Датчик разности давлений

 

О Il И,С А Н И Е < 922556

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМХ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт.. свид-ву .— (22) Заявлено 01.12.80 (21) 3225505/18-10 с присоединением заявки № — (23) Приоритет— (51) М. Кл.з

G 01 L 13/06

G 01 L -11/00

G 01 L 9/08

Гасударственный кемнтет

СССР

Опубликовано 23.04.82. Бюллетень № 15 (53) УДК 531.787 (088.8 ) и аелам изобретений и еткрмтий

Дата. опубликования описания 28.04.82 (72) Авторы изобретения

И. Е. Сырмолотнов, Л. И. Захарьящев, Ф. 3. и В. И. Кузнецов

Рязанский радиотехнический институт и Ряза вод

«Теплоприбор» / (71) Заявители (54) ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИИ

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 ннх встречно-штыревыми преобразователя- . ми поверхностных акустических волн (1),.

Известен. датчик разности давлений, содержащий две параллельно установленные 15 в корпусе мембраны, обращенные друг к другу поверхности которых связаны через точечные контакты, и встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн (2)., Известный датчик разности давлений, обладая высокой чувствительностью и линейностью характеристики, имеет недостаточную надежность измерений.,обусловленную наличием двух измерительных мембран.

Цель изобретения — повышение надежности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике разности давлений, содержащем две параллельно установленные в корпусе мембраны, обращенные друг к другу поверхности которых связаны через точечные контакты, и встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн, в корпусе закреплена дополнительная мембрана, связанная через точечные контакты со сво бодной поверхностью первой из мембран, а жесткость дополнительной и второй мембраны выбрана по крайней мере на порядок меньше жесткости первой, причем встречноштыревые преобразователи размещены на 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 н 4 — первая мембрана, вид с двух сторон; на фиг. 5 — вариант выполнения устройства.

922556 5

to

25 зю

50

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 шинами 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 йз 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 смещена 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 1 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 2? 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, 4 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 Т и Тг, второй канал состоит из третьей и четвертой линии задержки с временем задержки Т и Т4.

Распределенные давления Р1 и Рг, 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 Р> и Рт 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 Р>. При этом на каждой поверхности возникают радиальные деформации разного знака, например, в центральной области, ограниченной радиусом r (R/It3 растягивающие, а в периферийной области при г> К/5 — сжимающие.

Если давление P P Ð, то мембрана 1 прогибается в сторону меньшего давления (вниз), при этом время задержки первой линии задержки составляет Т1 — AT i, à второй

Т +ЬТ . Третья и четвертая линии задержки испытывают противоположные деформации и время задержки у них изменяется соответственно Тэ+ЬТз и Т4 — ЬТ4.

При дифференциальном включении центральной и периферийной линий задержки первого канала локальные деформации компенсируются, а изгибные приводят к выражению для времени задержки

ЬТ = (Т вЂ” ЬТ1) — (Тл+ЬТз) = (Т вЂ” Ти)— — (ЬТ +ЬТ ).

Для второго канала получаем

ЬТ11 = (Тз — Т4) + (ЬТ + ЬТ4).

922556

Фиг.2

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 Р) >

)Рд разностная частота первого канала растет от некоторого начального значения до величины, пропорциональной изменению времени задержки hT)+ЬТ, а следовательно, )о и разности давлений P) — Рд. Разностная частота второго канала при этом уменьшается от некоторого начального значения до величины, пропорциональной изменению времени задержки l5

ЬТз+ ЬТ ).

По направлению изменения частот первого и второго каналов относительно начальной можно определить, какое из давлений больше (P) или Pg), 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 датчике (прямое преобразование деформации мембраны в частоту выходного сигнала).

Формула изобретения

1. Датчик разности давлений, содержащий 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= шения 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. Ci 01- 1 13/06, 08.07.80 (прототип) .

922556

25 Z0

ФигЯ

21 1 BOZO

Составитель 3. Крысанова.

Редактор Н. Бобкова Техред A. Бойкас Корректор Л. Бокшан

Заказ 2569/55 Тираж 883 Подписное. ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4