УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
DEVICE FOR REMOTE PRESSURE MEASUREMENT

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности.
Известны датчики давления, основанные на различных физических принципах (авт.свид. СССР №№355.519, 427.257, 508.700, 723.413, 781.638, 885.843, 1.000.806, 1.290.113, 1.368.677, 1.493.895, 1.508.114, 1.645.862, 1.686.322, 1.814.040, 1.815.598, 1.817.929, 1.818.560, 1.831.669; патенты РФ №№2.058.020, 2.244.908, 2.311.623; патенты США №№4.387.601, 4.395.915, 4.562.742; патент Японии №50-9.190; Бусурин В.И. Оптические и волоконно-оптические датчики. Квантовая электроника, 1985, №5, с.901-944, и другие).
Из известных датчиков давления наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для дистанционного измерения давления» (патент РФ №2.244.908, G01L 9/00, 2002), которое и выбрано в качестве базового объекта.
Известное устройство состоит из сканирующего устройства и приемоответчика. Сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, удвоитель фазы, делитель фазы на два, узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, и блок регистрации, второй вход которого через фазометр соединен с вторыми выходами задающего генератора и узкополосного фильтра. Приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух систем гребенчатых электродов.
В состав сканирующего устройства входят фазовый детектор, необходимым условием работы которого является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого фазоманипулированного (ФМн) сигнала. Указанное опорное напряжение выделяется непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала путем умножения и деления фазы принимаемого ФМн-сигнала на два.
с
с
Однако при этом возникает явление «обратной работы», которое обусловлено скачкообразными переходами начальной фазы опорного напряжения из одного состояния φ в другое φ+π под воздействием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов.
Это легко показать аналитически. На выходе удвоителя 5 фазы образуется гармоническое колебание
2
2
c
c
u(t)=U·Cos(2ωt+2φ+2Δφ).
к
Так как 2φ(t)={0; 2π}, то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делителе 6 фазы на два и выделяется узкополосным фильтром 7
3
3
c
c
c
u(t)=U·Cos(ωt+φ+Δφ), 0≤t≤T.
Действительно, если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π
<mrow><msubsup><mi>u</mi><mn>3</mn><mo>,</mo></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>c</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>c</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><mi>π</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Следовательно, двузначность фазы полученного опорного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность начальной фазы объясняется неустойчивой работой делителя 6 фазы на два под воздействием различных дестабилизирующих факторов. При этом на выходе фазового детектора 8 выделяется искаженный аналог модулирующего кода M(t), который не позволяет достоверно определять номер дистанционного датчика давления. Искаженное опорное напряжение не позволяет также достоверно измерить фазовый сдвиг Δφ, пропорциональный измеряемому давлению Р.
Технической задачей изобретения является повышение достоверности дистанционного определения номера датчика давления и измеряемого им давления путем устранения явления «обратной работы».
Поставленная задача решается тем, что устройство для дистанционного измерения давления, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, фазовый детектор, второй вход которого соединен с первым выходом узкополосного фильтра, и блок регистрации, второй вход которого через фазометр соединен с вторыми выходами задающего генератора и узкополосного фильтра, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух систем гребенчатых электродов, нанесенных на поверхность звукопровода, электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопроводе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка, отличается от ближайшего аналога тем, что сканирующее устройство снабжено перемножителем, причем к выходу дуплексера подключен перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход подключен к входу узкополосного фильтра.
Структурная схема сканирующего устройства представлена на фиг.1. Структурная схема приемоответчика изображена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы дистанционного датчика давления, показаны на фиг.3.
Сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, дуплексер 3, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 4, фазовый детектор 8 и блок 10 регистрации, второй вход которого через фазометр 9 соединен со вторыми выходами задающего генератора 1 и узкополосного фильтра 7. К выходу дуплексера 3 последовательно подключены перемножитель 5, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 8, и узкополосный фильтр 7, первый выход которого подключен к второму входу фазового детектора 8.
Приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которая представляет собой дискретно-аналоговую реализацию цифрового трансверсального фильтра. Роль отводов в таком фильтре играет встречно-штыревой преобразователь (ВШП), который состоит из гребенчатых систем электродов 13, нанесенных на поверхность звукопровода 11. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 14 и 15. Шины, в свою очередь, связаны с микрополосковой приемопередающей антенной 12. На звукопроводе 11, кроме того, размещены тонкая мембрана 16 и отражающая решетка 17.
Отводы многоотводной линии задержки равномерно распределены по поверхности звукопровода с шагом
э
Δh=V·τ,
где V - скорость поверхностных акустических волн, она примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний;
э
τ - длительность элементарных посылок.
Приемоответчик представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным пьезоэлектрическим преобразователем и набором отражателей. Преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне 12, которая также изготовлена на поверхности пъезокристалла.
Дистанционный датчик давления работает следующим образом. Задающий генератор 1 формирует высокочастотное колебание (фиг.3, а)
c
c
c
c
c
T
U(t)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤,
c
c
c
c
T
где U, ω, φ,  - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое после усиления в усилителе 2 мощности через дуплексер 3 поступает в приемопередающую антенну 4 и излучается ею в эфир.
Это высокочастотное колебание улавливается приемопередающей антенной 12 и возбуждает приемоответчик, а именно встречно-штыревой преобразователь (ВШП) на ПАВ.
В основе работы устройств на ПАВ лежат три физических процесса:
- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;
- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;
- отражение акустической волны и обратное преобразование ПАВ в электрический кодированный сигнал.
Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется встречно-штыревой преобразователь (ВШП), работа которого основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 13, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов 13 и их количеством.
Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.
К тонкой мембране 16 прикладывается давление Р, вызывающее ее деформацию. Скорость ПАВ в области мембраны изменяется, и фаза отраженной от решетки 17 акустической волны также изменяется в соответствии с деформацией мембраны 16.
Акустическая волна модифицируется уникальным, зависящим от топологии приемоответчика, образом. Затем отраженная акустическая волна претерпевает обратное преобразование в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн), который поступает в микрополосковую антенну 12 и излучается ею в пространство (фиг.3, в)
1
1
c
к
c
c
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ+Δφ], 0≤t≤T,
k
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), (фиг.3, б), который определяется структурой ВШП (фиг.2);
Δφ - изменение фазы, вызванное деформацией мембраны 16.
Указанный ФМн-сигнал улавливается приемопередающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступает на первые входы фазового детектора 8 и перемножителя 5.
На второй вход фазового детектора 8 поступает опорное напряжение (фиг.3, г) с первого выхода узкополосного фильтра 7
0
0
c
c
c
T
u(t)=U·Cos(ωt+ω), 0≤t≤.
На выходе фазового детектора 8 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, е)
н
н
к
c
u(t)=U-Cosφ(t),0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>н</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mo>;</mo></mrow>
где
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.3, б).
Это напряжение содержит информацию о номере дистанционного датчика давления и фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.
н
Низкочастотное напряжение u(t) с выхода фазового детектора 8 одновременно поступает на второй вход перемножителя 5. На выходе перемножителя 5 образуется гармоническое напряжение
2
2
c
1
2
c
к
1
2
c
1
2
c
1
2
c
1
0
c
1
u(t)=U·Cos(ωt+φ+2Δω)+U·Cos[ωt+2φ(t)+φ+Δφ]=U·Cos(ωt+φ+Δφ)+U·Cos(ωt+φ+Δφ)=2U·Cos(ωt+φ+Δφ)=U·Cos(ωt+φ+Δφ),
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
0
2
где
; U=2U,
которое выделяется узкополосным фильтром 7, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8.
c
н
Следует отметить, что сканирующее устройство работает в двух режимах: переходном и стационарном. Переходной режим соответствует моменту включения питания, когда на нелинейных элементах образуются различные комбинационные составляющие, среди которых будет присутствовать и гармоническая составляющая на частоте ω. Указанная составляющая выделяется узкополосным фильтром 7 и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8. На выходе фазового детектора 8 образуется низкочастотное напряжение u(t), которое поступает на второй вход перемножителя 5, и сканирующее устройство переходит в стационарный (рабочий) режим работы, который описан выше.
c
2
Одновременно напряжения u(t) и u(t) со вторых выходов задающего генератора 1 и узкополосного фильтра 7 поступают на два входа фазометра 9, где измеряется фазовый сдвиг Δφ, пропорциональный измеряемому давлению Р, который фиксируется на втором входе блока 10 регистрации.
Следовательно, блоком 10 регистрации фиксируется номер дистанционного датчика давления и измеряемое им давление Р.
Сканирующее устройство обеспечивает последовательный опрос всех дистанционных датчиков давления, регистрацию их номеров и измеряемых давлений.
Основное преимущество систем автоматической телеиндикации с применением приемоответчиков на ПАВ состоит в возможности изготавливать пассивный, т.е. не требующий источников питания, приемоответчик с малыми габаритами. Используемый приемоответчик предоставляет возможность дистанционного считывания несущей им информации о давлении неограниченное число раз, в автоматическом режиме.
Другое преимущество заключается в возможности совмещения функций переизлучения энергии, кодирования постоянной информации о номере и функции датчика давления в одном устройстве с простой конструкцией.
Положительным свойством приемоответчика на ПАВ можно считать также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батарей и большое время наработки на отказ).
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности дистанционного определения номера датчика давления и измеряемого им давления. Это достигается устранением явления «обратной работы».
Опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигнала и измерения фазового сдвига Δφ, пропорционального измеряемому давлению Р, также выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала с помощью только перемножителя и узкополосного фильтра. При этом отсутствуют удвоитель фазы и делитель фазы на два, которые являются основной причиной возникновения явления «обратной работы».