Барочувствительный элемент
Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов сложных технических систем топливоэнергетического комплекса, АЭС, автомобильного и железнодорожного транспорта и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности ПАВ структуры в первичном чувствительном элементе. Барочувствительный элемент содержит мембрану с выборкой, жестко скрепленную с основанием через прокладку с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости, внутри которой над выборкой своими концами жестко присоединен пьезоэлемент. Соотношение геометрических размеров диаметра выборки в мембране и внутреннего диаметра прокладки меньше или равно 0,5. Пьезоэлемент выполнен из ПАВ структуры и установлен с возможностью его продольного сжатия-растяжения. Кристаллографические оси мембраны, прокладки, основания и пьезоэлемента из ПАВ структуры ориентированы одинаково. Контакты пьезоэлемента из ПАВ структуры выведены из вакуумированной полости наружу нанесенными на мембрану высокочастотными электродами, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры. 6 ил.
Заявленное техническое решение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов сложных технических систем топливоэнергетического комплекса, АЭС, автомобильного и железнодорожного транспорта и других отраслях промышленности.
Известны первичные чувствительные элементы: «Датчик давления с тремя устройствами ПАВ» по патенту Великобритании GB 2386684, МПК G01L 9/00, опубл. 24.09.2003 года - [1], «Датчик механических величин и его варианты» по патенту Российской Федерации RU 2247954, МПК G01L 9/08, H03H 9/145, опубл. 10.03.2005 года - [2], «Диафрагменный датчик на ПАВ» по патенту ЕПВ ЕР 1533601, МПК G01L 9/00, опубл. 25.05.2005 года - [3], содержащие пъезоэлемент из ПАВ структуры, воздействие на который передается при помощи промежуточных устройств, а сама ПАВ структура работает на изгиб. Снятие показаний с первичных чувствительных элементов может производиться по радиоканалу в полосе частот отклика ПАВ структуры.
Недостатками известных устройств - [1], [2] и [3], является то, что любые содержащиеся в них промежуточные дополнительные устройства, воздействующие на первичный чувствительный элемент (ПЧЭ), вносят погрешности в измерения, снижают надежность ПЧЭ и всего датчика давления, а также то, что работа ПАВ структуры на изгиб обладает низкой чувствительностью.
Известны первичные чувствительные элементы: «Первичный чувствительный элемент на ПАВ для измерения давления» по полезной модели Российской Федерации RU 27257, МПК G10K 15/00, опубл. 10.01.2003 года - [4], «Способ и датчик для измерения давления с применением ПАВ» по патенту США US 6571638, МПК G01L 11/00, опубл. 03.06.2003 года - [5], «Способ и пассивный датчик давления для шины» по патенту ЕПВ ЕР 1505379, МПК G01L 9/00, B60C 23/04, опубл. 09.02.2005 года - [6], «Первичный чувствительный элемент для измерения давлений газов, жидкостей, сосредоточенных сил» по патенту Российской Федерации RU 2327126, МПК G01L 9/12, опубл. 20.06.2008 года - [7], содержащие пьезоэлементы из гибких мембран, на которых нанесены ПАВ структуры, а снятие из них показаний осуществляется по радиоканалу в полосе частот отклика нанесенной ПАВ структуры.
Во всех известных устройствах [4], [5], [6] и [7] работа гибких пьезоэлектрических мембран с нанесенными на них ПАВ структурами производится на изгиб, что обуславливает их сравнительно низкую чувствительность. Так как известно, что чувствительность пъезоэлемента с нанесенной на него ПАВ структурой на порядок выше при его работе на растяжение-сжатие, чем при работе на изгиб.
Прототипом заявляемого технического решения является «Барочувствительный элемент» по патенту Российской Федерации RU 2107273, МПК G01L 9/08, опубл. 20.03.1998 года - [8], содержащий мембрану с выборкой, жестко скрепленную с основанием через прокладку с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости, внутри которой над выборкой своими концами жестко присоединен пьезоэлемент, который работает частично на изгиб и частично на сжатие-растяжение. Пьезоэлемент выполнен в виде кварцевого камертона.
Барочувствительный элемент по [8] обладает высокой чувствительностью, однако для его функционирования (возбуждения) необходима первичная электрическая схема с источником питания, что существенно сужает области его применения. Необходимость первичной электрической схемы в непосредственной близости от барочувствительного элемента также уменьшает температурный диапазон его применения, так как составные элементы схемы имеют узкий рабочий температурный диапазон.
Указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения чувствительности ПАВ структуры в первичном чувствительном элементе.
Указанная задача решается тем, что барочувствительный элемент, содержащий мембрану с выборкой, жестко скрепленную с основанием через прокладку с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости, внутри которой над выборкой своими концами жестко присоединен пьезоэлемент, имеет соотношение геометрических размеров диаметра выборки и внутреннего диаметра прокладки в мембране меньше или равно 0,5, пьезоэлемент выполнен из ПАВ структуры и установлен с возможностью его продольного сжатия-растяжения, кристаллографические оси мембраны, прокладки, основания и пьезоэлемента из ПАВ структуры ориентированы одинаково, а контакты пьезоэлемента из ПАВ структуры выведены из вакуумированной полости наружу нанесенными на мембрану высокочастотными электродами, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры.
Введение «соотношения геометрических размеров диаметра выборки и внутреннего диаметра прокладки в мембране меньше или равно 0,5» необходимо для того, чтобы жестко присоединенный своими концами к мембране над выборкой пьезоэлемент внутри вакуумированной полости при изгибе мембраны в одну или другую стороны работал (преимущественно) только на сжатие-растяжение. При таких соотношениях вышеуказанных геометрических размерах изгиб пьезоэлемента минимален.
Введение «пьезоэлемента, выполненного из ПАВ структуры и установленного с возможностью его продольного сжатия-растяжения» необходимо для того, чтобы обеспечить беспроводное, мобильное и удобное считывание информации из барочувствительного элемента, а также существенного повышения чувствительности устройства с ПАВ структурой.
Введение признака «кристаллографические оси мембраны, прокладки, основания и пьезоэлемента из ПАВ структуры ориентированы одинаково» необходимо для сведения к минимуму температурных наводок и возмущений на заявленное устройство - барочувствительный элемент.
Введение признаков «контакты пьезоэлемента из ПАВ структуры выведены из вакуумированной полости наружу нанесенными на мембрану высокочастотными электродами, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры» необходимо для того, чтобы обеспечить конструктивную и функциональную совместимость всех частей барочувствительного элемента. Конструктивно обеспечить надежное герметичное соединение и электрические контакты при помощи пайки мягким или твердым припоем. Функционально обеспечить совместимость для сведения к минимуму потерь энергии при прохождении принятого сигнала от антенны к пьезоэлементу из ПАВ структуры и от него обратно в антенну.
На фиг.1 представлен чертеж с разрезом барочувствительного элемента (вид сбоку); на фиг.2 - чертеж с разрезом заявляемого устройства (вид сверху); на фиг.3 - вид мембраны с выборкой и нанесенными высокочастотными токовводами; 4 - вид прокладки; 5 - вид основания; 6 - общий вид барочувствительного элемента (вид снизу).
Барочувствительный элемент содержит мембрану 1 с выборкой 2, жестко скрепленную с основанием 3 через прокладку 4 с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости 5, внутри которой над выборкой 2 своими концами жестко присоединен пьезоэлемент 6. Соотношение геометрических размеров диаметра выборки 2 в мембране 1 и внутреннего диаметра прокладки 4 и меньше или равно 0,5, пьезоэлемент 6 выполнен из ПАВ структуры и установлен с возможностью его продольного сжатия-растяжения. Кристаллографические оси мембраны 1, прокладки 4,основания 3 и пьезоэлемента 6 из ПАВ структуры ориентированы одинаково. Контакты 7 пьезоэлемента 6 из ПАВ структуры выведены из вакуумированной полости 5 наружу нанесенными на мембрану 1 высокочастотными электродами 8, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры 6.
Работает барочувствительный элемент следующим образом: При повышении внешнего измеряемого давления закрепленная на прокладке 4 мембрана 1 с выборкой 2 прогибается в сторону вакуумированной полости 5 (основания 3), и при этом пьезоэлемент 6 растягивается, и наоборот при снижении измеряемого внешнего давления мембрана 1 с выборкой 2 прогибается от основания 3, и при этом пьезоэлемент 6 сжимается. Пьезоэлемент 6 из ПАВ структуры (пассивный пьезокварцевый резонатор) подсоединен своими контактами 7 через нанесенные на мембрану 2 высокочастотные электроды 8 к своей антенне (на фиг. не показана) работает бесконтактно по радиоканалу. При этом считыватель своей антенной подает сигнал, принимаемый антенной пьезоэлемента 6, который от полученного сигнала резонирует со смещением частоты, и в зависимости от его деформации через промежуток времени выдает ответный сигнал в свою антенну, из которой ответный сигнал принимается той же антенной считывателя. Таким образом, достигается беспроводное, мобильное и удобное считывание информации из барочувствительного элемента.
В результате испытаний опытного образца заявленного барочувствительного элемента, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением, получены положительные результаты, подтверждающие повышенную точность измерений давления (приблизительно на порядок по сравнению с устройством, где пьезоэлемент из ПАВ структуры работает на изгиб). То есть закрепление в барочувствительном элементе ПАВ структуры с возможностью ее работы на сжатие-растяжение существенно повышает чувствительность устройства при возможности его автономной работы по радиоканалу.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
- Барочувствительный элемент в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- Совокупность признаков формулы изобретения устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования барочувствительных элементов, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
- Конструктивная реализация барочувствительного элемента не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература:
1. Патент Великобритании GB 2386684, МПК G01L 9/00, опубл. 24.09.2003 года, «Датчик давления с тремя устройствами ПАВ».
2. Патент Российской Федерации RU 2247954, МПК G01L 9/08, H03H 9/145, опубл. 10.03.2005 года, «Датчик механических величин и его варианты».
3. Патент ЕПВ ЕР 1533601, МПК G01L 9/00, опубл. 25.05.2005 года, «Диафрагменный датчик на ПАВ».
4. Полезная модель Российской Федерации RU 27257, МПК G10K 15/00, опубл. 10.01.2003 года, «Первичный чувствительный элемент на ПАВ для измерения давления».
5. Патент США US 6571638, МПК G01L 11/00, опубл. 03.06.2003 года, «Способ и датчик для измерения давления с применением ПАВ».
6. Патент ЕПВ ЕР 1505379, МПК G01L 9/00, B60C 23/04, опубл. 09.02.2005 года, «Способ и пассивный датчик давления для шины».
7. Патент Российской Федерации RU 2327126, МПК G01L 9/12, опубл. 20.06.2008 года, «Первичный чувствительный элемент для измерения давлений газов, жидкостей, сосредоточенных сил».
8. Патент Российской Федерации RU 2107273, МПК G01L 9/08, опубл. 20.03.1998 года, «Барочувствительный элемент» - прототип.
Барочувствительный элемент, содержащий мембрану с выборкой, жестко скрепленную с основанием через прокладку с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости, внутри которой над выборкой своими концами жестко присоединен пьезоэлемент, отличающийся тем, что соотношение геометрических размеров диаметра выборки в мембране и внутреннего диаметра прокладки меньше или равно 0,5, пьезоэлемент выполнен из ПАВ структуры и установлен с возможностью его продольного сжатия-растяжения, кристаллографические оси мембраны, прокладки, основания и пьезоэлемента из ПАВ структуры ориентированы одинаково, а контакты пьезоэлемента из ПАВ структуры выведены из вакуумированной полости наружу нанесенными на мембрану высокочастотными электродами, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры.
