Датчик разности давлений Советский патент 1982 года по МПК G01L11/00 G01L9/08 G01L13/06 

1

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам разности и перепада давлений жидких и газообразных сред, в частности к датчикам с преобразованием измеряемого параметра в электрический, например, частотный выходной сигнал с помощью тензочувствительного акустоэлектронного элемента, в котором возбуждаются, распространяются и принимаются акустические поверхностные волны.

Известен датчик разности давлений, содержащий мембраны с размещенными на них встречно-штыревыми преобразователями поверхностных акустических волн 1,..

Известен .датчик разности давлений, содержащий две параллельно устанрвленные в корпусе мембраны, обращенные друг к другу поверхности которых связаны через точечные контакты, и встречно-щтыревые преобразователи поверхностных акустических волн 2.

, Известный датчик разности давлений, обладая, высокой чувствительностью и линейностью характеристики, имеет недостаточную надежность измерений. .обус 1овленную наличием двуг изтйерительных мембран.

Цель изобретения - повыщение надежности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике разности давлений, содержащем две параллельно установленные в корпусе 5 мембраны, обращенные друг к другу поверхности которых связаны через точечные кон, такты, и встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн, в корпусе закреплена дополнительная мембрана, Q связанная через точечные контакты со свободной поверхностью первой з мембран, а жесткость дополнительной-и второй мембраны выбрана по крайней мере на порядок меньще жесткости первой, причем встречноштыревые преобразователи размещены на 15 двух сторонах первой мембраны.

Кроме того, дополнительная и вторая мембраны выполнены с равномерно распределенными по их поверхностям углублениями, имеющими точечные контакты с первой мембраной.

На фиг. 1 изображено устройство, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 и 4 - первая мембрана, вид с двух сторон; на фиг. 5 - вариант выполнения устройства. 3 Устройство содержит первую пьезоэлектрическую мембрану 1, установленную в корпусе, выполненном в виде массивных колец 2 и 3. На обеих поверхностях первой мембраны 1 образованы топологические структуры (см. фиг. 3 и 4), каждая из которых содержит по четыре тонкопленочных встречно-штыревых преобразователя поверхностных акустических волн 4-7, соединенных с сигнальными контактными площадками 8-11 и общими щинами 12-15. Контактные площадки и шины вынесены на диаметрально противоположные края мембраны. На каждой из поверхностей мембраны первая пара преобразователей размещена симметрично в центре мембраны и состоит из входного 4 и выходного 5 встречно-штыревых преобразователей, а вторая, образованная входным 6 и выходным 7 встречно-штыревыми преобразователями, развернута под углом 90° относительно первой и смешена от центра вдоль радиуса к контуру защемления. Расположенные на обеих сторонах мембраны 1 аналогичные элементы топологической схемы смещены относительно друг друга: встречно-штыревые преобразователи - на угол 90°, а контактные площадки с шинами - на угол 45°. Таким образом, сигнальные контактные площадки расположены равномерно по периметру мембраны через 45°. Соответствующие электрические выводы 16-19 расположены рядом с сигнальными контактными площадками и соединены с ними гальванически. Общие шины 12-15 имеют электрический контакт с металлическими кольцами 2 и 3 корпуса. Для защиты поверхностей первой мембраны I от демпфирования внешней средой к кольцам 2 и 3 соответственно приварены вторая 20 и дополнительная 21 тонкие металлические мембраны, жесткость которых примерно в 10 раз меньше жесткости первой мембраны. Вторая и дополнительная мембраны имеют с соответствующими поверхностями первой мембраны точечные контакты. Для герметизации рабочего объема, образованного мембранами 20 и 21 и кольцами 2 и 3 использованы упругие диэлектрические прокладки 22 и 23, между которыми располагаются проволочные выводы 16-19, изолированные от корпуса. Гибкие мембраны 20 и 21 могут быть выполнены с равномерно распределенными сферическими углублениями, обращенными наружу, диаметром, равным 0,2 радиуса мембраны. Углубления заполняются калиброванными жесткими диэлектрическими шариками 24, контактирующими с поверхностями мембраны 1. Кроме того, в мембранах 20 и 21 могут быть выполнены методом выдавливания ,углубления правильной формы в виде конуса 25, вершины которых касаются поверхностей первой мембраны в точках. не совпадающих с преобразователями и соединительными проводниками. Устройство работает следующим образом. Преобразователи 4-7, расположенные на одной поверхности, первой мембраны образуют первый канал датчика, а аналогичные преобразователи, размещенные на второй ее поверхности, - второй канал. Каждый канал состоит из двух линий задержки, образованных соответственно центральными 4-5 и периферийными 6-7 встречноштыревыми преобразователями. Через выводы 16 и 18,на линии задержки каждого канала подается электрический сигнал, который снимается с выводов 17 и 19 через соответствующее время задержки. Первый канал состоит из первой и второй линии задержки с временем задержки Ti и Т2, второй канал состоит из третьей и четвертой линии задержки с временем задержки Тз и Т. Распределенные давления Pi и Р, действующие на вторую и дополнительную мембраны, равномерно передаются на соответствующие поверхности первой мембраны, так как жесткость ее значительно больше, чем жесткости второй и дополнительной мембран. Размеры первой мембраны 1 выбраны такими, что даже при небольшой разности давлений PI и Р2 преобладают изгибные деформации, а локальные деформации сжатия, вызванные воздействием вершин углубления мембран 20 и 21 одинаковы по величине и знаку и будучи намного меньше, чем изгибные, практически полностью компенсируются. Изгибные деформации по характеру аналогичны деформациям защемленной плоской мембраны, непосредственно нагруженной с двух сторон распределенными давлениями Р| и РЗ. При этом на каждой поверхности возникают радиальные деформации разного знака, например, в центральной области, ограниченной радиусом г R/V3растягивающие, а в периферийной области при - сжимающие. Если давление , то мембрана Г прогибается в сторону меньшего давления (вниз), при этом время задержки первой линии задержки составляет TI-ATj.a второй Та + ДТг. Третья и четвертая линии задержки испытывают противоположные деформации и время задержки у них изменяется соответственно Тз + АТз и ТА-ДТл. При дифференциальном включении центральной и периферийной линий задержки первого канала локальные деформации компенсируются, а изгибные приводят к выражению для времени задержки ATt (Т1-ДТ,)-(Т2-ЬАТ2) (Т.-Тг) - (ДТ1 + ДТ2). Для второго канала получаем ДТп (Тз-Тл) + (ДТз+ ДТ). Изменение времени задержки в первом и втором канале может быть непосредственно измерено или преобразовано в девиацию частоты с помощью генераторов поверхностных акустических волн, частотозадающими элементами, в которых являются линии задержки первого и второго каналов. При увеличении разности давлений Pi Р2 разностная частота первого канала растет от некоторого начального значения до величины, пропорциональной изменению времени задержки ATi+ATz, а следовательно, и разности давлений PI-Рг- Разностная частота второго канала при этом уменьшается от некоторого начального значения до величины, пропорциональной изменению времени задержки ДТз + АТ4. По направлению изменения частот первого и второго каналов относительно начальной можно определить, какое из давлений больше (Pi или ), а девиация частоты определяет величину перепада давлений. Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенной чувствительностью, достигнутой за счет рационального расположения преобразователей на участках мембраны с одинаковой по знаку деформацией и использования дифференциальной схемы соединения преобразователей. Устройство имеет высокую надежность, обусловленную наличием одной измерительной мембраны, а также отсутствие подвижных частей в дат/4-Л/

Фиг.2 чике (прямое преобразование деформации мембраны в частоту выходного сигнала). Формула изобретения 1.Датчик разности давлений, содержаший две .параллельно установленные в корпусе мембраны, обращенные друг к другу поверхности которых связаны через точечные контакты, и встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн, отличающийся тем, что, с целью повы-щения надежности измерений, в корпусе закреплена дополнительная мембрана, связанная через точечные контакты со свободной поверхностью первой из мембран, а жесткость дополнительной и второй мембраны выбрана по крайней мере на порядок меньше жесткости первой, причем встречно-штыревые преобразователи размещены на двух сторонах первой мембраны. 2.Датчик по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная и вторая мембраны выполнены с равномерно распределенными по их поверхностям углублениями, имеющими точечные контакты с первой мембраной. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Речицкий В. И. Акустоэлектронные радиокомпоненты, М., «Советское радио, 1980, с. 217, рис. 6.30. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке №2952101/18-10, кл. О 01- L 13/06, 08.07.80 (прототип).

Фиг.З

Фиг. 5