СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ ДАТЧИКОМ С ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ И ДАТЧИК ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред.

Изобретение может быть использовано в измерительно-вычислительных комплексах для магистральных и внутренних трубопроводов, систем подачи топлива, в паровых и газовых турбинах, городских инженерных сетях, бытовой технике, медицинских системах, в космическом и авиационном оборудовании.

Известен способ измерения разности давлений датчиками с частотно-модулированным выходным сигналом. Кремниевые резонаторы обладают одинаковыми формой, размерами и идентичными механическими характеристиками, эпитаксиально выращены на рабочих поверхностях мембран.

Известен патент США №4841775 [1], содержащий датчик разности давлений, выполненный в виде единого кремниевого кристалла, включающего диод и транзистор, резонансные измерительные преобразователи.

Известен способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом (патент ЕРО 456029 А1) [2], по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, в которых формируется частотно-модулированный выходной сигнал.

Известен также датчик давления с частотно-модулированным выходным сигналом по указанному патенту [2], содержащий корпус, кремниевую мембрану с эпитаксиально выращенными на ней в едином технологическом процессе резонаторами и вакуумирующими их капсулами для обеспечения достаточно высокого уровня добротности механической колебательной системы, систему возбуждения колебаний с постоянным магнитом, систему формирования выходного сигнала.

Этот датчик обладает достаточно высокими метрологическими характеристиками, поскольку мембрана, резонаторы и капсула являются фрагментами одного монокристалла и изготовлены методом эпитаксиального наращивания и селективного травления. Решение по данному патенту выбрано в качестве ближайшего аналога.

Однако сложность процесса изготовления пары «резонатор-капсула» и размещения в корпусе магнита и магнитопровода системы возбуждения резонатора делает конструкцию ближайшего аналога нетехнологичной.

Предлагаемые способ и конструкция датчика давления не требуют применения системы возбуждения с постоянным магнитом, как у прототипа, что существенно упрощает конструкцию и делает ее намного технологичней, при сохранении высоких метрологических характеристик и добротности резонатора.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемых способе и датчике разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом в полом корпусе содержится чувствительный элемент - две кремниевые монокристаллические мембраны с эпитаксиально выращенными на них вторичными измерительными преобразователями - резонаторами, разделенными вакуумированной полостью, обеспечивающим требуемый уровень добротности колебательной системы без дополнительного капсулирования, и напыленный на диэлектрический кронштейн проводник, магнитное поле тока, в котором взаимодействует с магнитным полем тока в балке возбуждения резонатора, генерирующий в нем механические колебания.

Таким образом, сущность изобретения можно сформулировать так.

Способ измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, в которых формируется частотно-модулированный выходной сигнал, отличающийся тем, что вводят дополнительно мембрану, токонесущий напыленный проводник, для возбуждения собственных колебаний резонаторов используют силу Ампера, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля тока, текущего по проводнику, а также по резонаторам, при этом проводник и резонаторы размещают внутри вакуумированной полости между мембранами.

Датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, реализующий способ по п. 1, содержащий систему возбуждения собственных колебаний резонаторов и систему формирования частотно-модулированного выходного сигнала, отличающийся тем, что корпус выполнен полым и образован двумя идентичными мембранами с эпитаксиально выращенными на них резонаторами с возможностью вакуумирования, в системе возбуждения собственных колебаний резонаторов внутри вакуумированной полости расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы.

Изобретение представлено на чертежах: фиг. 1 - общий вид датчика, фиг. 2 - то же с линией разреза по А-А фиг. 1 (увеличенный масштаб), фиг. 3 - функциональна схема датчика. На фигурах цифрами обозначено: 1 - корпус датчика, 2 - идентичные кремниевые мембраны с резонаторами 3, 4, проводник 5, система возбуждения резонаторов 6, система съема и обработки сигнала 7.

Сущность изобретения: датчик разности давления включает корпус 1, чувствительный элемент - две идентичные кремниевые мембраны 2, вторичные измерительные преобразователи - резонаторы 3, 4, проводник 5, систему возбуждения резонаторов 6, систему съема и обработки сигнала 7.

Датчик работает следующим образом. Под действием сил давления происходит деформация мембран 2, приводящая к растяжению резонаторов 3, 4 и изменению резонансных частот, пропорционально измеряемым давлениям.

Разность давлений определяется сравнением резонансных частот резонаторов каждой мембраны 2, при этом собственные колебания резонаторов 3, 4 возбуждаются силой Ампера, возникающей при взаимодействии магнитных полей токов в напыленном проводнике и балке резонатора.

Датчик может выполняться как в защищенном, так и в незащищенном вариантах, а также применяться в режиме измерения абсолютного давления.

Источники информации

1. Патент США №4841775, G01L 9/00, G01L 011/00, заявл. 19.01.1988, опубл. 27.06.1989.

2. Европейский патент EPO 456029 A1, G01L 11/00, заявка №91106472.3, заявл. 23.04.1991, опубл. 13.11.1991.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред. Способ измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом характеризуется тем, что используют две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, возбуждают собственные колебания резонаторов и формируют частотно-модулированный выходной сигнал. Способ также характеризуется тем, что для возбуждения собственных колебаний используют силу Ампера, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля тока, текущего по проводнику с током, текущим по резонаторам, при этом проводник и резонаторы размещают внутри вакуумированной полости между мембранами. Датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом содержит полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов и систему формирования выходного сигнала. Внутри вакуумированной полости расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение технологичности изготовления датчика. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, по которому используют мембрану с эпитаксиально выращенными на ней резонаторами, в которых формируется частотно-модулированный выходной сигнал, отличающийся тем, что вводят дополнительно мембрану, токонесущий напыленный проводник, для возбуждения собственных колебаний резонаторов используют силу Ампера, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля тока, текущего по проводнику, а также по резонаторам, при этом проводник и резонаторы размещают внутри вакуумированной полости между мембранами.

2. Датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом, реализующий способ по п. 1, содержащий систему возбуждения собственных колебаний резонаторов и систему формирования частотно-модулированного выходного сигнала, отличающийся тем, что корпус выполнен полым и образован двумя идентичными мембранами с эпитаксиально выращенными на них резонаторами с возможностью вакуумирования, в системе возбуждения собственных колебаний резонаторов внутри вакуумированной полости расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы.