Тензорезисторный датчик давления

 

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике давления и может быть использовано в датчиках для измерения низких давлений при работе в условиях воздействия нестационарных температур. Сущность: датчик давления, включающий корпус с установленными в нем воспринимающей давление гибкой мембраной и отделенным от нее теплоизоляционной перегородкой упругим чувствительным элементом с тензорезисторами, выполненным в виде балки, жестко защемленной с двух сторон и нагруженной растягивающе-сжимающей силой, приложенной внецентренно по отношению к поперечному сечению балки, передаваемой через шток от воспринимающей давление мембраны через жесткий центр балки. Расчетная толщина и ширина балки упругого элемента и его жесткий центр определяются из условия требуемой чувствительности тензорезисторного датчика к измеряемому давлению за счет соответствующей механической обработки цельного бруска конструкционного материала. Перемещение жесткого центра воспринимающей давление гибкой мембраны на жесткий центр упругого элемента осуществляется за счет штока, ось симметрии которого параллельна продольной оси балки упругого элемента. Технический результат - повышение чувствительности работоспособного в нестационарных температурных режимах датчика давления. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике давления и может быть использовано в датчиках для измерения низких давлений при работе в условиях воздействия нестационарных температур.

Известен датчик давления, включающий воспринимающую давление гибкую мембрану, жесткий центр которой через шток соединен с жестким центром упругого элемента, выполненного из листового проката толщиной от 0,05 мм и более и представляющего собой жестко защемленную с двух сторон балку с закрепленными на ней тензорезисторами (авт. св. СССР № 1221512, кл. G 01 L 9/04, 1986). Расчетная схема упругого элемента с соответствующей эпюрой деформаций представлена на фиг.1.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного датчика давления, относится то, что тепловые потоки при нестационарных тепловых режимах работы датчика распространяются от корпуса через массивную заделку на балку и от воспринимающей давление гибкой мембраны через шток на жесткий центр балки, то в силу симметрии установки тензорезисторов на балке они попарно R1, R4, а также R2, R3 будут находиться в одинаковых тепловых полях и полях температурных деформаций, но отличных между этими парами. А так как эти пары тензорезисторов включены в противолежащие плечи мостовой схемы, то температурное влияние и влияние температурных деформаций на тензорезисторы мостовой схемой будут увеличены в 4 раза и температурные погрешности датчика при работе в нестационарных тепловых режимах достигают недопустимо больших значений.

Экспериментальное исследование подобных конструкций при термоударе в 200°С (рабочая среда - жидкий азот) показали, что только аддитивная температурная погрешность при этом достигает 100% и более во всем температурном диапазоне и свидетельствуют о непригодности эксплуатации подобных конструкций датчиков при работе в нестационарных тепловых режимах.

Наиболее близким датчиком того же назначения к заявленному датчику давления по совокупности признаков является принятый за прототип датчик давления (авт. св. СССР № 1422031, кл. G 01 L 9/04), предназначенный для измерения давлений при работе в условиях действия нестационарных температур.

Расчетная схема упругого элемента с соответствующей эпюрой деформации представлена на фиг.2.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного датчика давления, принятого за прототип, относится то, что расположение передающего усилие штока эксцентрично относительно воспринимающей давление гибкой мембраны и использование в качестве рабочего передаваемого усилия усилия, развиваемого при прогибе воспринимающей гибкой мембраной за счет отклонения штока от оси, приводит к значительным потерям чувствительности датчика.

Это объясняется тем, что, во-первых, жесткость воспринимающей гибкой мембраны должна быть такова, чтобы усилие, необходимое для создания требуемого изгибающего момента на упругой балке, не изменяло стрелу (форму) прогиба самой гибкой мембраны.

Это требование достигается только при значительных толщинах самой гибкой мембраны, и влечет за собой увеличение жесткости гибкой мембраны и, следовательно, резко понижает чувствительность датчика. Во-вторых, в качестве рабочего усилия используется незначительная часть энергии, развиваемой измеряемым давлением, так как основная составляющая ее до 80% и более расходуется на прогиб жесткой мембраны и не участвует в процессе измерения, что также снижает чувствительность датчика. Поэтому данная конструкция может быть использована в датчиках средних и высоких давлений (от 10⁶ Па и выше). При использовании этого способа приложения усилия на жесткий центр балки воздействует изгибающий момент и тензорезисторы, установленные на ней, получают разного вида деформации:

R₁ и R₃ - растяжение;

R₂ и R₄ - сжатие.

Тогда, при соединении в мостовую цепь тензорезисторов попарно в противолежащие плечи с одинаковым знаком деформаций, на выходе измерительной цепи появляется выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. А так как тензорезисторы R₁ и R₄, а также R₂ и R₃ находятся в одинаковых температурных условиях, то их температурные изменения будут мостовой схемой компенсироваться (вычитанием). В этом случае при идеально идентичных физических характеристиках тензорезисторов влияние термоудара на выходной сигнал датчика будет исключено полностью. Однако наличие технологических разбросов при изготовлении и установке тензорезисторов (номинал, температурный коэффициент сопротивления, коэффициенты тензочувствительности и его температурный коэффициент чувствительности) не позволяют полностью исключить данные погрешности.

Экспериментальные исследования датчика по а.с. №1422031 при термоударе в 200°С показали, что аддитивная погрешность во всем температурном диапазоне не превышает 6%-8%, что позволяет его использовать при работе в нестационарных температурных режимах эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности работоспособного в нестационарных температурных режимах датчика давления за счет изменения способа передачи перемещения воспринимающей давление гибкой мембраны на его чувствительный упругий элемент, конструкция которого имеет специальное исполнение.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном тензорезисторном датчике давления, включающем воспринимающую давление гибкую мембрану и корпус с установленными в нем теплоизоляционной перегородкой, а также упругим элементом с тензорезисторами, выполненным в виде балки, защемленной с двух сторон и нагруженной силой, передаваемой через шток, от воспринимающей давление мембраны, особенность датчика давления заключается в том, что жесткий центр балки нагружается растягивающе-сжимающей силой, приложенной внецентренно по отношению к поперечному сечению балки, для чего балка выполнена из цельного конструкционного материала путем формирования двух отверстий, оси которых параллельны и смещены к одной стороне бруска, образующих с ней жестко защемленную с двух сторон балку с расчетной толщиной и жестким центром, выполненным в виде перемычки между отверстиями, причем перемычка с противоположной стороны от балки отделена от несущего жесткого основания, образованного отверстиями и второй стороной бруска, а расчетная ширина балки выполнена за счет симметричного двустороннего фрезерования сторон бруска, образующих балку, на глубину не менее одной третьей радиуса отверстий, формирующих балку, при этом жесткий центр упругой балки имеет резьбовое отверстие, максимально удаленное от оси балки, в которое ввернут соединяющий упругий элемент с воспринимающей давление мембраной, и проходящий через отверстие, выполненное в торце бруска соосно с резьбовым отверстием жесткого центра упругой балки, шток, причем его ось симметрии параллельна продольной оси упругой балки.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых

на фиг.3 показана конструкция датчика давления;

на фиг.4 - конструкция упругого элемента.

Датчик давления (фиг.3) содержит корпус 1, выполненную из листовой стали жестко защемленную воспринимающую давление гибкую мембрану 2, жесткий центр 3 которой с помощью штока 4 соединен с жестким центром 5 упругого элемента 6. Между мембраной 2 и упругим элементом 6 установлена теплоизоляционная перегородка 7, а на упругом элементе 6 размещены тензорезисторы 8, причем упругий элемент 6 закреплен с помощью винтов 9 на крепежном кольце 10, который фиксируется в корпусе 1 гайкой 11. Корпус 1 соединен с помощью резьбы со штуцером 12, между которыми размещена герметизирующая прокладка 13. Упругий элемент 6 (фиг.3) в виде жестко защемленной с двух сторон балки 14 (фиг.4) имеет основание 15, жесткий центр 5 и массивные заделки 16.

Упругий элемент 6 в виде жестко защемленной с двух сторон балки 14 с жестким центром 5, представленный на фиг.4, выполняется из цельного бруска конструкционного материала. Балка 14 формируется за счет, например, сверления двух сквозных по ее ширине отверстий, смещенных к рабочей стороне бруска, на который предполагается установка тензорезисторов 8. При этом толщина перемычки между отверстиями и рабочей стороной бруска должна соответствовать расчетному значению толщины балки. Перемычка между двумя отверстиями представляет собой жесткий центр 5 балки 14, который отделяется от противоположной стороны бруска относительно рабочей стороны, например, фрезерованием. Отделение жесткого центра 5 производят по диаметру двух отверстий. Полученное жесткое основание 15, образованное противоположной стороной бруска относительно рабочей стороны и проточкой при отделении жесткого центра 5 балки 14, и массивные заделки 16, образованные отверстиями и торцами бруска, служат несущей конструкцией, обеспечивающей жесткое защемление балки 14. Расчетная ширина балки 14 формируется, например, за счет симметричного двустороннего фрезерования сторон бруска, образующих балку 14, на глубину не менее 1/3 радиуса отверстий, формирующих балку 14. Глубина фрезеровки определяется расчетной схемой и местом установки тензорезисторов 8, и с целью приближения эпюры деформации в зоне установки тензорезисторов к постоянной (приближение к балке равного сечения), для возможности увеличения деформаций и тем самым увеличения чувствительности датчика ее глубина должна быть не менее 1/3 радиуса отверстий. Жесткий центр 5 балки 14 снабжается резьбовым отверстием, максимально (как только позволяют конструктивные размеры) удаленным от упругой балки 14.

Для свободного допуска передающего усилие штока 4 к жесткому центру 5 балки 14 в торцевой поверхности бруска формируют отверстие, соосное с резьбовым отверстием жесткого центра 5 балки 14.

Для обеспечения технологичности сборки датчика (фиг.3) упругий элемент 6 можно предварительно установить, например, в крепежное кольцо 10, имеющее с внутренней стороны посадочное место для упругого элемента 6 и соединяющееся с ним, например, посредством винтов 9, а внешний диаметр кольца должен соответствовать посадочному месту в корпусе. Закрепление упругого элемента в корпусе 1 может, например, осуществляться с помощью крепежной гайки 11. Теплоизоляционная перегородка 7 играет роль теплового барьера для теплового излучения от мембраны во внутреннюю полость датчика.

Датчик работает следующим образом.

Измеряемое давление подается в воспринимающий штуцер 12 и воздействует на воспринимающую гибкую мембрану 2 с жестким центром 3.

Под действием давления гибкая мембрана 2 прогибается, что приводит к перемещению жесткого центра 3 и передающего штока 4, который, воздействуя на жесткий центр 5 балки 14, нагружает упругий элемент 6 растягивающе-сжимающей силой, приложенной внецентренно по отношению к поперечному сечению балки 14. При этом рабочая часть балки 14 деформируется таким образом, что тензорезисторы 8 получают разные по знаку деформации R1 и R3 - растяжение, a R2 и R4 - сжатие, которые будучи собранными в мостовую измерительную цепь попарно, в противолежащих плечах обеспечивают появление выходного сигнала моста при воздействии деформации. С другой стороны, при прогреве упругого элемента 6 тензорезисторы R1 и R4, а также R2 и R3 будут находиться в одинаковых тепловых полях, и они получат одинаковые температурные деформации, что приводит к одинаковым изменениям номиналов этих тензорезисторов от температуры при воздействии нестационарных тепловых потоков измеряемой и окружающей сред. И так как согласно собранной мостовой цепи тензорезисторы 8 находятся в попарно прилежащих плечах, то их изменение от температуры будет компенсироваться мостовой схемой и, таким образом происходит минимизация температурной погрешности датчика при нестационарных тепловых режимах его эксплуатации. Для уменьшения влияния теплового излучения со стороны гибкой мембраны 2 на упругий элемент 6 он отделен от нее теплоизоляционной перегородкой 7, выполненной из материала с низкой теплопроводностью.

Формула изобретения

Тензорезисторный датчик давления, включающий корпус, с установленными в нем воспринимающей давление гибкой мембраной и отделенным от нее теплоизоляционной перегородкой упругим чувствительным элементом с тензорезисторами, выполненным в виде балки, защемленной с двух сторон и нагруженной силой, передаваемой через шток, от воспринимающей давление мембраны, отличающийся тем, что жесткий центр балки нагружается растягивающе-сжимающей силой, приложенной внецентренно по отношению к поперечному сечению балки, для чего балка выполнена из цельного бруска конструкционного материала путем формирования двух отверстий, оси которых параллельны и смещены к одной стороне бруска, образующих с ней жестко защемленную с двух сторон балку с расчетной толщиной и жестким центром, выполненным в виде перемычки между отверстиями, причем перемычка с противоположной стороны от балки отделена от несущего жесткого основания, образованного отверстиями и второй стороной бруска, а расчетная ширина балки выполнена за счет симметричного двухстороннего фрезерования сторон бруска, образующих балку, на глубину не менее одной третьей радиуса отверстий, формирующих балку, при этом жесткий центр упругой балки имеет резьбовое отверстие, максимально удаленное от оси балки, в которое ввернут соединяющий упругий элемент с воспринимающей давление мембраной, и проходящий через отверстие, выполненное в торце бруска соосно с резьбовым отверстием жесткого центра упругой балки, шток, причем его ось симметрии параллельна продольной оси упругой балки.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4