Датчик давлений Советский патент 1982 года по МПК G01L11/04 G01L7/06 

1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения давлений жидких и газообразных сред с преобразователями поверхностных акустических волн.

Известен датчик давления, содержащий установленные в корпусе мембраны и встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн 1.

Недостатком этого устройства является низкая чувствительность, обусловленная тем, что при воздействии давления участок поверхности мембраны между преобразователями испытывает как растягивающее, так и сжимающее напряжения, которые частично взаимно компенсируются. Поскольку встречно-щтыревые преобразователи расположены на одной стороне мембраны, то в устройстве возникает квадратичная нелинейность, которая может существенно снизить класс точности прибора.

Наиболее близким к изобретению является датчик давления, содержащий установленные в корпусе мембраны, рабочие поверхности которых снабжены встречно-щты-. ревыми преобразователями поверхностных акустических волн 2.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности измерения перепадов давления с высокой точностью, а также низкая чувствительность, обусловленная необходимостью повышенной жесткости мембран при измерении разности давлений. Кроме того, рабочая поверхность мембраны, на которой расположены преобразователи, не может находиться в прямом контакте со средой, так как в этом случае

,Q происходит демпфирование акустической волны. Одностороннее подведение давления также уменьшает функциональные возможности устройства.

Цель изобретения - расширение функ15 циональных возможностей за счет повышения чувствительности измерения разности давлений.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давлений мембраны установлены 2Q в параллельных плоскостях рабочими поверхностями друг к другу, а между ними размещены жесткие элементы, имеющие точечные контакты с этими поверхностями, а также тем, что оси преобразователей взаимно ортогональны. На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик, вид спереди, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - конструкция нижней мембраны; на фиг. 4 - конструкция верхней мембраны. Устройство содержит корпус 1, в котором защемлены по контуру параллельно друг другу верхняя 2 и нижняя 3 мембраны с помощью верхнего 4 и нижнего 5 колец. Между рабочими поверхностями мембран установлен щарик 6 на тонких нитях 7 и 8, которые закреплены в радиальных отверстиях корпуса. В центральной части рабочей поверхности нижней мембраны 3 расположены входной 9 и выходной 10 встречно-штыревые преобразователи, ориентированные определенным образом относительно кристаллографических осей материала мембраны, например, вдоль оси X пьезокварца. Сигнальные электроды входного преобразователя 9 соединены с контактной площадкой 11, а выходного - с аналогичной по конструкции контактной площадкой 12,которые расположены на диаметрально противоположных участках мембраны по контуру защемления. Общие электроды преобразователей соединены с зе.мляной шиной 13,выполненной в виде двух полуколец, гальванически соединенных с корпусом. Сигнальные контактные площадки 11, 12 нижней мембраны электрически соединены соответственно со штырями 14 и 15, изолированными от корпуса 1 с помощью диэлектрических втулок 16 и 17. В центральной части рабочей поверхности верхней мембраны 2 расположены аналогичные по конструкции входной 18 и выходной 19 преобразователи, развернутые под углом 90° относительно преобразователей 9 и 10, ориентированные относительно кристаллографических осей материала мембраны также, как и преобразователи нижней мембраны. Сигнальные электроды преобразователей 18 и 19 также соединены со своими контактными площадками 20 и 21 соответственно, а общие электроды с земляной шиной 22, выполненной в виде двух полуколец, имеющих гальванический контакт с корпусом. Сигнальные контактные площадки 20 и 21 верхней мембраны электрически соединены соответственно со щтырями 23 и 24, установленными в корпусе с помощью диэлектрических втулок 25 и 27. Сигнальные контактные площадки всех преобразователей изолированы от корпуса с по.мощью радиальных проточек, в которые помещены диэлектрические прокладки 27-30, обеспечивающих, кроме того, разделение образованной ме.мбранами полости и внешней среды. Устройство работает следующим образом. В начальный период времени, когда на тыльную сторону верхней 2 и нижней 3 мембран действуют одинаковые давления, первая поверхностная акустическая волна (ПАВ), которая возбуждается входным преобразователем 9 и принимается выходным преобразователем 10 в поверхностном слое нижней мембраны, проходит такое же расстояние, что и вторая ПАВ, которая возбуждается и принимается преобразователями 18 и 19 в поверхностном слое верхней мембраны. При возникновении некоторого перепада давлений ЛР такого, что давление, приложенное к нижней мембране превышает давление, приложенное к верхней мембране, наблюдается деформация растяжения рабочей поверхности нижней мембраны и перемещение центра на некоторое расстояние относительно начального положения (хода мембраны). Поскольку рабочая поверхность нижней мембраны связана через жесткий шарик 6 с рабочей поверхностью верхней мембраны, то последняя испытывает такое же смещение центра на расстояние относительно начального положения. Смещение центра вызывает деформацию сжатия рабочей поверхности верхней мембраны. Растяжение рабочей поверхности нижней мембраны вызывает увеличение времени задержки первой ПАВ, а сжатие рабочей поверхности верхней мембраны приводит к уменьшению времени задержки второй ПАВ. Разница вре.мени задержки пропорциональна величине перепада давления и может быть измерена непосредственно или преобразована в фазовый или частотный выходной сигнал. Поскольку распределенное давление, приложенное к одной из мембран, компенсируется противоположным по направлению давлением, приложенным к другой мембране, через поверхности жестких элементов, расположенных между мембранами, то можно выбирать размеры мембран с точки зрения обеспечения максимальной чувствительности, а не из соображений механической прочности для предельного давления. Кроме того, противоположные по знаку деформации позволяют компенсировать квадратичную нелинейность зависимости частоты от измеряемого давления. Жесткие элементы, имеющие модуль Юнга больще, чем мембрана, не приводят к заметному увеличению затухания, хотя и контактируют с рабочими поверхностями мембран. Для уменьщения сигнала электромагнитной наводки, отрицательно влияющей на линейность и чувствительность, преобразователи первой мембраны развернуты под углом 90° относительно преобразователей второй мембраны. Для улучшения температурной стабильности, а,следовательно, и чувствительности, преобразователи одинаково ориентированы относительно кристаллографических осей мембран, выполненных из одного материала, например, вдоль оси X пьезокварца. Преобразователи защищаются тонкой пленкой диэлектрического вещества, на