УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ
DEVICE FOR REMOTE MEASUREMENT OF ATMOSPHERIC PARAMETERS

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении, температуре и влажности атмосферы (воздуха) в различных отраслях промышленности.
Известные датчики давления основаны на различных физических принципах (авт.свид. СССР №№355.519, 427.257, 508.700, 723.413, 781.638, 797.701, 885.843, 922.086, 1.000.806, 1.177.698, 1.290.113, 1.368.677, 1.486.818, 1.493.895, 1.508.114, 1.645.862, 1.686.322, 1.736.951, 1.769.010, 1.814.040, 1.815.598, 1.817.929, 1.818.560, 1.831.669, 1.838.250, патенты РФ №№2.058.020, 2.244.908, 2.311.623; патенты США №№4.562.742, 4.387.601, 4.395.915, 4.317.372, 6.003.378; патент Японии №50-9.190; Бусурин В.И. Оптические и волоконно-оптические датчики // Квантовая электроника, 1985, №5, С.901-944 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для дистанционного измерения давления» (патент РФ №2.244.908, G01L 9/00, 2002), которое и выбрано в качестве прототипа.
Известное устройство обеспечивает повышение точности дистанционного измерения только давления.
Однако в ряде случаев необходима совместная одновременная оценка давления, температуры и влажности атмосферы (воздуха) в различных отраслях промышленности и науки.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем одновременного дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы (воздуха).
1
2
3
2
1
3
2
Поставленная задача решается тем, что устройство для дистанционного измерения параметров атмосферы, содержащее сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство содержит последовательно включенные усилитель мощности и дуплексер, выход/выход которого связан с приемопередающей направленной или ненаправленной антенной, последовательно включенные первый удвоитель фазы, первый делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор и блок регистрации, последовательно включенные задающий генератор и первый фазометр, второй вход которого соединен с вторым выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу блока регистрации, а приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающий первый встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух гребенчатых систем электродов, нанесенных на поверхность звукопровода, электроды каждой из гребенок соединены между собой шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопроводе размещены первый чувствительный элемент, выполненный в виде тонкой мембраны, и первая отражающая решетка, отличается от ближайшего аналога тем, что сканирующее устройство связано двумя перемножителями, вторым, третьим, четвертым и пятым узкополосными фильтрами, сумматором, тремя полосовыми фильтрами, вторым и третьим удвоителями фазы, вторым и третьим делителями фазы на два, вторым и третьим фазометрами, причем к второму выходу задающего генератора последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр и сумматор, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, а выход подключен к входу усилителя мощности, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и третий узкополосный фильтр, выход которого подключен к третьему входу сумматора, выход дуплексера через первый полосовой фильтр подключен к входу первого удвоителя фазы и к второму входу фазового детектора, к выходу дуплексера последовательно подключены второй полосовой фильтр, второй удвоитель фазы, второй делитель фазы на два, четвертый узкополосный фильтр и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, к выходу дуплексера последовательно подключены третий полосовой фильтр, третий удвоитель фазы, третий делитель фазы на два, пятый узкополосный фильтр и третий фазометр, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, а выход подключен к четвертому входу блока регистрации, а приемоответчик снабжен вторым и третьим встречно-штыревыми преобразователями, вторым и третьим чувствительными элементами, второй и третьей отражающими решетками, которые нанесены на поверхность одного и того же звукопровода, причем шины второго и третьего встречно-штыревых преобразователей связаны с одной и той же микрополосковой приемопередающей антенной, центральные частоты ω, ω и ω встречно-штыревых преобразователей определяются шагом размещения электродов, их количеством и выбраны следующим образом: ω=2ω, ω=2ω.
Структурная схема сканирующего устройства представлена на фиг.1. Структурная схема приемоответчика изображена на фиг.2. Частотная диаграмма показана на фиг.3.
Сканирующее устройство состоит из последовательно включенных задающего генератора 1, первого перемножителя 18, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, второго узкополосного фильтра 19, второго перемножителя 20, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 19, третьего узкополосного фильтра 21, сумматора 22, второй и третий входы которых соединены с выходами задающего генератора 1 и второго узкополосного фильтра 19 соответственно, усилителя 2 мощности, дуплексера 3, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 4, первого полосового фильтра 23, первого удвоителя 5 фазы, первого делителя фазы 6 на два, первого узкополосного фильтра 7, фазового детектора 8, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 23, и блока 10 регистрации, второй вход которого через первый фазометр 9 соединен с вторыми выходами задающего генератора 1 и первого узкополосного фильтра 7. К выходу дуплексера 3 последовательно подключены второй полосовой фильтр 24, второй удвоитель 26 фазы, второй делитель 28 фазы на два, четвертый узкополосный фильтр 30 и второй фазометр 32, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 19, а выход подключен к третьему входу блока 10 регистрации. К выходу дуплексера 3 последовательно подключены третий полосовой фильтр 25, третий удвоитель 27 фазы, третий делитель 29 фазы на два, пятый узкополосный фильтр 31 и третий фазометр 33, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 21, а выход подключен к четвертому входу блока 10 регистрации.
Приемоответчик выполнен на многоотводных линиях задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые представляют собой дискретно-аналоговые реализации цифровых трансферсальных фильтров. Роль отводов в таких фильтрах играют встречно-штыревые преобразователи I, II, III, каждый из которых состоит из двух гребенчатых систем электродов 13.1 (13.2, 13.3), нанесенных на поверхность звукопровода 11. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 14.1 и 15.1 (14.2 и 15.2, 14.3 и 15.3). Шины, в свою очередь, связаны с микрополосковой приемопередающей антенной 12. На звукопроводе 11, кроме того, размещены чувствительные элементы 16.1, 16.2, 16.3 и отражающие решетки 17.1, 17.2, 17.3.
Отводы многоотводных линий задержки равномерно распределены по поверхности звукопровода с шагом
Э
Δh=Vτ,
где V - скорость поверхностных 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 алюминиевыми тонкопленочными пьезоэлектрическими преобразователями и набором отражателей. Преобразователи подключены к микрополосковой приемопередающей антенне 12, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла.
Устройство для дистанционного измерения параметров атмосферы работает следующим образом.
Задающий генератор 1 формирует высокочастотное колебание
1
1
1
1
c
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
1
1
1
c
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,
которое поступает на первый вход сумматора 22 и на два входа перемножителя 18, на выходе которого образуется следующее гармоническое колебание
2
2
2
2
c
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
2
1
2
1
где , ω=2ω; φ=2φ.
Это колебание поступает на второй вход сумматора 22 и на два входа перемножителя 20, на выходе которого образуется следующее гармоническое колебание (фиг.3)
3
3
3
3
c
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
3
2
3
2
где , ω=2ω; φ=2φ.
Это колебание поступает на третий вход сумматора 22. На выходе сумматора 22 образуется суммарное напряжение
∑
1
2
3
u(t)=u(t)+u(t)+u(t),
которое после усиления в усилителе 2 мощности через дуплексер 3 поступает в приемопередающую антенну 4 и излучается ею в эфир, улавливается микропо-лосковой приемопередающей антенной 12 и возбуждает приемоответчик, а именно первый I, второй II и третий III встречно-штыревые преобразователи (ВШП) на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
В основе работы устройства на ПАВ лежат три физических процесса:
- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;
- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;
- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.
1
2
3
Для прямого и обратного преобразования ПАВ используются три встречно-штыревых преобразователя (ПАВ), работа которых основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 13.1, 13.2, 13.3, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральные частоты ωi, ω и ω первого I, второго II и третьего III ВШП определяются шагом размещения электродов 13.1, 13.2, 13.3 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.
Чувствительный элемент 16.1, например, выполненный в виде тонкой мембраны, реагирует на давление Р атмосферы (воздуха), которое вызывает ее деформацию. Чувствительный элемент 16.3 реагирует на влажность W.
Скорость ПАВ в области чувствительных элементов 16.1, 16.2 и 16.3 изменяется и фазы отраженных от решеток 17.1, 17.2 и 17.3 волн изменяются в соответствии с деформацией чувствительных элементов 16.1, 16.2 и 16.3.
Акустические волны модифицируются уникальным, зависящим от топологии приема ответчика образом. Затем отраженные акустические волны претерпевают обратное преобразование в электромагнитные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн), которые поступают в антенну 12 и излучаются в пространство:
4
4
1
k
1
1
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ+Δφ],
5
5
2
k
2
2
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ+Δφ],
6
6
3
k
3
3
c
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ+Δφ], 0≤t≤T,
k
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который определяется структурой ВШП;
1
Δφ - разность фаз, вызванная изменением давления атмосферы (воздуха);
2
Δφ - разность фаз, вызванная изменением температуры атмосферы (воздуха);
3
Δφ - разность фаз, вызванная изменением влажности атмосферы (воздуха).
Указанные сигналы с фазовой манипуляцией принимаются приемопередающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступают на входы полосовых фильтров 23, 24 и 25.
н1
1
н1
1
н2
2
н2
2
н3
3
н3
3
Частота настройки ω полосового фильтра 23 выбирается равной ω(ω=ω). Частота настройки ω полосового фильтра 24 выбирается равной ω(ω=ω). Частота настройки ω полосового фильтра 25 выбирается равной ω(ω=ω).
4
5
6
Полосовыми фильтрами 23, 24 и 25 выделяются ФМн-сигналы u(t), u(t) и u(t), которые поступают на входы удвоителей 5, 26 и 27 фазы. На выходах последних образуются следующие гармонические колебания:
7
7
1
1
1
u(t)=Ucos[2ωt+2φ+2Δφ],
8
8
2
2
2
u(t)=Ucos[2ωt+2φ+2Δφ],
9
9
3
3
3
c
u(t)=Ucos[2ωt+2φ+2Δφ], 0≤t≤T,
где ; ; .
k
Так как 2φ(t)={0, π}, то в данных колебаниях манипуляция фазы уже отсутствует. Эти колебания делятся по фазе на два в делителях фазы 6, 28 и 29 на два и выделяются узкополосными фильтрами 7, 30 и 31:
10
10
1
1
1
u(t)=Ucos[ωt+φ+Δφ],
11
11
2
2
2
u(t)=Ucos[ωt+φ+Δφ],
12
12
3
3
3
c
u(t)=Ucos[ωt+φ+Δφ], 0≤t≤T.
10
4
Полученное гармоническое колебание u(t) используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8, на первый (информационный) вход которого подается ФМн-сигнал u(t). На выходе фазового детектора 8 образуется низкочастотное колебание
н
н
k
u(t)=Ucosφ(t),
где ,
которое содержит информацию о номере устройства для дистанционного измерения параметров атмосферы (воздуха) и фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.
10
11
12
1
2
3
1
2
3
Одновременно напряжения u(t), u(t) и u(t), u(t), u(t) и u(t) поступают на два входа фазометров 9, 32 и 33, где измеряются фазовые сдвиги Δφ, Δφ и Δφ, пропорциональные измеряемым давлению Р, температуре Т и влажности W соответственно.
Следовательно, блоком 10 регистрации фиксируется номер устройства для дистанционного измерения параметров атмосферы (воздуха) и измеряемое им давление Р, температура Т и влажность W.
Сканирующее устройство обеспечивает последовательный опрос всех устройств для дистанционного измерения параметров атмосферы (воздуха), регистрацию их номеров и измеряемых давлений, температур и влажности.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает дистанционное измерение не только давления атмосферы (воздуха) с повышенной точностью, но и одновременного дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы (воздуха) с повышенной точностью. Это необходимо в тех случаях, когда непосредственное (контактное) измерение параметров атмосферы (воздуха) невозможно выполнить. Повышение точности дистанционного измерения давления, температуры и влажности обеспечивается фазовым методом.
Основное преимущество систем автоматической телеиндикации с применением приемопередатчиков на ПАВ состоит в возможности изготовить пассивный, т.е. не требующий источников питания приемоответчик с малыми габаритами. Используемый приемоответчик представляет возможность дистанционного считывания несущей им информации о давлении, температуре и влажности атмосферы (воздуха) неограниченное число раз, в автоматическом режиме.
Другое преимущество заключается в возможности совмещения функций переизлучения энергии, кодирования информации о номере и функций датчиков давления, температуры и влажности 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 ни отказ).
Тем самым функциональные возможности устройства расширены.