по ширине электродам встречно-штыревых преобразователей поверх ностных акустических волн (BlllfI ПАВ) пар и 8. При этом эти электроды с од- 4О ной стороны соприкасаютсн с ос нованиями ВШП, которые заземлены, а с другой стороны — самих электродо в одной из гребенок ВШП (фиг. 3, 5).

Излучающие ВШП представляют собой планарную структуру противофазных проводящих электродов, сформированную на поверхности пьезозлектричес— кой 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 па-, ры. 7 и пары 8 представляют собой так55 же планарную структуру противофазных электродов, формированную ня поверхности пластины 6 с перемснны f шагом электродов, Но в отличие от излучающих, изменение шага эi.-ктродов у приемных ВШП пары 7 и пары 8 одинаково. Он увеличивается к периферии пластины по линии, перпендикулярной электродам ВШП.

Для исключения погрешностей, связанных с прохождением электрических сигналов по электродам пьезоэлектрического диска 4, допустимым является превышение диаметра диска по сравнению с толщиной пластины 6 в преде. ах 107, 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 измеряемь. и д;.впением. Следовательно, в данном случае осуществить требуемую точнс:. ть эпектрическогс контакта между электродами диска и ВШП можно путем выбора соответствующего диска, имеющего контакт с пластиной, но не обладающими большими усилиями этого контакта. ПластиI за 6 закреплена отверстием вниз на переходном диске 9 корпуса 10 датчика. Шток 2 является связующим звеном между пьезоэлектрическим диском и ЧЭ датчика. Неподвижность крепления пластины 6 обеспечивают держатели 11. На монокрис тапличес кой колпачковой мембране выполнена линия задержки (ЛЗ-!), состоящая из пары ВШП

12, а на пьезоэлектрической пластине

6 — линия з аде ржки (Л3-2), с ос тоящая из пары 13ШП 7, и линия задержки (Л3-3), госте ящая из другой пары ВШП

8. Отверстие 13 выполнено в корпусе

10 датчика с цепью обеспечения вывода проводников к вторичной аппаратуре.

Датчик работает следующим образом.

При ото утс твин измеряемого давления и при наличии равенства температур измеряемой среды и среды сравApl ня (фиг. 11 пьезоэлектрический ,.лак -4 няхопнч R в глухом торцовом

1645863

Возникновение и< нерац««автоге«ератора на друго«<эаст«з р невозм жно.

H ачальная частота I p автг«< вератора, обраэова«ного ус«л«те <еМ 14 (фиг. 6) и ВШП, рас по. <эженным < «а звукопроводе 15 Ч Э 1, выбираетс я ра«вЂ” иой частоте второго апг<«виера гора

< образованного ус««этелем 16 и ВШП

< расположенными на э вукс«<ро<поде 17 пьезоэле ктричес кой «<пс тины Ь, а также частоте треть го автогенератора, образованного усил«тел< м 18 и

ВШП, расположенными на звукопроволе

19 с другой стороны пьеэоэлектричес— кой пластины 6. Равенство частот второго и третьего автогенераторов обеспечивается благодаря начальному положению диска 4 стносительно ЛЗ-2 и ЛЗ-3. При этом используется дифференциально-частотная схема включения ЛЗ-1 и Л3-2, в которых происходит сравнение (вычитание) выходьых сигналов двух ПАВ генераторов ЛЗ-1 и

ЛЗ 2 в смесителе 20 и выделение сигнала разностной частоты с помощью

55 фильтра нижних частот (<1 НЧ) 21 на регистрирующем устрочстве 22. В ЛЗ-3 измерение частоты происходит на регистрирующем устройстве 23.

40

45 отверс тии 5 пье зоэле к гричес кой пластины 6 в определенном начальном положении (например, соответс твующем атмосферному давлению и нормальной температуры). При подаче напряжения

5 питания через выводные контакты, расположенные в отверстии 13, на излучающие ВШП пар 7, 8 и 12, оно преобразуется в частоту I .IIAB, проходящая по монокристаллической коппачковой мембране, не изменяя своей траектории, доходит до приемного

BIII1I пары 12, об< спечивая ус гойчивую генерацию сигнала на частоте Г, Лругие ПАВ вози«как.т мемеду той парой электродов,с котор и в данный момент контактируют электроды, нанесенные на пьезоэлектрический диск 4, « также, Hp изменяя сг<эеil траек горин, до- 20 ходят до приемных И1П пар 7 и 8.

Начальное положен«е д«ска выс ир Jcтся таким, чтобы все три Л3-1, Л3-2 «

ЛЗ-3 имели одинаковое вреMF. задержки, т.е. частс ту 1 . Причем значеэзпе 25 /hp, где < — око эость распространен <я ПАВ; Ap — прс стра«с тве ный шаг той пары электродов, кот<эрме генерируют ПАВ.

При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ 1, что приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 4 (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 автогенераторах изменение частоты происходит иэ-за перемещения диска, а .-.ледовательно, и электродов, нанесе««ых по его радиусу, свободному ст конта TB с пластиной 6, и контактирующих,же с новыми гребенчатыми элс:. родами «злучающих ВШП пар 7 и 8.

Г.<эагс<даря в«бранной топологии ВШП пары 7 и ров ястве температур измеряемс:.:роды и репы сравнения на регист1<«р ющем ус тройстве 22 (фиг, 5) усэ анавливаеTcH иулевс<й сигнал посколь l к v частоты 13- 1 и ЛЗ-2 одинаково уме«ьшают<с я. Олновременн,, вследствие зеркально-с имметричногA расположения изпуч<эю<к<эх В<И! ЛЗ-2 и Л3-3, частота з рстьего аээтоге« ратора увеличивается на ту в< «ичи<: 6<, на которую уменьшились час oTf! срвс<г0 и второго автои «ератор "в. Пс<эт му регистрирующий «рибор 3 выз<с: яет зто и <менение час готы, как фун. цью «:ìåðÿåìîãñ даг<; с «ия .

В с-.

«сходит Лопол«<тельно< изменение частоты 73-1. Пр«сэт эм на смесителе 20 яыде.<«",с.я ра .«ость частот первого и второго автогснграторов, к<этор-".я, пройдя через ФН (21, фиксируется на ре гис трир ующем устройстве 22, как фу.< кция измеряемой температуры.

Расширен«с функциональных возможностей датчика происходит за счет того, что благодаря выбранной его конструкции можно с большой степенью точности одн<звреь<. нно измерять изменение частоты, пропорциональное иэ меряемому давя нию, и изменение частоты, пропорциональное изм .яемси температуре.

При выборе схем построения датчика учитывается, что лифа ренн«альная схема, использующая термочувствительную и термостабильную ПАВ-структуры, позволяет осуществить относительно низкочастотный выход и снизить в данном случае влияние дестабилизирующего в,«эдействия „ка со«эь««! является изменение давления измеряемой среды, 5

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

Таким образом, эа счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, нежесткой связ . ме«кду ними, изменения топологии ВШП и их соответствующего расположения по обеим сторонам пластины относительно начального положения пьезоэлектрического диска, исполь ования различных срезов пьезоэ! ектрически. материалов можно добиться сдн вре- рр менного точного измерения как да«1:.— ния, так и температуры одни«.! .,7.::тчиком °

Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я

Датчик давления, содержащи1 чувствительный элемент в виде закрепленной в корпусе монокристаллической мембраны, снабженной соединенным с 30 ней штоком, на котором закре««!«ен пьезоэлектрический диск, расположенный в глухом отверстии пьезоэ «ектрич(с«(ой пластины, с возможнос гью н ремс щения вдоль него, дне пары встр чн--штыревых преобразователей лонеpxHnc"..H»«i акустических волн с излучаю«ьт.«н приемнь«ми преобразоватслями, l(рвая их которых размещена на внс шней поверхности мембраны, а вторая раэме- 40 щена на пьеэоэлектричес лой п аст. IHP, причем диаметр d гг«ухого ат«эерстия пластины удовлетворяет соот н !шенин! глс h - толщина пластины, о т л и ч ающи йс я тем, что, г:;e,«üþ расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения давления и температуры, он снабжен дополнительными излучающим и при.емным встречно-штыревыми преобразова.телями поверхностных акус тичес ких волн, расположенными на обратной стороне пьезоэлектрической пластины,при этом Hropble и дополнительные преобра IoeHI eли расположены симметрично (1TH(1cHòe7I.Hî оси симметрии пластины, г«арал««гл ной:эси глухого отверстия, причем ° H7лу «ающих и приемных преобра ователей электроды выполнены с пе ppìp«|eblbl шагом, ксторь«й у приемных преобразагэателей уH пичивается к периферии пьезоэлектрической гласти«ы, обр.ценной к мембране по линии, пс рпендикулярной электродам, а у изI(yiIa«(«IlIHx встречно-штыревых преобра.-зователей и-..менение шага втсрого преобразователя обратно пропорционально изменению шас а дополнительного преобра->овятеля, кроме гого, ос нование одного из грссенчатых электродов второго и доп(«ли«тельного излучающих

rIpp;. раз ..«ателей выполнено !Ia пластине с о-

«о другую сторону г.«ухого (отверстия, при том на окружных частях диска, «и- соприкасаю«цихся с пластиной, выполнены электроды, ширина которых равна ширине электродов излучающих встпе «но-штыревых преобразог(ателей, «! «1bHl(17Hf НЫ ОНИ (: ВОЗ МОЖНОС ТЬЮ КОН такта одним концом с заэемл(««ными основани«««««, а другим конном — с электрол «ми ««э!«> «аюших встречно-штыревых грес бразавате(I PA поверхностных акус—

1>1hЬ d h, 45 1 ич с ких в(17H

164586 5

Фиг2

1645863

Составитель Н,Иатрохина

Техред Л.Олийнык Корректор Т.Палий

Редактор М. Келемеа

Эаказ 1346 Тираж 355 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