Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля

 

Изобретение относится к электрическим измерениям неэлектрических величин. Цель изобретения - обеспечение -измерения ускорения. Устройстфцni во содержит трехпараметровый чувствительный элемент 1 с кварцевыми резонаторами 2, автогенераторы 3, смесители 4, опорный генератор 5, преобразователи 6 частота-код, вычислительньй блок 7 и блок 8 памяти. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет благодаря многопараметровой чувствительности кварцевых резонаторов 2 строить устройства для одновременного измерения нескольких физических величин в локальном объеме измерительного поля, базирующиеся на многопараметровом методе измерений, так как резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 зависят от температуры, прикладываемьк усилий и величины массы в активной зоне. 3 ил. с &

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ;.

РЕСПУБЛИН

1 (Р, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 39901 23/24-10 (22) 16.12,85 (46) 30,04.87. Бюл. - 16 (71) Харьковский авиационный институт им. Н.Е.Жуковского (72) Ф,Ф.Колпаков, В.A.Ïèñàðåí, В.А.Шевелев и В.М.Читова (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1068739, кл, G Ol К 7/32, G 01 L 1/16; 1982.

Авторское свидетельство СССР № 1015267, кл. G 01.К 7/32, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРБ1 И ДАВЛЕНИЯ В

ЛОКАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПОЛЯ (57) Изобретение относится к электрическим измерениям неэлектрических величин. Цель изобретения — обеспечение измерения ускорения. Устройст(5И 4 С О1 К 7/32, G 01 Ь l/16 во содержит трехпараметровый чувствительный элемент 1 с кварцевыми резонаторами 2, автогенераторы 3, смесители 4, опорный генератор 5, преобразователи 6 частота-код, вычислительный блок 7 и блок 8 памяти. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет благодаря многопараметровой чувствительности кварцевых резонаторов 2 строить устройства для одновременного измерения нескольких физических величин в локальном объеме измерительного поля, базиру ащиеся на многопараметровом методе измерений, так как резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 зависят от температуры, прикладываемых усилий и величины массы в активной зоне. 3 ил, )307246

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и предназначено для одновременного измерения нескольких физических величин в локальном объеме измерительного поля.

Целью изобретения является обеспечение измерения ускорения.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля; на фиг. 2. — конструкция трехпараметрового чувствительного элемента (датчика); на фиг. 3- !5 разрез А-A на фиг. 2, Устройство для одновременного изменения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля (фиг. 1) содержит трехпа- 20 раметровый чувствительный элемент (датчик) 1 с шестью кварцевыми резонаторами 2, подключенными к соответствующим автогенераторам 3, выходы которых подключены к вторым входам 25 смесителей 4, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих преобразователей 6 частота-код,. вторые входы которых подключены к выходу опорного генератора 5,соединен- 30 ному с первыми входами смесителей 4, дополнительные входы преобразователей 6 частота — код подключены к выходу вычислительного блока 7, соединенного с блоком 8 памяти, а выходы преобразователей 6 частота — код соединены с входом вычислительного блока 7.

Трехпараметровый чувствительный элемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 9 40 и изготовленные за одно целое с ним мембрану 10 и шесть пар поддерживающих мембранных стоек 11. В корпусе

9 на поддерживающие мембранные стойки 11 установлена кварцевая пластина (LC-среза) 12 с шестью ступенчатыми электродами 13. На опорные шайбы

14 установлен пьезокварцевый диск

15 (LC-среза) с шестью плоскими электродами 16, поджатый с торцов пружинами 17. Весь корпус закрыт крышкой 18, Трехпараметровый чувствительный элемент 1 находится под действием температуры Т(Х ), давления Р(Х ) и ускорения ),(Х ), действующего в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 9 и проходящей через середины пружин )7. Пьезокварцевый диск 15 с плоск ми электрода !6 выполнен из материала такого !.С сре за как и пьезокварцевая пластина 12 со ступенчатыми электродами 13, а также имеет одинаковую с пьезокварцевой пластиной 12 ориентацию относительно ступенчатых электродов 13 пьезокварцевой пластины 12. Середина каждой соответствующей мембранной стойки 11, центр пьезокварцевой пластины 12 и центр соответствующего ступенчатого электрода 13 находятся на одной прямой, а углы между этими о прямыми составляют 60 . Вид сверху на пьезокварцевую пластину 12 со ступенчатыми электродами 13, установленную в поддерживающих мембранных стойках 1! представлен на фиг. 2.

Углы (Фиг ° 3) между осью Z и направлениями прикладываемых усилий при действии давления составляют в данном случае 15, 75, 135, 195, 255, о

315, что позволяет получить коэффи-циенты силовой чувствительности для резонаторов 2, различных по величине и знаку.

Пьезокварцевый диск 15 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполняет роль массы, используемой в акселерометрах. При этом ширина и конфигурация пружины 17, ограничивающей перемещение пьезокварцевого диска 12 по поверхности опорных шайб 14, выбирается такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действия ускорения и максимальную жесткость во всех остальных направлениях.

Ступенчатые электроды 13, центры о которых расположены под углом 60 относительно центра пьезокварцевой пластины 12, нанесены на ней так, чтобы плоскости ступенек были перпендикулярны направлению действия ускорения.

В процессе сборки многопараметрового чувствительного элемента на мембрану 10 воздействует давлением выше максимального измеряемого, при этом поддерживающие мембранные стойки 11 отклоняются в стороны и в них вставляется пьезокварцевая пластина

12 со ступенчатыми электродами 13, причем так, как это показано на фиг. 2 ° При снятии давления кварцевая пластина оказывается зажатой в мембранных стойках 11, а векторы силы P при этом направлены по осям, 1307 46

f, =f, +à „(X,-Х, )+à „,(X,-Х„)+а,,,(Х.,-X )+a«(X,-X )(Х,-X )+ 6=4Ep+ E;I(XI Х о) айаг(Хг Хго)+ааз(Хз Х о)+а (Х, -2Х„) (Х -Х„p)+ соединяющим cplEeEIèíE (сап твет< тную щих электродов 13. При подаче измеряемого давления происходит изменение сжимающих усилий, прикладын»емых к кварцевым резонаторам 2 и 5 пропорциональных воздействующему давлению. Причем, поскольку вектор усилий для каждого из резонаторов напран1 лен относительно оси Z под разным углом, то силовые коэффициенты чувствительности различны по величине и знаку.

Пьезокварценый диск 15 под действием пружин 17 устанавливается относительно зажатой пьезокварцевой пластины 12 так, чтобы плоскость симметрии каждого резонатора проходила через диаметр каждого плоского электрода 16 пьезокварцевого диска 12 и вдоль плоскости раздела массы сост- 20 ветствующего ступенчатого электрода

13 пьезокварцевой пластины 12.

Таким образом, в трехпараметравом чувствительном элементе 1 имеется шесть кварцевых резонаторов 2, состоящих каждый из кварцевой пластины

17 и двух электродов ступенчатого

13 и плоского 16.

Диаметр каждого плоского (подвижного) электрода 16 меньше соответст- 30 вующего (неподвижного) электрода 13.

Подбором жесткости пружин 17 и соотношением нысот и толщиной ступенчатых электродов 13 можно варьировать коэффициенты чувствительности к перемеще- 3S нию или коэффициенты массачунстнительности кварцевых резонаторов 2, Температурные коэффициенты чувствительности однозначно определяются выбранным типом среза кварцевых ре- 40 зонаторон (LC-срез).

° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° где а; (i=1,á; j =1,3) — коэффициенты термо- тензо- и масс †чувствительноЭ

S0 сти кварцевых резонаторов; а; (i=1,6; j =4, 6) — коэффициенты смешанных чувствительностей;

Х, Хг, Х вЂ” измеряемые темпера г тура, давление и ускорение;

XIp p Xg Х30 координаты репернай го точки Хо, в которой определялись а ко эффипиенты чувст вительно ст и а; (i

j=1,6}:

Таким образам, н тре.параметрочунствительном ":TIpMpECTp 1 ствие температуры Т(Х,) н» кварце— ные резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации (эффект термачунстнительности}.

П1 и изменении воздействующего данле— пия P(X } проис:oUIIò - зменение -жимающих усилий, пропорциональных давлению и прикладываемых к каждому резонатору (эффект тензочувствительности). Воздействие ускорения В(Хэ) приводит к изменению взаимного расположения подвижных (плоских) электродов 16 пьеэокварцевого диска 15 и неподвижных (ступенчатых)электродов 13 пьезокварцевой пластины 12, а следовательно, и изменению массы н активной зоне резонаторов (эффект масс †чувствительнос)., 1ругими словами, резонансные частоты кварцевых резонаторов 2 эа— висят от температуры, прикладываемых усилий и величины массы в активной зоне. Благодаря такой многопараметровай чувствительности кварцевых резонаторов имеется возможность строить устройства для одновременного измерения нескольких (н предлагаемом устройстве трех) физических величин н локальном объеме измерительного поля, базирующиеся на многопараметроном методе измерений, Устройство работает следующим образом.

В результате воздействия на чувствительный элемент l с пьезокварцевыми резонаторами 2 температуры, давления и ускорения частоты антогенераторов 3 изменяются следующим образом

f (i=1,6) — начальные частоты автогенераторон или частоты автагенераторон н репернай точке.

В выражениях системы (1) учтено имеющееся на практике взаимное влияние измеряемых параметрон на соответствующие коэффициенты чувствительности, т.е. температуры на тензо — имасс-чувствительность, силы на термо- и масс-чувствительность, ускорения на термо- и тензочувстнитель1307246 ность, которе выражается в первом приближении в виде метра на соответствующий коэффициент чувствительно=:. 1 Сигналы с частотами f,, f,...,, f с выходов автогенераторов поступают на первые входы соответствующих смесителей 4, на вторые входы которых поступают сигналы частоты f с опоро ного генератора 5, в результате чего на выходах смесителей 4 имеются низкочастотные сигналы вида

1О 1 (il,6, 1=1,3), (2) .) где k„> — коэффициент взаимного влияния f-ro измеряемого параF(fà-К,)+а„(Х, -Х„)+а, (Х2-X20) + ° ° ° 16(Х, Х„) (X9 Хю)

° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° Ф ° ° ° ° ° ° ° Ф ° ° ° ° ° ° 4 ° ° ° ° ° ° ° ° ° °

F (f 1;Е,)+а,(Х1 Х1о)+а,(Х,-Х )+...+а,(Х,-Х„) (Хз Х ) (3) Эти сигналы поступают на вход соответствующих преобразователей 6! частота — код, на выходе которых преобретают кодовую (цифровую) форму одновременно действующих на многопараметровый чувствительный элемент

1 измеряемых физических величин

Х,, Х„Х,.

Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления, ускорения в локальном обьеме измерительного поля управляет тучислительный блок 7, который связан с блоком 8 памяти, преобразователями 6 частота — код по двухшинной системе. Имеются нины адреса и нины данных.

Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля, содержащее чувствительный элемент с тремя кварцевыми резонаторами, подключенными к трем автогенераторам, три преобразователя частота — код,, выходы которых подключены к входу вычислительного блока, соединенного с блоком памяти, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет

У, а „(Х,-Х„)+а, (Х -Х„)+...+а, (Х -Х, ) (Х,-Х )

° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° (4)

Yq =a«(Õ,-Х1о)+а, (Х -Х )+...+а„(Х -Х,®) (Х,-Х, ) или

V=A(X-X ), (5) блока 7 по двухшинной системе заклю25

Принцип действия вычислительного чается в следующем. Сначала блок формирует на шине адреса код соответ1 ствующего периферииного устроиства: ющая следующий вид: одного из преобразователей 6 частота — код или блока памяти 8 — и зто (6) устройство выдает свою информацию по шине данных, которая считывается в

С выходов преобразователей 4 часто- вычислительном блоке 8. Причем дета — код сигналы V поступают в вычи .шифратор, находящийся в преобразоватеслительный блок 7, где происходит

35 ле частота — код определяет, что перемножение вектора сигналов V на именно к данному преобразователю чаобратную матрицу коэффициентов пре- стота — код произошло обращение и образования А выставляет на шине данных код, соот11- -1 ветствующий измеренной частоте, ко(Х-Хо) =A Uý (7) торая считывается вычислительным вызываемую из блока памяти 8. В реблоком. Вычислительный блок может зультате получается оцЕнка быть Реализован, напРимеР на основе, - микроЭВМ "Электроника ДЗ-28" или дру(Х -1 ), (Х -Х )»,...;..., (Х1"Х,о) (Х -Х >)3 гого типа.

Формула изобретения

1 30724| .

17 14

Составитель В. Куликов

Редактор Т.Парфенова Техред И.Попович . Корректор Л.Патай

Заказ 1619/38

Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 обеспечения измерения ускорения, н него введены три дополнительных антогенератора, лесть смесителей, три дополнительных преобразователя частота — код и опорный генератор, а чувствительный элемент снабжен тремя дополнительными кварцевыми резонаторами, подключенными к.соответствующим дополнительным автогенерато— рам, при этом выходы дополнительных преобразователей частота — код подг ключены к входу вычислительного блока, выход которого соединен с дополнительными входами всех преобразователей частота — код, первые входы которых подключены соответственно к выходам смесителей, а вторые входы подключены к выходу опорного генератора, соединенному с первыми входами смесителей, вторые входы которых

10 подключены соответственно к выходам автогенераторов.