Акустоэлектронный датчик температуры

 

Изобретение м.б. применено в системах контроля и управления технологическими процессами. Цель изобретения - повышение чувствительности измерений температуры. В пьезопластине 2 с помощью встречно-штыревого преобразователя (ВШП) 4 возбуждается волна, которая достигает выходной ВШП 5. Величина скорости в звукопроводе зависит от значения скоростей в материалах пьезопластин 2 и 3, зазора между ними, соотношения толщин пьезопластин 2 и 3, размеров взаимной области перекрытия пластин и температуры окружающей среды. Изменение скорости акустической волны за счет трансформации акустической волны ц перераспределения ее энергии между пьезопластинами 2 и 3 в узком диапазоне составляет несколько процентов, что превосходит суммарное изменение температуры в YX-срезе кварца пъезопластины 2 во всем диапазоне измерений. СП

„„SU„, 1392397 A 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 К 11/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Г

%.,:.- "-

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ;:::М А 8TOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

»»»» . »

t1 (21) 4127127/31 — 10 (22) 03.10.86 (46) 30.04.88. Бюл. ¹ 16 (71) Рязанский радиотехнический институт (72) И.Е ° Сырмолотнов (53) 531.53 (088.8) (56) Заявка Франции № 2423762, кл. G 01 К 11/22, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N- 775637, кл. С 01 К 11/24, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 1000789, кл. G 01 К 11/22, 1983. (54) АКУСТОЗЛЕКТРОННЫИ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение м.б. применено в системах контроля и управления технологическими процессами. Цель изобретения — повышение чувствительности измерений температуры. В пьезопластине 2 с помощью встречно-штыревого преобразователя (ВШП) 4 возбуждается волна, которая достигает выходной

ВШП 5. Величина скорости в звукопроводе зависит от значения скоростей в материалах пьезопластин 2 и 3, зазора между ними, соотношения толщин пьезопластин 2 и 3, размеров взаимной области перекрытия пластин и температуры окружающей среды. Изменение скорости акустической волны за счет трансформации акустической волны и перераспределения ее энергии между пьезопластинами 2 и 3 в узком диапазоне составляет несколько процентов, что с превосходит суммарное изменение температуры в YX-срезе кварца пъезопластины 2 во всем диапазоне измерений.

1392397

Изобретение относится к технике и может найти применение в системах контроля и управления технологическими процессами, научном приборостро- 5 енин и т.д.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерений температуры за счет дополнительного изменения скорости акустической волны 10 при возбуждении связанных волн.

На фиг.1 показан датчик, фронтальный разрез; на фиг.2 — чувствительHblH элемент датчика при изменении температуры окружающей среды; на 15 фиг.3 — то же, вид сверху.

Устройство состоит из держателя

1, изготовленного из кварцевого стекла, в котором в изогнутом положении параллельно друг другу закреплены 20 жестко оптически полированная пьезо- . пластина 2, изготовленная из пьезокварца YX-среза, и пьезопластина 3 из кремния (Ш)-среза, обработанная по 14 классу. На пластине 2 размещены входной 4 и выходной 5 встречноштыревые преобразователи (ВШП) акустических волн и поглотители 6 и 7.

На пластине 3 нанесены поглотители

8 и 9 акустических волн из эластич- 30 ного материала, например эпоксидной смолы с наполнителем.

Величина зазора в пределах от

S=(a -с,) ВТ-1 до S ù с =/ /4, где с, с(— температурные коэффициенты расширения пластин; 4Т вЂ” диапазон измеряемых температур; — длина акустической волны в пластине 2; I? — длина пластин, обеспечивается закреплением пластины в пазах держателя 1, расла- 40 ложенных на строго определенном расстоянии, и калиброванной длиной пластин 2 и 3. Держатель с пластинами установлен на основании 10 из инвара с гермовводами 11 и 12 из ковара. 45

Крышка 13 изготовлена из металла с хорошей теплопроводностью. Герметич ный объем заполнен гелием, хорошо проводящим тепло, Период решетки

ВШП (расстояние между одноименными электродами) составляет 100 мкм, толщина пластины 2 равна О, 12 мм, пластины 3-0,15 мм, длина пластиь. — 40 мм, ширина — 20 и 15 мм соответственно.

Зазор между пластинами равен 10 мкм.

Количество электродов ВШП вЂ” 20 пар, апертура - 5 мм.

Устройство работает следующим образом.

В пьезопластине 2 с помощью ВШП 4 возбуждается волна Лэмба (квазирелеевская волна), которая достигает выходной ВШП 5 эа время

1.о (1) о где Ь вЂ” длина эвукопровода (расстояние между ВШП);

V — скорость в звукопроводе при температуре Т

Величина скорости в звукопроводе зависит от значения скорости в материалах пластин 2 и 3, зазора между пластинами, соотношения толщин пластин 2 и 3, размеров взаимной области перекрытия пластин и температуры окружающей среды.

При расположении двух пластин с очень небольшим зазором параллельно одна другой скорость акустической волны в составном звукопроводе изменяется в пределах от 316 км/с до

V „+Vg; — — — — -=3 9км/с (2) мидас 2

Ф в зависимости от величины зазора, изменяющегося от Л /4 до 0.

Практически изменение скорости в диапазоне температур в составном звукопроводе происходит в меньших пределах из-за неравномерности зазора на участке между ВШП. Но даже в самом худшем случае изменение скорости акустической волны за счет трансформации акустической волны и перераспределения ее энергии между пластинами в узком диапазоне составляет несколько процентов, что значительно превосходит суммарное изменение температуры в YX-среде кварца во всем диапазоне измерений: ч дТмакс=40 10 500=2X .

3V м кс 4

При соответствующем выборе толщины и материала пластин наблюдается трансформация квазирелеевской волны в объемную-продольную или поперечную, скорости которых, особенно продоль» ной, в 2 раза превосходит скорость квазирелеевской волны. В этом случае чувствительность датчика температуры значительно выше.

Наибольший эффект наблюдается при использовании составного звукопровода кварц-сапфир, но из-за меньшей разности TKP чем для пары кварц-кремний, трудно обеспечить требуемую ве1392397

Фиг,2

1 личину зазора, при котором происходит максимальное изменение скорости в измеряемом диапазоне температур.

Жесткое закрепление пластин в изогнутом состоянии необходимо для более эффективного изменения зазора, связанного с разностью TKP материалов пластин, чем при их плоской форме. В последнем случае для пластин 10 толщиной (1 мм зазор в диапазоне температур 100 изменяется всего на

10 з мм для пары пластин кварц — кремний. В первом случае зазор изменяется в 100-200 раз больше в зависимости от длины пластин и при меньшем измеЬ нении температуры.

Изменение времени задержки:

gt (3) - о где L — длина звукопровода при некоторой температуре измерения;

Т, V — соответствующая величина скорости в составном звуко- 25 проводе при той же температуре Т.

Относительное изменение. времени задержки может быть преобразовано в частотный выходной сигнал с помощью генератора с задержанной обратной связью или ПАВ-резонатором. Частотная форма сигнала удобна для последующей обработки микропроцессором или для дистанционной передачи по радиока налу.

Формула изобретения

Акустоэлектронный датчик температуры, содержащий пьезопластину с размещенными на поверхности встречноштыревыми преобразователями и поглотителями акустической волны, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен дополнительной пьезопластиной, при этом основная и дополнительная пластины установлены параллельно одна другой с зазором не более половины расстояния между штырями встречно-штыревого преобразователя и в изогнутом состоянии жестко закреплены в держателе из материала с малым коэффициентом теплового расширения, при этом материалы пьезопластин выбраны с различными температурными коэффициентами линейного расширения, а суммарная их толщина не превышает шести расстояний между штырями встречно-штыревого преобразователя.! 392397

g ф 3 Я

Фиг. Ю

Составитель IO.Àíäðèÿíîí

Техред М.Ходанич

Корректор М.Пожо

Редактор Л.Повхан

Заказ 1883/45 Тираж 607 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4