Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля

(71) Харьковский авиационный институт им, Н.Е.Жуковского(56) Авторское свидетельство СССРУ 1068739, кл, С 01 К 7/32,О 01 Ь 1/16; 1982.Авторское свидетельство СССРФ 1015267, кл. С 01.К 7/32, 1982.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГОИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ВЛОКАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПОЛЯ(57) Изобретение относится к электрическим измерениям неэлектрическихвеличин. Цель изобретения - обеспечение измерения ускорения. Устройст 39 16 СУДАРСТВЕИНЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЪТИЙ ОПИСАНИ СЮ 4 С 01 К 7/32, С 01 Ь 1/ во содержит трехпараметровый чувствительный элемент 1 с кварцевыми резонаторами 2, автогенераторы 3, смесители 4, опорный генератор 5, преобразователи 6 частота-код, вычислительный блок 7 и блок 8 памяти. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет благодаря многопараметровой чувствительности кварцевых резонаторов 2 строить устройства для одновременного измерения несколь ких физических величин в локальном объеме измерительного поля, базируащиеся на многопараметровом методе измерений, так как резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 зависят от температуры, прикладываемых усилий и величины массы в активной зоне. 3 ил, 1Изобретение относится к техникеэлектрических измерений неэлектрических величин и предназначено дляодновременного измерения несколькихфизических величин в локальном объеме измерительного поля,Целью изобретения является обеспечение измерения ускорения.На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для одновремен Оного измерения температуры, давленияи ускорения в локальном объеме измерительного поля; на фиг. 2. - конструкция трехпараметрового чувствительного элемента (датчика); на фиг. 3- 15разрез А-А на Фиг. 2,Устройство для одновременного изменения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля (фиг, 1) содержит трехпараметровый чувствительный элемент(датчик) 1 с шестью кварцевыми резонаторами 2, подключенными к соответствующим автогенераторам 3, выходыкоторых подключены к вторым входам 25смесителей 4, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих преобразователей 6 частота-кодвторые входы которых подключены к выходу опорного генератора 5,соединенному с первыми входами смесителей 4,дополнительные входы преобразователей б частота - код подключены к выходу вычислительного блока 7, соединенного с блоком 8 памяти, а выходыпреобразователей 6 частота - код соединены с входом вычислительного блока 7,Трехпараметровый чувствительныйэлемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 9 40и изготовленные за одно целое с ниммембрану 10 и шесть пар поддерживающих мембранных стоек 11. В корпусе9 на поддерживающие мембранные стойки 11 установлена кварцевая пластина( С-среза) 12 с шестью ступенчатымиэлектродами 13, На опорные шайбы14 установлен пьезокварцевый диск1 5 (,С-среза) с шестью плоскими электродами 16, поджатый с торцов пружи. 50нами 17. Весь корпус закрыт крышкой 18,Трехпараметровый чувствительныйэлемент 1 находится под действиемтемпературы Т(Х ), давления Р(Х ) иУскоРениЯ В(Хз), действУющего вплоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 9 и проходящей черезсередины пружин 17. ПьезокварцевыйВ диск 15 с плоскими электродами 6 выполнен из материала такого 1 С-среза как и пьезокварцевая пластина 12 со ступенчатыми электродами 13, а также имеет одинаковую с пьезокварцевой пластиной 12 ориентацию относительно ступенчатых электродов 13 пьезокварцевой пластины 12. Середина каждой соответствующей мембранной стойки 11, центр пьезокварцевой пластины 12 и центр соответствующего ступенчатого электрода 13 находятся на одной прямой, а углы между этимиопрямыми составляют 60 . Вид сверху на пьезокварцевую пластину 12 со ступенчатыми электродами 13, установленную в поддерживающих мембранных стойках 11, представлен на фиг. 2. Углы (фиг. 3) между осью Е и направлениями прикладываемых усилий при действии давления составляют в данном случае 15, 75, 135, 195, 255,о315 , что позволяет получить коэффи-. циенты силовой чувствительности для резонаторов 2, различных по величине и знаку.Пьезокварцевый диск 15 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполняет роль массы, используемой в акселерометрах. При этом ширина и конфигурация пружины 17, ограничивающей перемещение пьезокварцевого диска 12 по поверхности опорных шайб 14, выбирается такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действия ускорения и максимальную жесткость во всех остальных направлениях. Ступенчатые электроды 13, центрыо которых расположены под углом 60 относительно центра пьезокварцевой пластины 12, нанесены на ней так, чтобы плоскости ступенек были перпендикулярны направлению действия ускорения. В процессе сборки многопараметрового чувствительного элемента на мембрану 10 воздействует давлением выше максимального измеряемого, при этом поддерживающие мембранные стойки 11 отклоняются в стороны и в них вставляется пьезокварцевая пластина 12 со ступенчатыми электродами 13, причем так, как это показано на Фиг. 2. При снятии давления кварцевая пластина оказывается зажатой в мембранных стойках 11, а векторы силы Р при этом направлены по осям,1307 46 Г =й, +а(Х, -Х, )+а (Х -Х, )+а,(Х., -Х)+а,(Х,-Х )(Х -Х )+ й =й +ай,(Х, -Х о) ао (Хг Хго)+або(Х-Х+а(Х, -2 Х) (Хг-Хо)+ соединяющим середины соотнет тнующих электродов 13, При подаче измеряемого давления происходит изменение сжимающих усилий, прикладын- емых к кварцевым резонаторам 2 и пропорциональных воздействующему давлению. Причем, поскольку вектор усилий для каждого из резонаторов цапран 1лен относительно оси Е под разным углом, то силовые коэффициенты чун стнительцости различны по величине и знаку.Пьезокварценый диск 15 под действием пружин 17 устанавливается относительно зажатой пьезокварцевой пла стины 12 так, чтобы плоскость симметрии каждого резонатора проходила через диаметр каждого плоского электрода 16 пьезокварцевого диска 12 и вдоль плоскости раздела массы сост ветствующего ступенчатого электрода 13 пьезокварцевой пластины 12.Таким образом, в трехпараметровом чувствительном элементе 1 имеется шесть кварцевых резонаторов 2, состоящих каждый из кварцевой пластины 17 и двух электродов ступенчатого 13 и плоского 16.Диаметр каждого плоского (подвижного) электрода 16 меньше соответст вующего (неподвижного) электрода 13. Подбором жесткости пружин 17 и соотношением высот и толщиной ступенчатых электродов 13 можно варьировать коэффициенты чувствительности к перемеще нию или коэффициенты массочунстнительности кварцевых резонаторов 2,Температурные коэАфициенты чувствительности однозначно определяются выбранным типом среза кварцевых ре зонаторов (ЬС-срез).где а; (1=1,6; 5=1,3) - коэААициенты термо- тензо- и масс-чувствительноЭ50 сти кварцевых резонаторов;а;,(1.=1,6; =4,6) - коэффициенты смешанных чувствительностей;Х, Х г, Х з - измеряемые температура, давление и ускорение;Хю, Хг, Хо - координаты репернойготочки Хо, в которой определялисьа коэффициенты чувствительности а; (д, 1=1,6): Таким образом, н тре.параметроном чувствительном элементе 1 ноздей ствие температуры Т(Х,) н кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации (эАфект термочунстнительцости), При изменении воздействующего данлеиия Р(Х ) происхоцит изменение сжимающих усилий, пропорциональных давлению и прикладываемых к каждому резонатору (эффект тецзочунствительности). Воздействие ускорения В(Хз) приводит к изменению взаимного расположения подвижных (плоских) электродов 1 б пьеэокварцевого диска 15 и неподвижных (ступенчатых)электродов 13 пьезокварценой пластины 12,а следовательно, и изменению массын активной зоне резонаторов (эффектмасс в чувствительнос).Другими словами, резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 эа -висят от температуры, прикладываемыхусилий и величины массы в активнойзоне. Благодаря такой многопараметровой чувствительности кварцевых резонаторов имеется возможность строить устройства для одновременногоизмерения нескольких (н предлагаемомустройстве трех) Аизических величинв локальном объеме измерительногополя, базирующиеся на многопараметроном методе измерений,Устройство работает следующимобразом.В результате воздействия на чувствительный элемент 1 с пьезокварцеными резонаторами 2 температуры,давления и ускорения частоты автогенераторов 3 изменяются следующим образом Г, 6=1,6) - начальные частоты автогенераторон или частоты автогенераторон н реперной точке.В выражениях системы (1) учтено имеющееся на практике взаимное влияние измеряемых параметрон на соответствующие коэфАициецты чувствительности, т.е. температуры на тензо- имасс-чувствительность, силы на термо- и масс-чувствительность, ускорения на термо- и тензочувстнитель1307246 ность, которе выражается в первомприближении в виде метра на соответствующий коэффициент чувствительности а;.Сигналы с частотами Г 1,Г,.,Г б с выходов автогенераторов поступают на первые входы соответствующих смесителей 4, на вторые входы которых поступают сигналы частоты Г с опороного генератора 5, в результате чего на выходах смесителей 4 имеются низкочастотные сигналы вида 5 Ю(1 6 1=1,3),(2) где Е- коэффициент взаимного влияния 1-го измеряемого параРИ 1 о о)+а 1(Х,-Х, )+ 12(Х-Хо +а 16(Хг Хго (Хз-Хю)ФЕ6 (в о )+а,(Х 1 -Х,о +6(Х-Хм)+.+або(Х-Хго) (Хз -(3) Эти сигналы поступают на вход соответствующих преобразователей 6частота - код, на выходе которых преобретают кодовую (цифровую) Форму одновременно действующих на многопараметровый чувствительный элемент 1 измеряемых Физических величин50Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления, ускорения в локальном обьеме измерительного поля управляет щиислительный блок 7, который связан с блоком 8 памяти, преобразователями 6 частота - код по двухщинной системе. Имеются нины адреса и нины данных. Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля, содержащее чувствительный элемент с тремя кварцевыми резонаторами, подключенными к трем автогенераторам, три преобразователя частота - код выходы которых подключены к входу вычислительного блока, соединенного с блоком памяти, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей за счет У, а(Х, -Х,)+а, (Х-Х)а,(Х -Х, ) (Х,-Хю)(4)=а(Х, -Х 1 о)+а(Х,-ха)+.,+ад(хг Х,) (Х,-Х)илиЧ=А(Х-Х ), (5) блока 7 по двухшинной системе заклю 25Принцип действия вычислительногочается в следующем. Сначала блоквателей частота - код Формирует на шине адреса код соответ 1А - матрица преобразований, име- ствующего периферийного устройства:ющая следующий вид: одного из преобразователей 6 частота - код или блока памяти 8 - и зто(6) устройство выдает свою информацию пошине данных, которая считывается вС выходов преобразователей 4 часто- вычислительном блоке 8. Причем дета - код сигналы Ч поступают в вычи- .шифратор, находящийся в преобразоватеслительный блок 7, где происходит35ле частота - код определяет, чтоперемножение вектора сигналов Ч на именно к данному преобразователю чаобратную матрицу коэффициентов пре- стота - код произошло обращение иобразования А выставляет на шине данных код, соот 11 -1 ветствующий измеренной частоте, ко(Х-Х ) (7)торая считывается вычислительнымвызываемую из блока памяти 8. В реблоком. Вычислительный блок можетзультате получается оценка быть реализован, например, на основе,1307246 Составитель В,КуликовРедактор Т.Парфенова Техред И.Попович . Корректор Л.Пата Заказ 161 77твенного кетений и о5, Раушска ТиражВНИИПИ Государ по делам изоб 35, Москва, ЖПодписноемитета СССР рытиинаб оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул ектная, 4 обеспечения измерения ускорения, внего введены три дополнительных антогенератора, лесть смесителей, тридополнительных преобразователя частота - код и опорный генератор, ачувствительный элемент снабжен тремядополнительными кварцевыми резонаторами, подключенными к соответствующим дополнительным автогенераторам, при этом выходы дополнительныхпреобразователей частота - код под ключены к входу вычислительного блока, выход которого соединен с дополнительными входами всех преобразователей частота - код, первые входы которых подключены соответственно к выходам смесителей, а вторые входы подключены к выходу опорного генератора, соединенному с первыми входами смесителей, вторые входы которых Ю подключены соответственно к выходамавтогенераторов,