Датчик давления

;ь . 1;, к,ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ьство С 1/00, 9 азреэ (в увеличенно ержк тель тносится к изм астности к ст Иэ ной тдавления (иг. 1) льный элемент (ЧЭ) виде монокристаллич ой мембраны с утолщ содержитвыполеской енной певам дл чувствитененный икоппачко ласти обесп го из я посредс элек оженнымотверстия 4 давл Нглухого торцовогоектрнческой пластцовое отверстие 4 н ны 5, Глуоыполнено 5 диаметрез;на Фигфиг,измер пьезоэл хое то пл астинь ателт,иым лги вьлчаюцим ром, п Это ус ся обяз овне явл зоэлек ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ( ) 13849834362354/24-1011,01.8830.1.89. Вюл. У 44Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) С,И.Жуйков(56) Авторское свицетел ССР У 1384983, кл, С 01 1. 1 /08, 1986.(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 бретение о ери хнике, в ч у ройстя измеренич полных и парциальвлений газов.ь изобретения - расширение обприменения датчика за счет чения возможности одиовременноеренич полного и парциального ий газон.фиг. 1 изображен датчик, раза Фиг. 2 - разрез А-А на Лиг,1;3 - разрез 8-5 на Аиг. 1; насхема включения датчика в тельную схему; на Фиг, 5 - пьетрическая пластина с линиями 2элемента (ЧЭ) монокристаллической колпачковой мембраны, на которой расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), образуюшие линию задержки (ДЗ), с помошью которой измеряется полное давление газа. На пьезоэлектрической пластине, консольно закрепленной н корпусе, с противоположных ее сторон находятся две идентичные линии задержки, состояШие из ВШП ПАВ и периодических отражательных решеток, выполненных на слое материала, с помоцью 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,ифериинои частью, котором штока 2 соединена сическим диском 3, распо по оси симметрии пластиньдля работы предлагаемого устройства, Допустимым является превышение диаметра по сравнению с толщиной пластины 5 в пределах 107 Пьезоэлектрический диск 3 имеет толщину не более 1,5 мм и диаметр, равный диаметру отверстия пластины. Он расположен так, что может перемецаться вдоль отверстия 4. Работоспособность устройства определяется контактом между пластиной 5 и пьезоэлектрическим диском Э в направлении распространения поверхностной акустической волны (ПАВ).Осуществить требуемую точность иэ мерения можно путем выбора соответствующего диска, имеюцеГо контакт с пластиной, но не обладающего большими усилиями этого контакта. Пластина 5 закреплена отверстием вниз на пере ходном диске 6 корпуса 7 датчика. Неподвижность крепления пластины 5 обеспечивают держатели 8. На моно- кристаллической колпачкавой мембране выполнена линия задержки (Л 3-1), сос тояцая 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) и (ЛЗ-Э), 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,1)40пьезоэлектрический диск 3 находитсяв глухом торцовом отверстии 4 пьезоэлектрической пластины 5 в определенном положении (например, соответствуюцем атмосферному давлению), При 45подаче напряжения питания на входные ВШП 9 и 1 О, оно преобразуется в частоту 1 , ПЛВэ проходящая по монокристаллической колпачковой мембране, неизменяя своей траектории, доходит до .выходного ВШП 9, обеспечивая устойчивую генерацию сигнала на частоте , Другие же ПАВ, распространяясь по противоположным поверхностям пластины 5 достигают периодических отражаФ55 тельных решеток 11, нанесенных на слое материала 12, селективного по отношению к исследуемому компоненту газовой смеси. В том месте дисперсионной структуры, где расстояние между соседнимипериодическими отражательными решетками достигает интервала в половинудлины волны, происходит отражениеПАВ, которая, пройдя через пьезоэлектрический диск 3, достигает аналогичной области периодических отражательных решеток 11, Здесь волна опять отражается от решеток и изменяет своютраекторию по направлению к выходному ВШП 10,Таким образом, обеспечивается генерация сигнала частоты Е 0 в Л 3-2,оПричем начальное значение Чогг0 а % фгде Ч 0 - скорость распространенияПАВ;Ъ 0 - пространственный шаг периодических отражательных решеток,выбирается исходя из величины %находяцейся на линии, проходящей через пьезоэлектрический диск 3 и периодические решетки 11. Эта линия соответствует направлению акустическоголуча ПАВ.Возникновение генерации автогенератора на другой частоте невозможно,поскольку акустический луч отраженныхПАВ сместился бы относительно диска 3и не достигнул бы выходного ВШП 10,Тоже самое происходит с ПАВ в ЛЗ-Э,расположенной с обратной стороны пластины 5 (Лиг. 5). При отсутствии вгазе компонента, парциальное давление которого измеряется, на поверхности материала 12 адсорбции газа нет.Скорости ПАВ Ч 0 = Ч 0, равны благодаря выбору начального положения пьезоэлектрического диска 3, обеспечивающего о = о3Начальнач частота автогенератораГ, образованного усилителем 13(фиг, 4) и ВШП, расположенными назвукопроводе - ЧЭ(Л 3-1), выбирается равной частотам других автогенераторов, образованных усилителями 14и 15, ВШП 10 и периодическими отражательными решетками 11, расположенными на слое материала 12, селективногопо отношению к исследуемому газовомукомпоненту, которые выполнены на звукопроводах 16 и 17 пьезоэлектрическойпластины 5 (ЛЗ - 2 и ЛЗ). При этомиспользуется дифференциальная схема5152 включения ЯЗи ЛЗ-З, в которой производятся сравнение (вычитание) выходных сигналов двух ПАВ генераторов ЛЗи ЛЗв смесителе 18 и выделение сигнала разностной частоты с поиоцью Фильтра нижних частот (ФНЧ) 3 9 на регистрируюцем устройстве 20, Сигнал с ЛЗвыделяется на регистрирующем устройстве 21.При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ, что, в свою очередь, приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 3 (фиг. 1) вдоль оси глухого торцового отверстия 4 пластины 5, что соответствует смецению акустического" тракта для распространения ПАВ, При этом все три автогенератора изменяют свою частоту колебаний. В первом автогенераторе, образованном усилителем 13 (Фиг. 4) и ВНП, расположенными на звукопроводе ЧЭ, частота уменьшается. Это обусловлено деформацией звукопровода ЧЭ. Во втором автогенераторе (ЛЗ) устанавливаются колебания с частотой, соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11 (Фиг. 1) по линии, перпендикулярной оси глухого торцового 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) устанавливаются колебания с частотой, также соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11, (Фиг. 5), Однако в отличие от ЛЗ, при перемещении диска 3увеличивается, т,е. увеличивается частота автогенератора Е 0, . Кроме того, при наличии в газе компонента, к которому селективен материал 12, начинается его адсорбция на данном материале с изменением скорости протекания через него ПАВ - Ч2 и Ч , т.е., частота во втором авто- генераторе определяется выражениемЧ + Час-"ь- -- а в третьем-2 Е Ъа фЧо + Ч3 35с - ---- где Ъ ФЪЪ фзНа смесителе 18 (Фиг. 4) выделяется разность частот обоих автогенеоа 5508 Ьторов ЬЕ 2, которая, пройдя через ФНЧ 19, Фиксируется на регистрирующем приборе 20. Таким образом, изменение 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 результируюцей частоты Г пропорционально перемецению пьезоэлектрического диска (велнчине полного давления газовой смеси) и парциальноиу давлению исследуемого коипонента газовой смеси, а изменение частоты в первом автогенераторе ДГ, пропорционально только полному давлению газовой смеси и выделяется с поиоцью регистри" рующего устройства 21,В качестве материала, селективного к определенному компоненту газовой смеси, можно выбрать следущиетонкие пленки: при измерении кислорода - ЕпО, Ег 02, Т 102 и др,; при измерении водорода - Рд (или его сплавы с Т 1., Ч, Та), РЙО, НО, РЮ и др 1при измерении СО - Хп 0, Ая О, Сц Ои дрМатериал 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 ЯЗи ЛЗ-З, температурная составляюцая погрешности устройства может быть практически уменьшена до н уля,Расширение области применения датчика и повышение точности измеренияпроисходит эа счет того, что благодаря выбранной конструкции устройстваможно с большей степенью точности изиерить изменение частоты,пропорциональное измеряемому полному и парциальиому давлениям. Чувствительность к изменению давления может быть выАсражена Б- .ЬРОтносительная чувствительность (ЬЙ/Е) 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 ЛЗи ЯЗ. Следовательно, за счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, не жесткой связи метлу ни 3525508ми, изменения топологии периодическихотрааательных решеток н материала,ка котором они выполнены, лспольэования различных срезов пьезоэлектрических материалов, обладающих высокимикоэффициентами включения Л 9-2 и ЛЗ для исключения температурных погрешностей, составляющих единицы процентов на 10 С, моано добиться одновременного измерения как полного, так ипарциального давлений газа с повышенной точностью измерения. 20 Формула изобретенияДатчик давления по авт. св, У 3384983, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возмоаности одновременного измерения полного и парцнального давлений га" зов, он снабаен вторыми дополнительными входным и выходным встречноштыревыми преобразователями поверхностных акустических волн с периоди ческими отрааательными решетками,размещенными с другой стороны пьезоэлектрической пластины н имеющимитопологию, аналогичную первым дополнительным встречно-штыревым преобразователям поверхностных акустическихволн с отрааательными решетками, причем вторые входные и выходные встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн располоае"ны на пьезоэлектрической пластине взоне ее задерззи, а на пьезоэлектрическую пластину в местах располокения отралательных решеток нанесеныпленочные подлоаки прямоугольной формы, выполненные иэ материала,обладающего адсорбирукицими свойствами поотношению к определенному газу, приэтом отрвкательные решетки размещенына соответствующих подлокках зеркально-симметрично одна относительно другой, а первые н вторые дополнительныевстречно-штыревые преобразователивключены по дифференциальной схеме.1525508ЮЮСоставитель А,Амаханов Редактор Н,Киштулинец Техред А,Кравчук Корректор О,Кравцова Заказ 7212/35 тираж 789 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул, Гагарина, 101