БАРОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

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 чувтвительные 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, Н03Н 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 структуры на поверхностно активных волнах (ПАВ), 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,
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, В60С 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.
Все известные устройства [4, 5, 6 и 7] обладают сложностью конструкции.
Прототипом заявляемого технического решения является «Барочувствительный элемент» по патенту Российской Федерации RU 2402000, МПК G01L 9/12, опубл. 20.10.2010 года - [8], содержащий 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.
Указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачи упрощения конструкции и технологии ее изготовления, а также повышения надежности устройства и снижения его стоимости.
Указанная задача решается тем, что барочувствительный элемент, содержащий мембрану из пьезоэлектрического материала, жестко скрепленную с основанием через прокладку с образованием между мембранной и основанием герметичной вакуумированной полости, пьезоэлемент ПАВ структуры, расположенный на мембране, контакты от ПАВ структуры выведены из вакуумированной полости наружу нанесенными на мембрану высокочастотными электродами, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры, при этом мембрана выполнена плоской, в центре мембраны на ее внутреннюю поверхность нанесена ПАВ структура, ориентированная вдоль кристаллографической оси мембраны, длина ПАВ структуры меньше или равна 0,6 внутреннего диаметра прокладки, а высокочастотные электроды выполнены с экранирующими площадками - поглотителями ПАВ, расположенными по торцам ПАВ структуры вдоль распространения ПАВ.
Введение в заявляемое техническое решение признаков: «мембрана выполнена плоской, в центре мембраны на ее внутреннюю поверхность нанесена ПАВ структура, ориентированная вдоль кристаллографической оси мембраны» необходимо для существенного упрощения технологии изготовления мембраны - отсутствует круглая выборка. Положение ПАВ структуры вдоль кристаллографической оси мембраны позволяет возбуждать максимально эффективную ПАВ.
Введение признака: «длина ПАВ структуры меньше или равна 0,6 внутреннего диаметра прокладки», необходимо для того, чтобы ПАВ структура находилась в зоне максимальных деформаций мембраны, что позволит повысить чувствительность устройства, и улучшить линейность его выходной характеристики.
Введение признака: «высокочастотные электроды выполнены с экранирующими площадками - поглотителями ПАВ, расположенными по торцам ПАВ структуры вдоль распространения ПАВ», необходимо для существенного ослабления эффекта переотражения паразитных ПАВ и получения частотных характеристик устройства без паразитных резонансных частот.
На фиг.1 представлен чертеж с разрезом Б-Б барочувствительного элемента (вид сбоку); на фиг.2 - чертеж с разрезом А-А заявляемого устройства (вид сверху); на фиг.3 - фотография устройства со стороны мембраны и сбоку; 4 - фотография устройства (вид сверху).
Барочувствительный элемент 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 нанесена ПАВ структура 5, ориентированая вдоль кристаллографической оси мембраны 2, при этом длина ПАВ структуры составляет меньше или равно 0,6 внутреннего диаметра прокладки 3. Контакты от ПАВ структуры 5 выведены из вакуумированной полости 4 наружу нанесенными на мембрану 1 высокочастотными электродами 6, согласованными с антенной в полосе частот отклика ПАВ структуры 5. Высокочастотные электроды 6 внутри вакуумированной полости 4 выполнены с экранирующими площадками 7 - поглотителями ПАВ, расположенными по торцам ПАВ структуры вдоль распространения ПАВ.
Работает барочувствительный элемент следующим образом: При повышении внешнего измеряемого давления закрепленная на прокладке 3 мембрана 1 с нанесенной на ее внутреннюю поверхность ПАВ структурой прогибается в сторону вакуумированной полости 4 (основания 2). При этом ПАВ структура 5 растягивается, и, наоборот, при снижении измеряемого внешнего давления мембрана 1 прогибается от основания 2, а ПАВ структура 5 сжимается. ПАВ структура 5 (пассивный пьезокварцевый резонатор) подсоединеная через высокочастотные электроды 6 к своей антенне (на рисунках не показана) работает бесконтактно по радиоканалу. Высокочастотные электроды 6 со стороны ПАВ структуры 5 имеют прямоугольные экранирующие площадки 7, которые при работе ПАВ структуры 5 поглощают прямые и отраженные ПАВ.
При этом, считыватель своей антенной подает сигнал, принимаемый антенной ПАВ структуры 5, которая от полученного сигнала резонирует со смещением частоты в зависимости от деформации мембраны 1, далее накопленная в резонаторе энергия излучается в виде электромагнитной волны через свою антенну, из которой ответный сигнал принимается той же антенной считывателя. Этим 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 высокую точность измерений давления. Барочувствительный элемент работает с антенной с рабочей частотой 434 МГц. Данные экспериментальных исследований приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
№ п/п
Параметр, ед. изм.
Значение
1.
Диапазон рабочих частот, МГц
433,05-434,79
2.
Максимальное измеряемое избыточное давление, МПа
0,5…2,5
3.
Чувствительность, Гц/Па, не менее
0,2…0,08
4.
Относительная приведенная погрешность, %
±5,0
5.
Диапазон рабочих температур, °С
-30-+70
Первоначальные требования к проектируемому барочувствительному элементу
Таблица 2
№п/п
Параметр, ед. изм.
Значение
1.
Синусоидальная вибрация, Гц
1-1000
2.
Механический удар многократного действия, g
10
3.
Повышенная влажность, %
95
4.
Средняя наработка до отказа, ч, не мене
25000
5.
Средний срок службы, лет
15
Характеристики барочувствительного элемента к внешним воздействующим факторам и по надежности
Таким образом: Нанесение ПАВ структуры непосредственно на мембрану из пьезоэлектрического материала существенно повышает надежность устройства в целом. Выступающие части высокочастотных электродов (со стороны ПАВ структуры имеющие прямоугольные экранирующие площадки) при работе ПАВ структуры поглощают прямые и отраженные ПАВ, чем повышают стабильность выходных характеристик заявляемого технического решения.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями полезной модели, так как:
- Барочувствительный элемент в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- 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, Н03Н 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, В60С 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 2402000, МПК G01L 9/08, опубл. 20.10.2010 года, «Барочувствительный элемент» - прототип.