Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности. На корпусе 1 в виде полого цилиндра выполнены две диаметрально противоположные параллельные лыски. В центре одной из них выполнено отверстие 7 в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщен с полостью 2 цилиндра. Чувствительный элемент выполнен в виде оболочки 12, герметично закрывающей большое основание конуса отверстия 7. Выполняющий роль заглушки и расположенный на конце полого цилиндра винт 14 выполнен со сквозным отверстием, соединяющим торцовую и цилиндрическую поверхность его резьбовой части. Оболочка датчика может быть выполнена в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания корпуса отверстия. Оболочка может быть выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей соосно цилиндр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки 25. Причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея. 1 с.п. ф-лы, 13 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 (9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780282/10 (22) 09.01.90 (46) 23.05.92. Бюл. ¹ 19 (71) Волжское объединение по производству легковых автомобилей (72) B,С.Шалин и И.M.Ãoðèí (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1402041, кл. G 01 1 9/04, 1984.

Заявка ПНР ¹ 260404, кл. G 01 (9/04, 1988, (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности, На корпусе 1 в виде полого цилиндра выполнены две диаметрально противоположные параллельные лыски, В центре одной из них выполнено

Изобретение относится к измерительной технике, позволяет расширить диапазон применения датчиков давления, повышает точность измерений и может применяться во всех областях народного хозяйства.

Известен датчик давления, в котором к корпусу прикреплена мембрана, изготовленная из полимерного материала, например из лака ВЛ/6. На мембране с двух сторон расположены чувствительные элементы — четыре тензорезистора при этом нити верхних тензорезистора точно смещены с нитями нижних тензорезисторов.

Все четыре тензорезистора соединены в мост так, чтобы в соседних плечах моста,.,!Ж„, 1735728 А1 отверстие 7 в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщен с полостью

2 цилиндра. Чувствительный элемент выполнен в виде оболочки 12, герметично закрывающей большое основание конуса отверстия 7, Выполняющий роль заглушки и расположенный на конце полого цилиндра винт 14 выполнен со сквозным отверстием, соединяющим торцовую и цилиндрическую поверхность его резьбовой части. Оболочка датчика может быть выполнена в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания корпуса отверстия.

Оболочка может быть выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей соосно цилиндр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки 25, Причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея. 1 с.п. ф-лы, 13 ил.

4 находились те, которые находятся с разных (1 сторон мембраны.,Ql

Однако в конструкции этого датчика не предусмотрены элементы, обеспечивающие выпуск воздуха из корпуса датчика при заполнении его жидкостью (или газом) в процессе проведения измерений. Воздух из корпуса датчика может попадать в систему при ее работе, что во многих случаях недопустимо. Например, наличие пузырьков воздуха в точных регулирующих гидравлических устройствах будет вносить погрешности в регулировании и особенно недопустимо попадание воздуха в систему во многих случаях измерений малых давлений в медицине.

Другой недостаток указанного датчика — это расположение тензорезисторов на

1735728 разных сторонах мембраны, Для тензорезисторов, расположенных внутри корпуса, т.е, соприкасающихся с измеряемой средой, требуется надежная гидроизоляция, а для измерения давлений в агрессивных средах выполнение надежной гидроизоляции осложняет изготовление датчика, Кроме того, при прогибе мембраны часть нитей тензорезистора, расположенного с наружной стороны мембраны в местах ее заделки, сжимается, а другая часть, удаленная от места заделки мембраны на расстояние, равное ее толщине, растягивается. Растяжение и сжатие разных частей одной и той же нити снижают чувствительность датчика, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик, где предусмотрена возможность выпуска из корпуса воздуха, а также выпуска измеряемой среды, содержащий корпус, осевой присоединительный конический наконечник, центральный пропускной канал которого сообщается с обьемной камерой корпуса.

В ее верхней части расположен свободный конец жесткого подвижного поршня, имеющего многочисленные обводные лабиринтные уплотняющие каналы, Втулка вставлена в тонкую, калиброванную цилиндрическую стенку с наклеенными на нее снаружи тензометрами с омическим сопротивлением. Упругая втулка вставлена посредством кольцевого изоляционного нижнего элемента в верхнее гнездо корпуса вместе с надетым на нее открытым корпусом, имеющим в верхней наружной части гнездо. Втулка укреплена в корпусе с помощью специальной гайки. В корпусе имеется радиально-осевое сквозное отверстие для отвода газов сгорания с вводом элемента из камеры, расположенным около центральной части подвижного поршня на высоте его каналов.

Одним из недостатков этого датчика является сложность его устройства и изготовления его деталей, Наиболее сложным является изготовление жесткого подвижного поршня, имеющего многочисленные обводные лабиринтные уплотняющие каналы, Кроме того, он не предназначен для измерения малых давлений.

В случае изготовления датчика описан- ной конструкции для использования в измерениях малых давлений (единицы и сотни миллиметров водяного столба) цилиндрическая стенка с тензорезисторами (при изготовлении этой стенки из металла) будет настолько тонкой, что при эксплуатации

55 датчик в результате пластической деформации стенки может выйти из строя.

В случае изготовления тонкой цилиндрической стенки из эластичного материала она при выходе из контакта с упругой втулкой изменит свою форму и тензорезисторы выйдут из строя (из-за превышения допустимой деформации для тензорезисторов), Целью изобретения является расширение диапазона областей применения датчика и повышение точность измерений, Для достижения этой цели на корпусе датчика, имеющего форму полого цилиндра со штуцером на одном конце и с заглушкой в виде винта на другом, выполнены две диаметрально противоположные параллельные лыски, в центре одной из них выполнено отверстие в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщается с полостью цилиндра, а чувствительный элемент выполнен в виде оболочки, герметично закрывающей большое основание корпуса отверстия, причем винт выполнен со сквозным каналом, соединяющим торцовую и цилиндрическую поверхности его резьбовой части.

Оболочка выполнена B виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания конуса отверстия, а радиус тензорезистора, имеющего форму кольца, меньше радиуса большого основания конуса на величинутолщины мембраны.

С целью использования датчика для определения малых перепадов давлений, измеряемых единицами сотнями миллиметров водяного столба, в нем на цилиндре симметрично конусу отверстия по периферии поперечного сечения цилиндра с лысками выполнены канавки, а оболочка выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей соосно цилиндр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки, причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея, С целью удобства монтажа и демонтажа датчика в процессе его эксплуатации на конце цилиндрической части датчика выполнены лыски под гаечный ключ, На фиг.1 изображен продольный разрез общего вида тензометрического датчика давления с эластичной мембраной; на фиг.2 — сечение А — А на фиг,1; на фиг.3 — продольный разрез корпуса датчика; на фиг.4 — вид слева фиг.3; на фиг.5 — вид по стрелке Б на фиг.3; на фиг.6 — сечение  — В на фиг.4; на фиг,7 — винт со сквозным каналом; на фиг.8 — продольный разрез корпуса тензометрического датчика давления с приваренной к нему металлической мембраной и с наклеенным мембранным тензорезистором; на фиг.9 — вид слева фиг.8; на фиг.10 — распо1735728 ложение на мембране мембранного тенэорезистора; на фиг,11 — изображение формы стяжки; на фиг.12 — вид слева фиг.11; на фиг.13 — развертка стяжки по длине.

Тензометрический датчик давления состоит из корпуса 1, содержащего сквозное осевое отверстие 2 с расточкой 3 и с резьбовой частью 4, кольцевую проточку 5 с отфрезерованными лысками 6, измерительную ячейку 7, имеющую форму усеченного конуса, ось которого перпендикулярна сквозному отверстию, лыски 8 под гаечный ключ, резьбовую часть 9 на максимальном диаметре корпуса, присоединительную резьбовую часть 10, отверстие 11 для вывода проводов, мембраны 12,мембранного тензорезистора 13, центр которого совмещают с осью измерительной ячейки, выполненной так, чтобы радиус окружности ее основания, прилегающего к лыске, был больше на толщину мембраны радиуса окружности, описанной вокруг решетки мембранного тензорезистора, винта 14 с глухим осевым отверстием 15 и с радиальным отверстием

16, просверленным через конец глухого отверстия и резьбовую часть 17 винта, уплотнительных колец (прокладок) 18 и 19, защитного кожуха 20 с резьбовой частью 21, монтажной колодки 22 и присоединительных проводов 23.

При изготовлении датчиков малых давлений с использованием эластичной мембраны, например, из резины в корпусе датчика перпендикулярно его оси и симметрично к конусному отверстию выполняют две канавки 24. При монтаже эластичной мембраны на корпусе ее растягивают, приклеивают к корпусу клеем и закрепляют стяжками совмещая их с канавками 24.

Мембранный тензорезистор 13 имеет периферийные части колец, состоящих из токопроводящих нитей, расположенных радиально, и внутренних частей колец, состоящих из нитей, расположенных по дугам окружностей, центр которых является центром тензорезистора, например тензорезисторы типа КФ 5 М.

Эластичную мембрану перед.приклеиванием к корпусу растягивают. Растяжение эластичной мембраны при ее монтаже производится с целью устранения появления неплоскостности ее поверхности над основанием измерительной ячейки при повышении температуры в заданном температурном диапазоне работы датчика. Оболочка, образующая мембрану, выполняется в виде эластичной трубки, которая для удобства склеивания с корпусом может быть разрезана по ее продольной образующей.

Канавки для стяжек с целью упрощения конструкции стяжек выполняются по цилиндрическим и по плоским частям поверхностей. Радиус поперечного сечения канавок

5 выполняется больше радиуса проволоки стяжки на толщину мембраны, Стяжки могут быть выполнены, например, из капролактана или металлической проволоки. Соединяющиеся крючки стяжки

10 должны быть жесткими на изгиб. Жесткость крючков на изгиб можно увеличивать, например, при помощи их термообработки, не подвергая термообработке большую часть стяжек.

15 Длина развертки стяжки определяется выражением

I= P — АР+а, где! — длина развертки стяжки между точками касания при зацеплении крючков;

20 Р— периметр поперечного сечения корпуса с наклеенной оболочкой без учета канавок;

ЛР— уменьшение периметра поперечного сечения корпуса в месте расположения

25 стяжек за счет проточки канавок и сжатия эластичной оболочки.

Величина Л P с учетом различной ширины лыски для выполнения конусной ячейки заключена в следующих пределах:

30 6,2832 (h+ Лд) < Л Р< 8(h+h,д), где 6,2832 — коэффициент при приближении формы поперечного сечения к окружности;

h — глубина канавки;

Лд — уменьшение толщины места мем35 браны под стяжками;

Л д = 0,05 — 0 3 д, в зависимости от твердости эластичного материала мембраны;

8 — коэффициент при приближении фор40 мы поперечного сечения корпуса к прямоугольнику; а — длина проекции на линию стяжки отрезка крючка от его конца до внутренней линии изгиба (см. фиг.13), 45 а = 0,550 — 1б, где d — диаметр проволоки, из которой выполнена стяжка.

При изготовлении датчиков, предназначенных для измерений высоких давлений, 50 измеряемых единицами и сотнями атмосфер, на корпус датчика приваривают металлическую мембрану 26, В процессе повышения давления в измеряемой системе мембрана, прикреплен55 ная, например, к корпусу датчика по окружности основания измерительной ячейки, будет принимать выпуклую форму.

Зона поверхности выпуклой части, удаленная на расстояние толщины мембраны от

1735728

-этой окружности, будет иметь деформацию растяжения, а наружная зона поверхности мембраны, расположенная в непосредственной близости к месту крепления, т.е. окружности основания ячейки, — деформацию 5 сжатия. При сравнительно небольших деформациях мембраны, величины которой ограничиваются пределом упругой деформации решеток тензорезисторов, расстояние от места закрепления мембраны до 10 зоны поверхности растяжения не превышает толщины мембраны и уменьшается с увеличением выпуклости мембраны.

С целью повышения прямолинейности выходного сигнала, точности измерений и 15 чувствительности датчика к изменению избыточного давления в измеряемой системе периферийная часть решетки тензорезистора, имеющая кольцевую форму (см. фиг,10}, не должна попадать в зону знакоперемен- 20 ной деформации мембраны при изменении ее выпуклости. Зависимость между радиусами окружности основания ячейки, прилегающей к мембране, и окружности, описанной вокруг решетки мембранного 25 тензорезистора, описывается выражением г

R — радиус окружности большого осно- 30 вания конуса; д — толщина мембраны.

Перед измерением давления жидкости в системе из датчика удаляют воздух. Для удаления воздуха из датчика его присоеди- 35 няют к системе и придают продольной оси датчика горизонтальное положение, При горизонтальном положении датчика измерительную ячейку 7 с мембранным тензорезистором

13 ориентируют вниз. Откручивают винт 14 40 так, чтобы между уплотнительной прокладкой 18 и торцовой поверхностью расточки 3 был зазор.

При давлением воздуха вместе с жидкостью выходит через осевое 15 и радиальное 45

16 отверстия винта и через зазор между прокладкой и торцовой поверхностью расточки.

После выпуска воздуха утечка жидкости перекрывается путем поджатия винтом 14 50 прокладки 18

При измерениях давления газов в системе, в случае необходимости их отвода через датчик, выпускаемый газ проходит через осевое и радиальное отверстия винта, 55 через зазоры резьбовой части 17 винта и реэьбовой части 4 корпуса датчика и через зазор между прокладкой и торцовой поверхностью расточки. Регулировка скорости истечения отводимого газа производится винтом 14 путем изменения величины зазора между прокладкой и торцовой поверхностью расточки.

Датчик работает следующим образом.

При повышении измеряемого давления относительно окружающей среды мембрана

12 (26) прогибается, образуя выпуклую форму. Радиально расположенные периферийные нити мембранного тензорезистора 13, удаленные от места контакта мембраны с корпусом на расстояние, не меньше толщины мембраны, растягиваются и их омическое сопротивление увеличивается. Нити тензорезистора, расположенные ближе к его центру по дугам окружностей, практически не изменяют своего сопротивления, Мембранный тензорезистор может быть включен в мостовую или полумостовую измерительную схему. С выхода измерительной системы снимается электрический сигнал, пропорциональный возрастанию измеряемого давления.

Датчик, изготовленный с эластичной мембраной и предназначенный для измерений малых давлений, можно использовать как при повышении давления в системе, так и при понижении давления (при создании вакуума), В процессе понижения давления в системе относительно окружающей среды мембрана прогибается внутрь измерительной ячейки, образуя вогнутую форму. При прогибании мембраны внутрь радиально расположенные периферийные нити мембранного тенэорезистора растягиваются, а расположенные по дугам окружностей возле центра тензореэистора в начальный период деформации мембраны сжимаются, Затем в процессе увеличения вогнутости длины дугообразных нитей достигают исходного (первоначального) значения и при дальнейшем прогибе внутрь длины и сопротивление дугообразных нитей, по сравнению с сопротивлением радиально расположенных нитей, в рабочем диапазоне деформации тензорези стара увеличиваются незначительно, что позволяет снимать с измерительной схемы электрический сигнал, пропорциональный уменьшению давления, Возможность удаления воздуха из корпуса датчика, повышение точности измерений, а также унификация корпусных деталей для датчиков малых и больших давлений позволяют расширить диапазон применения датчика.

Предлагаемый датчик может быть использован в автомобилестроении, станкостроении, в двигательных установках, в тяжелом машиностроении и других областях народного хозяйства, 1735728

20

Формула изобретения

1, Датчик давления, содержащий корпус в виде полого цилиндра, на одном конце которого выполнен штуцер, а на другом— заглушка в виде винта и чувствительный элемент с тензорезистором, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, на цилиндре выполнены две диа= метрально противоположные параллельные лыски, в центре одной из них выполнено отверстие в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщен с полостью цилиндра, а чувствительный элемент выполнен в виде оболочки, герметично закрывающей большое основание конуса отверстия, причем винт выполнен со сквозным каналом, соединяющим торцовую и цилиндрическую поверхности его резьбовой части, 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в нем оболочка выполнена в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания конуса отвер5 стия, а тензорезистор выполнен в виде кольца, радиус которого меньше радиуса большого основания конуса на величину толщины мембраны.

3. Датчик по и 1, отличающийся

10 тем, что в нем на цилиндре симметрично конусу отверстия по периферии поперечного сечения цилиндра с лысками выполнены канавки, а оболочка выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей соосно ци15 линдр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки, причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея.

1735728

Фиг. 7

1735728

Фиг.70

4uz Q

45

Составитель В.Шалин

Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Редактор Т,Иванова

Заказ 1810 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101