Сенсор, система и метод для измерения свойств текучей среды с использованием многомодового квази - сдвигового - горизонтального резонатора

Сенсор, система и метод для измерения свойств текучей среды с использованием многомодового квази - сдвигового - горизонтального резонатора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится в основном к сенсорам, а точнее к сенсорам вязкости, модуля упругости и плотности текучих сред.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Измерение свойств текучей среды имеет большое значение для многих промышленных и потребительских механизмов и процессов. Измерение свойств текучих сред, поскольку оно применяется во многих сферах, является предметом особого внимания для смазочного оборудования и оборудования для передачи энергии (мощности), основанного на нефтепродуктах и связанных с ними синтетических соединениях. Потеря функциональности этих текучих сред приводит к преждевременному старению связанного с ними оборудования, а иногда к внезапному и полному отказу.

[0003] В настоящее время определение параметров таких текучих сред, в основном, выполняется при помощи лабораторных анализов образцов таких текучих сред. Существует постоянно растущее желание установить сенсоры для осуществления беспрерывного мониторинга непосредственно в оборудование.

[0004] В патентах US 5,708,191, 5,886,250, 6,082,180 и 6,082,181, Гринвуда (Greenwood) и др. представлена группа конструкций сенсора денситометра, в которых используются входной и выходной преобразователи для измерения изменений силы отраженного сигнала акустических волн, так как они отражают почти критический угол падения. Эти вискозиметры измеряют либо вязкость-плотность продукта, либо упругость - плотность продукта, основываясь на отражении акустических волн от нагруженной жидкостью поверхности твердого материала, обеспечивающего преобразователем. Сенсоры измеряют коэффициенты отражения волны от твердых - жидких границ на нескольких отражениях импульсного или непрерывного волнового сигнала. Такие методы дают более низкую чувствительность и разрешающую способность для измеряемой величины, чем это делают резонансные, мультирефлективные устройства или устройства, генерирующие поверхностные акустические волны. Последние обладают более высокой чувствительностью из-за непрерывного взаимодействия их акустических волн с границей контакта твердой - жидкой сред. Дискретно-отражательные методы не обладают простотой производства или функционирования поверхности взаимодействия непрерывных акустических волн, равно как и не обеспечивают аналогичную чувствительность или разрешающую способность. Дискретно-отражательные методы предполагают фиксированные модули упругости (для более общей версии волны сжатия), или вязкости (для менее общей версии сдвиговой волны/ волны сдвига) с целью извлечения информации о плотности по измеренному отклику сенсора.

[0005] Измерение плотности-вязкости продукта производится путем погружения резонатора, изготовленного на пьезоэлектрической подложке и поддерживающего поперечный сдвиговый тип колебаний резонанса, обычно представляющего собой диск кварцевого кристалла с распилом AT (AT - после обработки) или лангасита, имеющего приблизительно Y - распил, в жидкость и измеряющего сдвиг на резонансной частоте или потерю мощности при резонансе. Дополнительно, известно применение двухпортовых устройств, основанных на многополюсных резонаторах, в которых используются акустическая волна сдвигового типа (поперечная волна), таких как SH-SAW (Сдвиговая Горизонтально-Поверхностная Акустическая Волна), SHAPM (Сдвиговая Горизонтальная Плоская Акустическая Волна), MPS (Монолитный Пьезоэлектрический Сенсор), например, как это описано в патенте 6,033,852, США, выданном 7-го марта 2000 г. Эндлу и др.

[0006] Патент 5,741,961, США и Патент 5,798,452, США, выданные Мартину и др., раскрывают метод, в котором два сенсора акустической волны, с разной обработкой поверхности демонстрируют по существу идентичную реакцию на составляющую вязкость-плотность продукта, но различающиеся отклики на плотность. Первый сенсор предоставляет данные о вязкости и плотности продукта, и в нем применяется гладкая поверхность. Второй сенсор имеет намеренно шероховатую поверхность, обычно с бороздками или ямками на своей поверхности для захватывания определенного объема текучей среды. Присоединенная масса создает ограниченный частотный сдвиг с небольшой потерей или без потери мощности в дополнение к потере мощности и сдвигу частоты вязкостью увлекаемой жидкости. Составляющая плотности-вязкости становится доступной через общий - модовый сдвиг частоты. Несмотря на то, что этот метод представляется привлекательным, он влечет за собой трудности в воспроизводимости сенсор - к - сенсору, особенно когда два сенсора изготовлены на разной подложке.

[0007] Добавление таких бороздок к одной из пары сенсоров сдвиговой горизонтальной поверхностной акустической волны (SH-SAW, известной также как волна Лава, поверхностная поперечная волна и т.п.), также раскрывается здесь (Herrmann и др., США, патент 6,543,274), и рассматривается распространение такого подхода на сенсоры SHAPM. Этот метод обеспечивает более высокую частоту, меньший размер и повышенную чувствительность за счет сложности производства и доступного динамического диапазона. Однако Геррманн все же находит необходимым использование двух полностью раздельных, но идентичных (иное чем рифление) сенсорных элементов для измерения обоих параметров, и, следовательно, это не преодолевает ограничений сенсор - к - сенсору в устройстве Мартина. Это также влечет за собой менее точное измерение вязкости из-за более высокой рабочей частоты, которая усиливает утончение сдвига и максвелловских вязкоупругих эмиссий, известных в области реологии.

[0008] В патенте 7,007,546, США, выданном 7-го марта 2006 г. под заголовком «Измерение, компенсация и контроль эквивалентного градиента скорости сдвига в сенсорах акустической волны» (который включен здесь в виде ссылок в его совместном владении), изобретатель настоящей заявки раскрывает метод для измерения вязкости и скорости сдвига, при котором замер осуществляется путем использования акустического волнового сенсора и вычисления градиента скорости сдвига в виде функции параметров скорости движения текучей среды в ответ на заданную мощность, переданную текучей среде и вязкости текучей среды. Акустическое волновое устройство обладает характерным взаимоотношением между входной мощностью, мощностью на выходе и амплитудой акустической волны в выбранной зоне между входным и выходным преобразователем. Акустическое волновое устройство соединено с измеряемой текучей средой. Заранее заданный уровень мощности P_in гармонического сигнала подают на входной преобразователь, чтобы передать акустическую волну в выбранной зоне. Уровень мощности на выходе P_out измеряется на выходном преобразователе. Используя характерные взаимоотношения, а также уровни входящей и выходящей мощности, вычисляется амплитуда средней акустической волны, переданной текучей среде. Измерение вязкости текучей среды для получения измеренной вязкости в выбранной зоне позволяет вычислить скорость сдвига текучей среды в выбранной зоне с помощью частоты, измерения вязкости и амплитуды акустической волны. Это изобретение может быть выгодно использовано в настоящем изобретении, как это поясняется ниже.

[0009] В заявке на патент №10/597,487, США, зарегистрированной 14-го февраля 2007 г. и опубликованной как заявка США - 2007-0144240-А1, заявитель описывает двухпортовый, двухполюсный связанный резонатор с текстурированным захватывающим слоем в контакте с текучей средой, подлежащей измерению, такой как жидкость или газ, который позволяет проводить измерение вязкости и плотности текучей среды. Однако изготовление текстурированного захватывающего слоя усложняет такое устройство. Несмотря на это, структуры и методы, раскрываемые в заявке 10/597,487, могут быть применены на практике в соединении с настоящим изобретением. Следует заметить, что включение текстурированной поверхности не является обязательным для воплощения особенностей настоящего изобретения.

[0010] Следовательно, имеется явное преимущество для сенсоров и методов проведения измерений, которое позволяет проводить измерение такого количества параметров текучей среды, какое только возможно, включенное в единичное устройство. Хотя такие устройства и рассматривались, они имели различные недостатки, такие как сложность в изготовлении, непредсказуемость, низкая точность и тому подобное. Цель настоящего изобретения создать сенсор, способный установить два или три параметра - вязкость, плотность и модуль упругости, когда третий параметр известен или допускается. Дальнейшая цель настоящего изобретения - создание системы и метода, которые осуществляют такие измерения с использованием сенсоров.

Краткое изложение сущности изобретения

[0011] Настоящее изобретение основывается преимущественно на взаимодействии устройства горизонтальной акустической сдвиговой волны («квази-сдвиговая - горизонтальная») с текучей средой, как это известно в определенной области техники для измерения вязкости. Точнее, это изобретение основывается на едва различимом различии во взаимодействии двух или более акустических резонансных состояний или волноводных видов колебаний (волноводных мод) многомодового резонатора или волновода. Наибольшим преимуществом воплощения данного изобретения является геометрия фильтра связанного резонатора двух видов колебания с одним резонансным видом колебаний, имеющим высокий уровень симметрии, и с другим, имеющим высокий уровень антисимметрии. Путем комбинирования дополнительной информации, полученной от многомодового функционирования, с возможностями, свойственными устройству горизонтально-квазиполяризованной - сдвиговой - горизонтальной акустической волны (AWD) для работы в текучей среде, мы получаем многомодовый квази-сдвиговый - горизонтальный (MMQSH/МРКСГ) резонатор.

[0012] Настоящее изобретение добивается обеспечения информацией о двух из трех переменных, о плотности (ρ), вязкости ((η) и модуле упругости (с), так, чтобы независимое знание об одной из переменных позволяло произвести измерение двух остающихся переменных при помощи единичного сенсора.

[0013] Таким образом, обеспечивается метод измерения, по крайней мере, двух свойств текучей среды, выбранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из вышеупомянутых свойств текучей среды известно или допущено, и этот метод включает в себя шаги:

обеспечение Много Модового Квази Сдвигового Горизонтального Резонатора (MMQSHR), имеющего вход энергии и измерительную поверхность для контакта с вышеупомянутой текучей средой, при этом вышеупомянутая измерительная поверхность имеет, по крайней мере, первую зону и вторую зону, а также разделительную область, определенную между ними;

возбуждение вышеупомянутого MMQSHR энергией возбуждения через вышеупомянутый вход на первой и второй частотах, выбранных для возбуждения первого и второго акустических видов колебаний (акустических мод) соответственно, при этом каждый из упомянутых акустических мод взывает компонент горизонтального сдвигового волнового движения на вышеупомянутой поверхности,

причем возбуждение на вышеупомянутой первой частоте далее заставляет указанные зоны двигаться в фазе относительно друг друга;

и возбуждение на вышеупомянутой второй частоте приводит к движению вышеупомянутых зон не в фазе относительно друг друга, индуцируя вертикальное смещение в вышеупомянутой разделительной области измерение параметров, относящихся к энергии, при вышеупомянутой первой и второй моде;

вычисление двух из вышеупомянутых свойств текучей среды, с использованием вышеупомянутых параметров, относящихся к энергии, и информации, относящейся к вышеупомянутому третьему свойству текучей среды.

[0014] Зоны могут быть физически не отмечены в конструкции устройства, но предпочтительно могут быть определены акустическим энергетическим профилем устройства на каждой моде.

[0015] Параметры, относящиеся к энергии, могут быть выбраны, например, из вносимой потери, сдвига частоты, смещения фазы, амплитуды, изменения тока, эквивалентного последовательного сопротивления, любой комбинации вышеозначенного и тому подобного. В предпочтительном варианте воплощения изобретения MMQSHR включает в себя пьезоэлектрический кристалл, и ввод включает в себя входной преобразователь.

Наиболее предпочтительный вариант воплощения изобретения далее включает в себя выходной преобразователь, а также заземляющий электрод, к которому обращены входной и выходной преобразователи. Тем не менее, нон - пьезоэлектрические материалы и другие методы передачи энергии к MMQSHR также предусматриваются. Следует отметить, что для MMQSHR можно использовать любую подходящую конструкцию, такую как приведенный в качестве примера резонатор объемных акустических волн, планарный резонатор и резонатор на сдвиговой горизонтальной поверхностной акустической волне.

[0016] В определенных вариантах воплощения изобретения поверхность измерения может быть рифленой и метод далее включает в себя шаг вычисления плотности вышеупомянутой текучей среды, реагирующей на изменения в параметрах, относящихся к энергии, из-за удержания текучей среды в вышеупомянутых рифлениях.

[0017] Далее предусматривается система для измерения по крайней мере двух свойств текучей среды, выбранных из плотности, вязкости и модуля упругости, когда третье из вышеупомянутых свойств текучей среды известно или допущено, эта система включает в себя:

Много Модовый Квази Сдвиговый Горизонтальный Резонатор (MMQSHR), имеющий измерительную поверхность для контакта с вышеупомянутой текучей средой;

порт для входа энергии и порт для выхода энергии;

по крайней мере первую зону и вторую зону, а также разделительную область, определенную между ними;

схему возбуждения, соединенную, по крайней мере, с вышеупомянутым входом энергии и сконструированную с возможностью передачи двух акустических видов колебаний (двух акустических мод) резонансного движения к вышеупомянутой поверхности;

измерительную схему, сконструированную с возможностью измерения по крайней мере одного параметра энергии, введенной в MMQSHR резонатор или выведенной из него;

причем вышеупомянутые две акустические моды выбраны так, чтобы вызвать компонент горизонтального движения с отношениями разной полярности в разных зонах поверхности вышеупомянутой поверхности.

[0018] Далее система может быть оснащена оптическим и/или механическим монитором для мониторинга смещения разделительной области. Система далее может включать в себя калькулятор или компьютерные схемы для вычисления вышеупомянутых свойств текучей среды, используя информацию, полученную от вышеупомянутой измерительной схемы.

[0019] В предпочтительном варианте воплощения изобретения MMQSH включает в себя пьезоэлектрический монолитный кристаллический фильтр, но также возможны и другие конструкции, такие как пьезоэлектрический поперечно связанный резонаторный фильтр, а также электромагнитные акустические преобразователи.

[0020] В настоящем изобретении далее рассматривается обеспечение энергией возбуждения в комбинации с различающимися уровнями мощности, по крайней мере на двух частотах, с тем, чтобы вызвать вышеупомянутую поверхность к передаче сдвигов различной скорости текучей среде на каждой из вышеупомянутых частот, обеспечивая проведение измерений при варьируемой интенсивности сдвига.

[0021] В еще одной вспомогательной особенности изобретения предусматривается резонатор, содержащий зону присоединенной массы, определяемую как зона захваченной энергии, при этом вышеупомянутая зона захваченной энергии поддерживает множество сбоку удерживаемых (локализованных) мод, при этом вышеупомянутые моды взаимодействуют, по крайней мере, с одним преобразователем, указанный преобразователь обеспечивает электрический импеданс, относящийся к потере энергии в вышеупомянутом резонаторе захваченной энергии.

Краткое описание фигур

[0022] Краткое содержание, представленное выше, и следующее за ним подробное описание будут более понятными, принимая во внимание прилагаемые фигуры, которые описывают детали предпочтительного воплощения изобретения. Однако следует заметить, что изобретение не ограничивается точной компоновкой, показанной на фигурах, а также и то, что эти фигуры представлены просто в качестве примеров.

[0023] Фиг.1 изображает основное воплощение конструкции сенсора, изображая выбранные векторы движения при идеальных условиях.

[0024] Фиг.2 изображает в упрощенном виде распространение волн в боковой (поперечной) неограниченной плоскости.

[0025] Фиг.3 изображает в упрощенном виде распространение волн в заданной ширине.

[0026] Фиг.4 изображает в упрощенном виде распространение волны на нескольких модах возбуждения, отображая симметричную и антисимметричную конфигурацию волны.

[0027] Фиг.5 изображает вид сверху предпочтительного воплощения изобретения.

[0028] Фиг.6 изображает вид сбоку конструкции предпочтительного воплощения, изображенного на фигуре 5.

[0029] Фиг.7 изображает различие во вносимой потере между модами, при нагрузке и без нагрузки жидкостью в соответствии с предпочтительным воплощением.

[0030] Фиг.7b иллюстрирует дополнительное изменение в частоте, которое происходит из-за жидкости, захваченной дополнительными неровностями.

[0031] Фиг.8 изображает эквивалентную схему для двухпортового резонатора MMQSH.

[0032] Фиг.9 представляет собой упрощенную технологическую схему измерения вязкости и модуля упругости текучей среды с использованием сенсора MMQSH.

[0033] Фиг.10 представляет собой упрощенную технологическую схему измерения плотности и вязкости текучей среды с использованием сенсора MMQSH.

[0034] Фиг.11 представляет собой упрощенную технологическую схему измерения плотности и модуля упругости текучей среды с использованием сенсора MMQSH.

[0035] Фиг.12 представляет собой упрощенную блок-схему системы, использующей MMQSH для проведения измерений параметров текучей среды.

[0036] Фиг.13 изображает упрощенное схематическое изображение системы, использующей нон - пьезоэлектрический резонатор.

Подробное описание

[0037] В терминах неспециалистов в данной области техники предпочтительное воплощение предоставляет пьезоэлектрическую пластину, имеющую поверхность, которая содержит зону, в пределах которой локализована энергия акустической волны. Различные многократные резонансные виды колебаний (резонансные моды) акустического резонатора имеют вибрационное движение с взаимоотношениями различающейся полярности движения на различных местоположениях на вышеупомянутой поверхности. Все резонансные моды наилучшим образом извлекаются из ангармоник боковой захваченной энергии одной гармоники толщины одного типа акустической волны. Вообще, существует три типа объемной акустической волны и, по крайней мере, один тип поверхностной волны в устройствах любой заданной конфигурации. Одна из объемных волн является волной квази-сжатия, а две другие - квази-сдвиговыми волнами. В наиболее предпочтительном случае используется квази-сдвиговая волна с самой высокой из возможных, электромеханической связью в пьезоэлектрике и самой высокой из возможных степенью горизонтальной поляризации. Тем не менее, возможно применять изобретение на практике, используя фундаментальные ангармоники двух типов: квази-сдвиговой волны при, по крайней мере, двух модах резонанса.

[0038] В наиболее предпочтительном воплощении имеются, по крайней мере, две смежные зоны, в которых индуцируется тангенциальное (в плоскости) движение по отношению к поверхности. На первой резонансной частоте тангенсальное движение в двух зонах находится в фазе (0°) и вертикальное движение индуцируется в основном по внешним краям, т.е. в участках, удаленных от зон. На второй резонансной частоте тангенсальное движение в зонах находится не в фазе (180°), и участок между зонами испытывает вертикальное движение существенно более высокой амплитуды, чем при первой резонансной частоте. Как поясняется ниже, использование комбинации этих типов движения позволяет проводить измерения любых двух из трех измеренных характеристик текучей среды, - т.е. вязкости, модуля упругости и плотности, когда третья характеристика известна или допускается. Специалисты в данной области признают, что возбуждение резонатора на частоте, иной нежели собственные резонансные частоты различных поддерживаемых мод, приведет к распределению энергии с различными фазовыми соотношениями, что будет генерировать наложение акустических резонансов на близлежащих частотах, имеющих вариации распространения неплоского движения. Тогда как такое возбуждение на кратных частотах приведет к разной степени неплоского движения, преимущества возбуждения на собственных резонансных частотах или частотах, близких к ним, будут очевидны специалистам в данной области.

[0039] В данных детализациях термины вертикальное движение и вертикальное смещение относятся к неплоскому движению или смещению, т.е. движению, которое перпендикулярно к активной плоскости/поверхности пластины.

[0040] Фиг.1 представляет схематическое сечение упрощенного сенсора, содержащего пьезоэлектрическую пластину 1, образующую связанный резонатор в результате сдвигового горизонтального движения в зонах 2 и 3, относительно плоскости диска. Индуцирование такого движения хорошо известно из уровня техники и, например, может быть обеспечено преобразователем 5 и 6 соответственно. Фиг.1 далее изображает движение пластины в заданный момент времени, где зоны 2 и 3 движутся в фазе друг относительно друга, как показано горизонтальными стрелками 9 и 10. Следует заметить, что, тогда как разделяющее внутри - зональное пространство 4 между двумя зонами испытывает небольшое вертикальное движение, если таковое имеет место быть, края зон показывают вертикальное движение, изображенное стрелками 7 и 8, как результат «изгибного» движения поверхности пластины. Однако, когда зоны 2 и 3 пластины движутся в противофазах, как показано стрелками 9' и 10', разделяющее пространство 4 будет испытывать значительное вертикальное движение, в то время как края зоны будут испытывать вертикальное движение в противоположном направлении. Как это очевидно, эти два вида вибраций могут быть возбуждены единичным преобразователем подходящей конструкции, и фигуру не следует толковать как ограничивающую возможности.

[0041] Возбуждение почти чисто горизонтальной сдвиговой волны является наиболее предпочтительным воплощением изобретения; тем не менее, известны многочисленные подложки для «наклонной» сдвиговой волны с желательными свойствами. В качестве примера, не вносящего ограничений, кварц с разрезом SC предоставляет отличную вибрацию и нечувствительность к ускорению при наклонных квази-сдвиговых - горизонтальных видах колебаний. Следует отметить, что разрез SC обычно используется для одновременного возбуждения двух типов волны с различающимися неплоскими компонентами в применениях контроля частоты. Напоминаем читателю, что эти детализации концентрируются на чисто горизонтальной поляризации просто для целей иллюстрации и лучшего понимания изобретения, и что изобретение охватывает использование таких подложек, которые признаны специалистами в данной области техники, как производящие аналогичные функциональные возможности.

[0042] Изобретение использует известное различие между неограниченной плоской волной и волной захваченной энергии, имеющей ограниченную ширину луча. Упрощенный пример, изображенный схематически на фиг.2, показывает простую пластину толщиной t, вдоль оси Y со смещением волны U_X=A_Xsin(nπY/t). Пластина поддерживает резонансы при любом кратном n нечетном интеграле; однако на практике придерживаются n=1, как показано. Четные величины n требуют зависимости cos(nπY/t), но не связаны с толщиной области возбуждения без использования составных резонаторов, как раскрывается в заявке заявителя, по которой принято решение о выдаче патента 11/814,074, США. Таким образом, исследование бесконечной пластины материала толщиной t, вдоль оси Y, центрированной при Y=0, и содержащей пьезоэлектрический материал, так что электрическое поле вдоль оси Y, E_Y приводит к напряжению сдвига XY в объеме кристалла. Возникает резонансное условие, которое удовлетворяет условиям свободной от усилий границы, имея акустические смещения U_X(Y)=A_Xsin(nπY/t). Волна не имеет границ на оси Х или Z и имеет чистое сдвиговое смешение с тангенциальной (горизонтальной) поляризацией по отношению к планарной поверхности. Волна имеет волновой вектор, К_у=nπ/t. Условие сдвиговой волны, при котором скалярное произведение смещения и волнового вектора U•K будет равно нулю, удовлетворено. Устройство поддерживает группу гармоник nth кратной частоты каждого из трех типов объемной волны, которые электрически соединены с Y - направленным электрическим полем. Для более понятного объяснения принято, что это электрическое поле соединяется только с единичной квази-сдвиговой - горизонтальной объемной волной и что существует одиночная последовательность гармоник.

[0043] Такой идеальный резонатор не имел бы никаких взаимодействий с идеальной, невязкой текучей средой, так как не существовало бы никакого соединения между чистой сдвиговой модой подложки и волнами сжатия, которые могли бы существовать в идеальной (невязкой) текучей среде. Допуская Ньютоновскую вязкость, η, и плотность, р, в текучей среде, происходила бы передача энергии сдвиговой волны в текучую среду, где явление вязкости превращало бы энергию от когерентных акустических вибраций в тепло. Однако в случае идеального резонатора не происходило бы излучение волн сжатия.

[0044] Идеальный резонатор, ограниченный только в одном измерении, является непрактичным, а реально существующие резонаторы имеют конечные боковые измерения. Введя конечное измерение, w, вдоль оси Z, вводится боковое изменение в U_x(Y,Z), которое может быть упрощенно оценено, как, либо U_X(Y,Z)=A_Xsin(nπY/t)cos(mπZ/w), либо A_Xsin(nπY/t)sin(mπZ/w), где формула, использующая cos(), связана с нечетными величинами т, а формула, в которой используется sin(), с четными величинами m.

[0045] Фиг.3 показывает простую пластину толщиной t вдоль оси Y с захваченной энергией на ширину w вдоль Z и смещение волны U_X=A_Xsin(nπY/t)cos(mπZ/w). Пластина поддерживает резонансы для любого целого кратного n или m; однако, как показано, на практике придерживаются n=1. На практике захватывание не является идеальным, и поля вытекают за пределы ширины электрода w. В таких реально существующих резонаторах величина m слегка ниже каждого целого числа М-δ. Для ясности понимания электроды показаны как не имеющие длину в измерении X.

[0046] Волновой вектор усиливает компонент Z, K_z=mπ/w; однако условие сдвиговой волны, U•K=0 все еще удовлетворяется с чисто Х поляризованной волной (горизонтальный простой сдвиг). Простое сдвиговое решение имеет тангенциальную поляризацию во всех точках планарной границы.

[0047] Фиг.4 показывает простую пластину толщиной t вдоль Y и с конечной длиной 1, вдоль X. Профили 40 мод показаны со смещением волны для n=1 и j=1, так как U_X=A_Xsin(πY/t)cos(πX/l), и для n=1 и j=2, так как U_X=A_Xsin(πY/t)sin(2πX/l). На практике существует конечное протяжение волны за пределами электродов и j=j-δ. Показаны также соответствующие компоненты амплитуды, U_Y(X,Y)=(t/l)A_Xsin(πX/l)sin(πY/t) для j=1 и U_Y(X,Y)=(2t/l)A_Xcos(2πХ/l)sin(πY/t) для j=2.

[0048] При вводе конечного измерения в X вводится еще одно боковое (поперечное) изменение в U_x, которое может быть упрощенно оценено как U_X(X,Y,Z)=A_Xcos(jπX/l)sin(nπY/t)cos(mπZ/w) для длины, 1. Волновой вектор усиливает составляющую X, К_х=jπ/l. В этом случае условие сдвиговой волны U•К=0 больше не удовлетворяется, пока не появится дополнительная акустическая амплитуда, U_Y(X,Y,Z)=jt/nlA_Xsin(jπX/l)sin(nπY/t)cos(mπZ/w). Конечная протяженность вдоль направления вибрации приводит к сдвиговой вертикальной компоненте и решение простого сдвига больше не является тангенциально поляризованным на поверхности устройства. Это приводит к локальному вертикальному движению границы раздела между текучей средой и связанным излучением энергии, что приводит к излучению волн сжатия в текучую среду. В устройствах, применяемых на практике, этот эффект минимизируется путем отбора простой сдвиговой горизонтальной подложки, уменьшением числа мод, j, и применения электродов с малой толщиной по отношению к длине. Как таковая общепринятая доктрина предполагает использование большой электродной области, чтобы минимизировать излучение волны сжатия, ограниченное требуемым частотным разделением дополнительных ангармонических мод.

[0049] Следует заметить, что идеальный модовый профиль, ассоциирующийся с j=2, имеет ноль интегрированную амплитуду по длине электрода и будет иметь очень слабое соединение с традиционной QCM (Микробаланс Кристалла Кварца) конструкцией электрода. Следующая мода, j=3, имеет не нулевое соединение с твердым электродом и может быть использована для применения изобретения на практике в конструкции QCM, имеющей единичный преобразователь, как было предложено выше.

[0050] В воплощении изобретения, основанного на применении монолитного кристаллического фильтра (MCF), по крайней мере, одна поверхность имеет электрод, расщепленный на входной и выходной электроды, соотнесенный с заземляющим противоэлектродом. В таком устройстве с двумя преобразователями резонансы, связанные c j=1 и j=2, соединяются и образуют мультимодовую полосно-пропускающую характеристику фильтра. Конструкции связанных резонаторов, таких как этот, предлагаются в предпочтительном воплощении изобретения, так как они, в свою очередь, предлагают раздельный входной и выходной порт, через которые может быть определена функция передачи электричества, что упрощает приборное обеспечение конструкции такого устройства.

[0051] Таким образом, резюмируем следующее, небольшое движение, перпендикулярное плоскости, происходит во всех резонаторах конечного размера, как помечено на фиг.1 стрелками 7 и 8, которое может быть вычислено, как пропорциональное движению в плоскости 9 и 10, помноженному на константу k, где k пропорционально отношению толщины к длине (t/l) активной зоны пластины, а также пропорционально отношению числа колебаний, j/n. Из пояснения, приведенного выше, можно сделать вывод, что каждая мода индуцирует неплоское движение в выбранных зонах пластины, и что амплитуда неплоского движения будет пропорциональна j в любом исходном воплощении. Возрастающее неплоское движение, которое пропорционально числу колебаний j, увеличивает потерю энергии пропорционально j²

[0052] В воплощении, основанном на QCM, по крайней мере, две резонансных частоты, соответствующих одинаковым величинам n и m, но различающихся нечетными величинами j, используются для возбуждения QCM кристалла. Потери мощности, возникающие, первично по причине вязкости, будут почти идентичными, по крайней мере, для этих двух резонансных частот; однако потери мощности, связанные с вертикальными составляющими движения, будут различаться в пропорции к квадратам величин j. При анализах электрического кпд отдается предпочтение n=l, m=1 и величинам 1 и 3 для j, соответственно для двух резонансных частотных мод; однако существуют преимущества для использования дополнительных нечетных величин j, с тем, чтобы получить избыточные данные для минимизации ошибки в измерениях. Электрическое соединение мод более высокого порядка j, обычно уменьшены на 1/j, ограничивая число мод до практической величины.

[0053] В этих детализациях термин «мода/вид колебания» относится к образцу сохраненной акустической энергии, полученной от работы кристалла при, или почти при резонансной частоте. В практическом применении метка «антисимметричный» применяется только к четным величинам j и результатам, полученным от j=2, в большей части предпочтительных вариантов воплощения этого изобретения. В свете идей настоящего изобретения специалисты в данной области техники признают, что две моды, симметричные по центру устройства или нет, имеющих разные величины j, позволят использовать на практике это раскрытое изобретение, и более того, что более чем две моды могут быть задействованы, чтобы получить избыточные данные. В контексте выбора мод «симметричный» относится к моде, имеющей движение в плоскости (плоское движение) в одинаковом направлении в зонах к любой стороне упомянутой плоскости, а «антисимметричный» будет относиться к моде, имеющей движение в плоскости (плоское движение) в противоположных направлениях в вышеупомянутых зонах.

[0054] Предпочтительное воплощение изобретения, основанного на MCF, имеет расщепленный электрод и предлагает передачу энергии между входным электродом 10 и выходным электродом 11 относительно заземляющего электрода 13. В предпочтительном воплощении входной и выходной электроды объединяют две зоны, вместе содержащие большую часть захваченной энергии акустической волны. Далее, зоны, связанные с двумя электродами, имеют, по существу, равное боковое (поперечное) движение, по существу, параллельное оси, соединяющей зоны через промежуток между ними для одной выбранной моды, и имеют по существу равное, но противоположное боковое (поперечное) движение, параллельное вышеназванной оси для второй моды. Этот вид движения известен как колебание сдвига по толщине соединенного резонанса. В альтернативной конструкции задействованы так называемые крутильные колебания толщины, в которых ось бокового движения параллельна промежутку между электродами. Есть возможность выравнивать электроды и кристалл таким образом, что будут существовать условия, промежуточные этим двум условиям. Порядок, в которой ось движения перпендикулярна промежутку, определяет тот порядок, который позволяется демонстрировать эффект настоящего изобретения.

[0055] Еще одно предпочтительное воплощение многомодовой структуры использует поперечно-соединенный резонаторный фильтр, известный как TCRF, в основном реализуемый со сдвиговой горизонтальной поверхностно-направленной акустической волной. TCRF является полным аналогом MCF, однако волны могут быть захвачены к поверхности преобразователя, как это хорошо известно в отношении устройств поверхностной акустической волны (SAW) и иметь периодическое изменение в направлении Z, соотносящееся с периодом встречно-штыревого преобразователя (IDT), задействованного для генерирования волны. Сведущие специалисты оценят тот факт, что четные и нечетные моды квази-сдвиговой горизонтальной TCRF волноводной структуры аналогичны колебаниям с j=1 и j=2 MCF.

[0056] Фигуры 5 и 6 отображают простое воплощение изобретения. Фиг 5 представляет собой вид сверху, показывающий пьезоэлектрический диск 12, имеющий электроды 10 и 11, расположенные над ним. Предпочтительно заземляющий электрод 13 расположен на противоположной стороне пластины; однако в некоторых воплощениях он встроен в электрод или, в случае бокового возбуждения поля, не существует вообще. Фиг.6 представляет вид сбоку. Когда энергия Е подается к диску через электрод 10 и/или 11 на собственной резонансной частоте, F₁, для которой боковые движения под электродом 10 и электродом 11 находятся в фазе (0°), составляющая амплитуды волны, лежащей вне плоскости, или вертикальное движение, отображается кривой S. Когда энергия подается к электроду 10 и/или 11 на собственной резонансной частоте F₂, для которой боковые движения под электродом 10 и электродом 11 находятся не в фазе (180°, как обозначено стрелками 16 и 17), вертикальное движение обозначено кривой А. Вследствие этого очевидно, что вертикальное движение кромок зоны 14 и 14а существует как в симметрических, так и в антисимметрических модах, в то время как вертикальное движение 15 над межзоновым пространством 4 намного больше и возбуждается только на модах, для которых j>1. Число таких зон и их точное местоположение зависит от j и только для четных величин j есть такая зона вертикального движения, расположенная у центра устройства. Специалисты в данной области техники признают, что возбуждение входного электрода 10 на частоте, иной чем точная собственная резонансная частота, возможно, но существенное отклонение частоты приведет к другим фазовым соотношения