Патент на изобретение №2311623

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, динамического диапазона и дальности действия устройства для дистанционного измерения давления. Устройство для дистанционного измерения давления содержит сканирующее устройство и приемоответчик. При этом сканирующее устройство содержит задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый и второй узкополосные фильтры, фазовый детектор, фазометр, блок регистрации, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, первый и второй перемножители, полосовой фильтр. Приемоответчик содержит звукопровод, микрополосковую приемопередающую антенну, две системы гребенчатых электродов, две шины, мембрану и отражательную решетку. 3 ил._э – длительность элементарных посылок.

Приемоответчик представляет собой пъезокристалл 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.

Устройство для дистанционного измерения давления работает следующим образом.

Задающий генератор 1 формирует высокочастотное колебание (фиг.3, а)

с, с, Тс – 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 ее в электрический сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн).

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется встречно-штыревой преобразователь ПАВ, работа которого основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 13, вызывают из-за пъезоэффекта 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 изменится, и фаза отраженной от решетки 17 волны изменится 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, внутренняя структура которого определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит всю необходимую информацию о датчике давления.

Сформированный ФМн-сигнал поступает в антенну 12 и излучается в пространство (фиг.3, в)

U₁(t)=V₁·Cos[c·t+к(t)+с+], 0tТс,

где к(t)={0, } – манипулируемая составляющая фазы, отражающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3, б), который определяется структурой ВШП (фиг.2),

– изменение фазы, вызванное деформацией мембраны 16.

Указанный ФМн-сигнал принимается приемопередающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18 (фиг.3, д)

Uг(t)=Vг·Cos(г·t+г).

На выходе смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.3, г)

Uпр(t)=Vпр·Cos[пр·t+к(t)+пр+], 0tTc,

где Vпр=½K₁V₁·Vг;

K₁ – коэффициент передачи смесителя;

пр=с-г – промежуточная (разностная) частота;

пр=с-г,

которое поступает на первый вход перемножителя 21, на второй вход которого подается высокочастотное колебание Uc(t) со второго входа задающего генератора 1.

На выходе перемножителя 21 образуется напряжение (фиг.3, з)

U₂(t)=V₂·Cos[г·t+к(t)+г+], 0tTc,

где V₂=½K₂·Vпр·Vc;

K₂ – коэффициент передачи перемножителя;

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте г гетеродина 18, выделяется полосовым фильтром 22 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 8.

Напряжение Uпр(t) со второго выхода усилителя 20 промежуточной частоты одновременно поступает на вход удвоителя 5 фазы. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг.3, е)

U₃(t)=V₃·Cos(2пр·t+2пр+2), 0tТс.

Так как 2к(t)={0, 2}, то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делителе 6 фазы на два, выделяется узкополосным фильтром 7 (фиг.3, ж)

U₄(t)=V₄·Cos(пр·t+пр+), 0tТс.

Полученное гармоническое колебание поступает на первый вход перемножителя 23, на второй вход которого подается высокочастотное колебание Uc(t) со второго выхода задающего генератора 1. На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое колебание

U₅(t)=V₅·Cos(г·t+г+), 0tTc,

где V₅=½K₂·V₄·V_c;

которое выделяется узкополосным фильтром 24 и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, и)

Uн(t)=Vн·Cosк(t),

где Vн=½K₃·V₂·V₅;

К₃ – коэффициент передачи фазового детектора;

которое содержит информацию о номере дистанционного датчика давления и фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.

Одновременно гармоническое колебание U₅(t) с выхода узкополосного фильтра 24 поступает на первый вход фазометра 9, на второй вход которого подается напряжение Uг(t) гетеродина 18. Фазометр 9 измеряет фазовый сдвиг , 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.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение чувствительности, динамического диапазона и дальности действия. Это достигается путем построения приемника сканирующего устройства по супергетеродинной схеме.

Следует отметить, что чувствительность приемника прямого усиления составляет 10^-2÷10^-3 Вт, в то время как чувствительность супергетеродинного приемника составляет 10^-6÷10^-8 Вт.

Кроме того, синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала и измерение фазового сдвига , пропорционального измеряемому давлению Р, осуществляются на стабильной частоте г гетеродина, что не требует дополнительной фазовой синхронизации. Последняя была необходима при использовании для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала и измерения фазового сдвига частоты с задающего генератора, так как на зондирующий и переизлученный сигналы воздействуют различные дестабилизирующие факторы.

Формула изобретения

Устройство для дистанционного измерения давления, содержащее сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство представляет собой приемопередатчик с направленной или ненаправленной антенной и состоит из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности и дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, последовательно включенных удвоителя фазы на два, делителя фазы на два и первого узкополосного фильтра, последовательно включенных фазового детектора и блока регистрации, второй вход которого соединен с выходом фазометра, 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 звукоотвода, электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на звукопроводе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка, отличающееся тем, что оно снабжено гетеродином, смесителями, усилителем промежуточной частоты, двумя перемножителями, полосовым фильтром и вторым узкополосным фильтром, причем к выходу дуплексера последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, и полосовой фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вход удвоителя фазы соединен со вторым выходом усилителя промежуточной частоты, второй вход фазового детектора соединен с выходом второго узкополосного фильтра.

РИСУНКИ