ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

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 GB2386684, МПК G01L 9/00, опубл. 24.09.2003 года - [1], «Датчик механических величин и его варианты» по патенту Российской Федерации RU2247954, МПК G01L 9/08, Н03Н 9/145, опубл. 10.03.2005 года - [2], «Диафрагменный датчик на ПАВ» по патенту ЕПВ ЕР1533601, МПК G01L 9/00, опубл. 25.05.2005 года - [3], содержащие пьезоэлемент со структурой на поверхностных акустических волнах (ПАВ) - ПАВ резонатор, воздействие на который передается при помощи промежуточных устройств. Снятие показаний с первичных чувствительных элементов может производиться по радиоканалу в полосе частот отклика ПАВ резонатора.
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.
Известны первичные чувствительные элементы: «Первичный чувствительный элемент на ПАВ для измерения давления» по полезной модели Российской Федерации RU27257, МПК G10K 15/00, опубл. 10.01.2003 года - [4], «Способ и датчик для измерения давления с применением ПАВ» по патенту США US6571638, МПК G01L 11/00, опубл. 03.06.2003 года - [5], «Способ и пассивный датчик давления для шины» по патенту ЕПВ ЕР1505379, МПК G01L 9/00, В60С 23/04, опубл. 09.02.2005 года - [6], «Первичный чувствительный элемент для измерения давлений газов, жидкостей, сосредоточенных сил» по патенту Российской Федерации RU2327126, МПК G01L 9/12, опубл. 20.06.2008 года - [7], содержащие пьезоэлементы из гибких мембран, на которых нанесены ПАВ резонаторы, а снятие из них показаний осуществляется по радиоканалу в полосе частот отклика нанесенной ПАВ структуры.
Все известные устройства [4, 5, 6 и 7] обладают сложностью конструкции.
Прототипом заявляемого технического решения является «Барочувствительный элемент» по патенту Российской Федерации RU2402000, МПК G01L 9/12, опубл. 20.10.2010 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, при этом 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.
Недостатком устройства - прототипа [8] является сложность его конструкции, а именно сложностью создания в тонкой мембране выборки. Также устройство обладает низкой надежностью из-за сложности крепления на мембране над выборкой пьезоэлемента с ПАВ структурой и работающего на растяжение. Недостатком прототипа является также отсутствие в нем термочувствительного элемента для проведения более точных измерений.
Указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачи упрощения конструкции и технологии ее изготовления, а также повышения надежности устройства снижения его стоимости и повышение функциональности.
Указанная задача решается тем, что чувствительный элемент датчика давления, содержащий мембрану из пьезоэлектрического материала, жестко скрепленную с основанием через прокладку с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости, ПАВ резонатор расположен на мембране, контакты от него выведены из вакуумированной полости наружу нанесенными на мембрану высокочастотными электродами, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ резонатора, при этом мембрана выполнена плоской, в центре мембраны на ее внутреннюю поверхность нанесен барочувствительный ПАВ резонатор, ориентированный вдоль кристаллографической оси мембраны, дополнительный термочувствительный ПАВ резонатор нанесен на внутреннюю поверхность мембраны, по окружности минимальных деформаций мембраны и ориентированый под углом 60÷120° к барочувствительному ПАВ резонатору, при этом барочувствительный и термочувствительный ПАВ резонаторы внутри вакуумированной полости соединены между собой параллельно и через высокочастотные электроды подсоединены коаксиальным кабелем к антенне.
Введение в заявляемое техническое решение признаков: «мембрана выполнена плоской, в центре мембраны на ее внутреннюю поверхность нанесен барочувствительный ПАВ резонатор, ориентированный вдоль кристаллографической оси мембраны» необходимо для существенного упрощения технологии изготовления мембраны - отсутствует круглая выборка. Положение ПАВ резонатора вдоль кристаллографической оси мембраны позволяет возбуждать максимально эффективную ПАВ.
Введение признака: «дополнительный термочувствительный ПАВ резонатор нанесен на внутреннюю поверхность мембраны, по окружности минимальных деформаций мембраны и ориентированный под углом 60÷120° к барочувствительному ПАВ резонатору», необходимо для того, чтобы термочувствительная ПАВ структура находилась в зоне минимальных деформаций мембраны, а возбудимые ею ПАВ оказывали на барочувствительный ПАВ резонатор минимум нежелательных воздействий. Угол размещения 60÷120° термочувствительного ПАВ резонатора относительно барочувствительного ПАВ резонатора выбирается из результатов оптимизации зависимости положения термочувствительного ПАВ резонатора от оказываемых им информационных воздействий на барочувствительный ПАВ резонатор.
Введение признака: «барочувствительный и термочувствительный ПАВ резонаторы внутри вакуумированной полости соединены между собой параллельно и через высокочастотные электроды подсоединены коаксиальным кабелем к антенне», необходимо для упрощения конструкции заявляемого устройства и уменьшения количества выводимых контактов из чувствительного элемента датчика давления.
На фиг. 1 представлен чертеж с разрезом А-А чувствительного элемента датчика давления (вид сверху); на фиг. 2 - чертеж с разрезом Б-Б заявляемого устройства (вид сбоку); на фиг. 3 - схема соединения ПАВ резонаторов и их подключения к антенне; на фиг. 4 - графики радиальных и тангенциальных деформации на внутренней стороне мембраны заявляемого устройства.
M
M
Чувствительный элемент датчика давления содержит выполненную из пьезоэлектрического материала мембрану 1, жестко скрепленную с основанием 2 через прокладку 3 с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости 4, внутри которой в центре мембраны 2 нанесен барочувствительный ПАВ резонатор 5, ориентированный вдоль кристаллографической оси мембраны 2. На внутренней поверхности мембраны 2 по окружности минимальных деформаций мембраны 6 нанесен дополнительный термочувствительный резонатор 7, ориентированный под углом 60÷120° к барочувствительному ПАВ резонатору. Как видно из фиг.4 окружность минимальных деформаций мембраны 6 расположена на расстоянии равном 0,59R от центра мембраны, где R - радиус мембраны. На этом расстоянии от центра мембраны радиальные деформации, обращаются в ноль. Для принятого радиуса мембраны 9 мм это расстояние равно 5,3 мм. Барочувствительный и термочувствительный ПАВ резонаторы 5 и 7 внутри вакуумированной полости 4 соединены между собой параллельно высокочастотными электродами 8 нанесенными на мембрану 1 и согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ резонаторов 5 и 7 подсоединены коаксиальным кабелем 9 к антенне 10.
Работает чувствительный элемент датчика давления следующим образом: при повышении внешнего измеряемого давления закрепленная на прокладке 3 мембрана 1 с нанесенной на ее внутреннюю поверхность ПАВ резонаторами 5 и 7 прогибается в сторону вакуумированной полости 4 (основания 2). При этом барочувствительный ПАВ резонатор 5 растягивается, а его резонансная частота уменьшается, и, наоборот, при снижении измеряемого внешнего давления мембрана 1 прогибается от основания 2, а ПАВ резонатор 5 сжимается, а его резонансная частота увеличивается. При этом находящийся окружности 6 минимальных деформаций мембраны термочувствительный ПАВ резонатор 7 в обоих случаях испытывает минимальные деформации и его резонансная частота определяется температурой окружающей среды. Барочувствительный ПАВ резонатор 5 и дополнительный термочувствительный резонатор 7 соединенные между собой параллельно работают бесконтактно по радиоканалу. При этом считыватель своей антенной излучает зондирующие сигналы в заданном диапазоне частот в сканирующем режиме (то есть последовательно, с определенным шагом), принимаемый антенной 10 ПАВ резонаторов 5 и 7, которые от полученного по коаксиальному кабелю 9 сигнала резонируют со смещением частоты в зависимости от деформации мембраны 1 и ее температуры. Далее накопленная в ПАВ резонаторах в 5 и 7 энергия, соответствующая их резонансным частотам излучается в виде электромагнитной волны через свою антенну 10, из которой ответный сигнал принимается той же антенной считывателя. При этом считыватель принимает отраженные от чувствительного элемента датчика давления радиосигналы с амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения радиоволны, значение которого зависит от давления и температуры на чувствительном элементе. Считыватель в заданной полосе частот при сканировании зондирующими сигналами определяет по максимальному коэффициенту отражения радиоволны резонансную частоту барочувствительного ПАВ резонатора, а затем в другой полосе частот таким же способом определяет и частоту термочувстительного ПАВ резонатора. В решающем устройстве считывателя производится температурная компенсация показаний барочувствительного ПАВ резонатора путем вычисления разностной частоты барочувствительного и термочуствительного ПАВ резонаторов и подстановки разностной частоты в функцию для вычисления давления. Этим достигается беспроводное, мобильное и удобное считывание информации из чувствительного элемента датчика давления.
В результате испытаний опытного образца заявленного чувствительного элемента датчика давления, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением, получены положительные результаты, подтверждающие высокую точность измерений давления. Барочувствительный элемент работает с антенной с рабочей частотой 434 МГц.
Положительный эффект от предложенного технического предложения состоит в том, что полученный из чувствительного элемента датчика давления полезный сигнал дифференцирован в разностной частоте двух ПАВ резонаторов (барочувствительного и термочувствительного). Это создает возможность минимизировать влияние внешней линии антенны и температурного воздействия при проведении измерений. Кроме того, нанесение ПАВ резонаторов непосредственно на мембрану из пьезоэлектрического материала существенно повышает надежность устройства в целом.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями полезной модели, так как:
- Чувствительный элемент датчика давления в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- Конструктивная реализация чувствительного элемента датчика давления не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература:
1. Патент Великобритании GB2386684, МПК G01L 9/00, опубл. 24.09.2003 года, «Датчик давления с тремя устройствами ПАВ».
2. Патент Российской Федерации RU2247954, МПК G01L 9/08, Н03Н 9/145, опубл. 10.03.2005 года, «Датчик механических величин и его варианты».
3. Патент ЕПВ ЕР1533601, МПК G01L 9/00, опубл. 25.05.2005 года, «Диафрагменный датчик на ПАВ».
4. Полезная модель Российской Федерации RU27257, МПК G10K 15/00, опубл. 10.01.2003 года, «Первичный чувствительный элемент на ПАВ для измерения давления».
5. Патент США US6571638, МПК G01L 11/00, опубл. 03.06.2003 года, «Способ и датчик для измерения давления с применением ПАВ».
6. Патент ЕПВ ЕР1505379, МПК G01L 9/00, В60С 23/04, опубл. 09.02.2005 года, «Способ и пассивный датчик давления для шины».
7. Патент Российской Федерации RU2327126, МПК G01L 9/12, опубл. 20.06.2008 года, «Первичный чувствительный элемент для измерения давлений газов, жидкостей, сосредоточенных сил».
8. Патент Российской Федерации RU2402000, МПК G01L 9/08, опубл. 20.10.2010 года, «Барочувствительный элемент» - прототип.