Датчик плотности

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению, в частности к датчикам плотности. Датчик плотности содержит корпус, установленную в нем с образованием герметичной камеры измерительную мембрану, ориентированную вертикально, и тензопреобразователь, причем камера заполнена жидкостью. При этом тензопреобразователь взаимодействует с мембраной с возможностью регистрации угла (силы) поворота ее центральной части вокруг горизонтальной оси посредством штока, присоединенного к мембране в ее центральной части и расположенного перпендикулярно ее плоскости. Причем конец штока может быть соединен гибкой связью, ориентированной перпендикулярно оси штока в направлении верх-низ, с тензопреобразователем или с корпусом. Предпочтительно мембрана по краям выполнена гофрированной и вытянутой в вертикальном направлении формы с отношением длин большей и меньшей сторон 1,5-3. Герметичная камера заполнена вакуумированной кремнийорганической жидкостью. Технический результат - упрощение конструкции датчика и повышение точности измерения плотности материала. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению и может быть использовано в конструкции широкого класса микроэлектронных приборов, оснащенных чувствительным элементом мембранного типа, в частности датчиков плотности.

Известен мембранный плотномер, представляющий собой эластичные резиновые колпаки, герметично надетые на металлические коробки, полости которых сообщаются импульсными трубками с ртутным дифманометром (И.П.Глыбин. Автоматические плотномеры. Техника, Киев, 1965, с.93-94).

Недостатком известного плотномера с воздушным заполнением системы является то, что эти приборы надежны в работе лишь при специальном методе заполнения системы воздухом, определенных условиях деформации мембранных колпаков и рациональной форме.

Известен чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией, мембрану, включающую слой нитрида кремния и карбида кремния, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования мембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, выполненный на базе торцевого волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, который установлен с возможностью регистрации прогиба мембраны (Патент РФ № 2247443, МПК Н01L 29/84, 2003).

Недостатком известного устройства является сложность конструкции.

Известен мембранный узел датчика плотности, содержащий корпус, упругую плоскую или гофрированную мембрану, неподвижно закрепленную внутри корпуса, и регулировочное устройство, отличающийся тем, что регулировочное устройство состоит из натяжного гофра мембраны, упругого распорного кольца, сухаря конической формы, микрометрического винта и отсчетного устройства (Патент РФ № 2280242, МПК H01L 7/08, 2006).

Недостатком известного устройства является невозможность измерения плотности материала, что сужает область его применения.

Прототипом данного изобретения является датчик разности давлений, содержащий корпус, присоединенные к нему с образованием заполненных вакуумированной кремнийорганической жидкостью двух герметичных и двух открытых камер, одну измерительную и две разделительные мембраны (Датчики разности давлений Метран-44-ДД. Номенклатурный каталог. Выпуск 2.01. Группа предприятий Метран. Стр.43, 46).

Недостатком прототипа является то, что помехи от избыточного давления, усилия от температурного расширения и измеряемое усилие, т.е. вес столба жидкости, действуют в одном направлении. Поэтому чтобы выделить сравнительно слабый сигнал о плотности нужно очень точно подбирать мембраны по жесткости, регулировать объемы. Очень большое значение играет количество жидкости в полости, так как ее сжимаемость влияет на показания датчиков. Конструкция прототипа довольно громоздкая, так как она содержит минимум три мембраны, множество уплотнений металл по металлу (резиновые уплотнения не допускаются, так как они сжимаются при больших давлениях и меняют объем полостей). К тому же через резиновые возможны утечки, что искажает показания (плавает ноль).

Задачей создания изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения плотности материала.

Этот технический результат достигается за счет того, что в датчике плотности, содержащем корпус, установленную в нем с образованием герметичной камеры измерительную мембрану, ориентированную вертикально, и тензопреобразователь, причем камера заполнена жидкостью, дополнительно тензопреобразователь взаимодействует с мембраной с возможностью регистрации угла (силы) поворота ее центральной части вокруг горизонтальной оси. Как вариант к мембране в ее центральной части присоединен расположенный перпендикулярно плоскости мембраны шток, посредством которого тензопреобразователь взаимодействует с мембраной. Конец штока может быть соединен с тензопреобразователем гибкой связью, ориентированной перпендикулярно оси штока в направлении верх-низ. Конец штока также может быть соединен с корпусом гибкой связью, ориентированной перпендикулярно оси штока в направлении верх-низ. Предпочтительно мембрана по краям выполнена гофрированной и выполнена вытянутой в вертикальном направлении формы с отношением длин большей и меньшей сторон 1,5-3. Герметичная камера предпочтительно заполнена вакуумированной кремнийорганической жидкостью, например ПМС-300.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан датчик плотности с круглой мембраной и со штоком, соединенным с тензопреобразователем, продольное сечение;

на фиг.2 - то же, вид спереди;

на фиг.3 - датчик плотности с вытянутой мембраной и со штоком, соединенным с корпусом, продольное сечение;

на фиг.4 - то же, вид спереди.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - корпус, 2 - герметичная камера, 3 - мембрана, 4 - тензопреобразователь, 5 - шток, 6 - гибкая связь.

Датчик плотности содержит корпус 1, в котором с образованием герметичной камеры 2 установлена ориентированная вертикально измерительная мембрана 3. С мембраной 3 с возможностью регистрации угла (силы) поворота ее центральной части вокруг горизонтальной оси взаимодействует установленный в корпусе 1 тензопреобразователь 4. Для этого в центральной части мембраны 3 к ней присоединен взаимодействующий с тензопреобразователем 4 расположенный перпендикулярно плоскости мембраны 3 шток 5. Конец штока 5 может быть соединен с тензопреобразователем 4 гибкой связью 6, ориентированной перпендикулярно оси штока 5 в направлении верх-низ. Конец штока 5 также может быть соединен гибкой связью 6, ориентированной перпендикулярно оси штока 5 в направлении верх-низ с корпусом 1. Предпочтительно мембрана 3 по краям выполнена гофрированной и вытянутой в вертикальном направлении формы с отношением длин большей «а» и меньшей «b» сторон 1,5-3. Герметичная камера 2 заполнена жидкостью с высоким коэффициентом сжатия, предпочтительно вакуумированной кремнийорганической жидкостью, например ПМС-300. В предпочтительном варианте ее количество минимально, что определяется из конструктивных соображений минимизацией объема герметичной камеры 2. Снаружи мембраны 3 может быть закреплена резиновая мембрана (не показана).

Датчик плотности работает следующим образом. Мембрана 3 воспринимает действующее на нее внешнее давление среды. Поскольку в этом давлении присутствует составляющая от веса столба внешней среды, вызванная ее плотностью, его величина изменяется по высоте: оно больше в нижней части мембраны и меньше в верхней. Суммарное давление столба внешней среды и других внешних источников, в том числе от температурного расширения жидкости, симметрично относительно оси мембраны и уравновешивается противодавлением несжимаемой вакуумированной кремнийорганической жидкости, количество которой к тому же минимально. Под воздействием же изменяющегося по высоте давления мембрана 3 принимает изогнутую форму: вогнутую в ее нижней части и выпуклую - в верхней. В качестве измеряемого фактора используется угол поворота центральной части мембраны 3 относительно горизонтальной оси симметрии при ее изгибе, измеренный тензопреобразователем 4.

Для получения информации о плотности внешней среды по углу поворота центральной части мембраны 3 относительно горизонтальной оси симметрии при ее изгибе отдельно от измерений поверяют датчик плотности по поверочным жидкостям.

Путем вычисления интегральных величин давления столба жидкости на вертикально расположенную мембрану 3 можно определить, что величина момента относительно горизонтальной оси симметрии для круглой мембраны 3 (фиг.1, 2)

,

где ρ - плотность среды, R - радиус мембраны 3, т.е. резко растет с увеличением размеров мембраны 3.

Также величина момента относительно горизонтальной оси симметрии для вытянутой в вертикальном направлении мембраны 3 (фиг.3, 4)

,

где l - половина расстояния разноски центров (фиг.3).

Из приведенных зависимостей следует: выполнение мембраны 3 вытянутой в вертикальном направлении формы позволяет воспринять больший крутящий момент, обусловленный давлением жидкости за счет увеличения перепада высот и, соответственно, вызванного этим перепадом давления. При l=R она в 4,03 раза больше момента на круглой мембране 3. При значениях меньше 1,5 эффект от вытянутости формы мембраны незначителен, при больших 3-х - существенно возрастает деформация гофр. Соединение штока 5 с тензопреобразователем 4 посредством гибкой связи 6 позволяет разгрузить систему от действия внешнего давления. В то же время шток 5 служит опорой, на которую передается крутящий момент, воспринимаемый мембраной 3, и, соответственно, напряжения на тензопреобразователь. Поперечная сила передается на заделку мембраны 3 вблизи ее средней части, так как это минимальный и самый жесткий (вдоль гофров) путь передачи усилия, не оказывая существенного влияния на свободу поворота мембраны 3. Число уплотнений в предлагаемом устройстве минимально. В случае применения сварки их всего два - гермоввод и заправочный винт. В варианте выполнения устройства без сварки - к этим двум добавляется еще уплотнение задней крышки.

Обоснованы параметры и разработана рабочая документация для изготовления опытного образца.

Таким образом, применение изобретения позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения плотности материала.

1. Датчик плотности, содержащий корпус, установленную в нем с образованием герметичной камеры измерительную мембрану, ориентированную вертикально, и тензопреобразователь, причем камера заполнена жидкостью, отличающийся тем, что тензопреобразователь взаимодействует с мембраной с возможностью регистрации угла (силы) поворота ее центральной части вокруг горизонтальной оси.

2. Датчик плотности по п.1, отличающийся тем, что к мембране в ее центральной части присоединен расположенный перпендикулярно плоскости мембраны шток, посредством которого тензопреобразователь взаимодействует с мембраной.

3. Датчик плотности по п.2, отличающийся тем, что конец штока соединен с тензопреобразователем гибкой связью, ориентированной перпендикулярно оси штока в направлении верх-низ.

4. Датчик плотности по п.2, отличающийся тем, что конец штока соединен с корпусом гибкой связью, ориентированной перпендикулярно оси штока в направлении верх-низ.

5. Датчик плотности по п.1, отличающийся тем, что мембрана по краям выполнена гофрированной.

6. Датчик плотности по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена вытянутой в вертикальном направлении формы с отношением длин большей и меньшей сторон 1,5-3.

7. Датчик плотности по п.1, отличающийся тем, что герметичная камера заполнена вакууммированной кремнийорганической жидкостью.