Датчик давления

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к нанотехнологическим изделиям измерительной техники, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля процессов сложных технических систем. Датчик давления содержит корпус, мембрану и сенсорный элемент, размещенный в герметичной полости с возможностью его продольного сжатия и имеющий омические контакты. В качестве сенсорного элемента используется наполняющий герметичную полость мелкодисперсный порошок, содержащий не менее 70 масс.% фуллероидных наноструктур. Мембрана и корпус электрически изолированы друг относительно друга и используются в качестве выходных омических контактов. В качестве фуллероидных структур используются астралены с молярной массой более 2000 г/моль или фуллерены С_n с n≥6. Герметичная полость дополнительно заполнена водородом. Технический результат заключается в повышении чувствительности и механической устойчивости работы датчика, обеспечении стабильности функции преобразования датчика и воспроизводимости результатов измерений при высоких давлениях в условиях низких температур и воздействии импульсных нагрузок. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к нанотехнологическим изделиям измерительной техники, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля процессов сложных технических систем, работающих при низких температурах, например в космической технике.

Известен датчик давления с тремя устройствами ПАВ, содержащий пьезоэлемент из ПАВ структуры, воздействие на который передается при помощи промежуточных устройств, а сама ПАВ структура работает на изгиб. Снятие показаний с первичных чувствительных элементов может производиться по радиоканалу в полосе частот отклика ПАВ структуры (Патент Великобритании №2386684, МПК G01L 9/00, опубл. 24.09.2003).

Недостатками известного устройства являются то, что содержащийся в нем промежуточный дополнительный конструктив, воздействующий на первичный чувствительный элемент (ПЧЭ), вносит погрешности в измерения, снижает надежность ПЧЭ и всего датчика давления, а также то, что работа ПАВ структуры на изгиб обладает низкой чувствительностью.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является барочувствительный элемент, содержащий корпус, мембрану и сенсорный элемент, размещенный в герметичной полости и имеющий омические контакты, установленный с возможностью его продольного сжатия. Причем сенсорный элемент выполнен из пьезокерамического кристалла (Патент РФ №2402000, МПК G01L 9/08, опубл. 27.08.2012).

Недостатками известного устройства являются, во-первых, резкое (десятки процентов) снижение чувствительности сенсора в криогенном диапазоне температур, во-вторых, устройство обладает недостаточной надежностью при измерении импульсных давлений в диапазоне низких температур. Твердотельный кристалл керамики становится слишком хрупким и не всегда сохраняет работоспособность при интенсивных динамических (ударных) нагрузках.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении стабильности и надежности работы устройства в области низких температур при воздействии импульсных нагрузок.

Поставленная техническая задача решается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, мембрану и сенсорный элемент, размещенный в герметичной полости с возможностью его продольного сжатия и имеющий омические контакты, согласно заявляемому изобретению в качестве сенсорного элемента используется наполняющий герметичную полость мелкодисперсный порошок, содержащий не менее 70 масс. % фуллероидных наноструктур.

Кроме того, заявляемое изобретение характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:

- мембрана и корпус электрически изолированы друг относительно друга и используются в качестве выходных омических контактов;

- в качестве фуллероидных структур используются астралены с молярной массой более 2000 г/моль или фуллерены С_n с n≥6;

- герметичная полость, в которой размещен сенсорный элемент, дополнительно заполнена водородом.

Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупности существенных признаков, заключается в повышении чувствительности и механической устойчивости работы датчика, обеспечении стабильности функции преобразования датчика и воспроизводимости результатов измерений при высоких давлениях в условиях низких температур и воздействии импульсных нагрузок.

Суть заявленного технического решения иллюстрируется чертежами, где

на фиг. 1 приведены зависимости удельного электросопротивления r фуллероидного порошка от давления p при низких температурах, на фиг. 2 представлена конструкция заявляемого датчика, чертеж содержит следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - мембрана;

3 - сенсорный элемент порошкового типа;

4 - электроизолятор.

Датчик давления содержит корпус 1, на котором размещена упругая мембрана 2, сенсорный элемент 3, выполненный из фуллероидного порошка, заполняющего собой герметичный объем между корпусом 1 и мембраной 2, последние электрически развязаны за счет электроизолятора 4.

Фуллероидные структуры являются фуллереноподобными структурами, представляющими собой новую аллотропную форму углерода в виде замкнутых, каркасных, макромолекулярных систем (см. С.В. Мищенко, А.Г. Ткачев. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. М.: Машиностроение, 2008). К ним относятся фуллерены, экзо- и эндоэдралы, онионы, астралены и проч.

Изготовление сенсорного элемента из порошка, состоящего из фуллероидных структур, обеспечивает высокую чувствительность и механическую устойчивость работы датчика в условиях низких температур и динамических нагрузок.

Содержание в порошке более 70 масс. % фуллероидных наноструктур обеспечивает стабильность функции преобразования датчика при низких температурах.

Использование для изготовления сенсорного элемента фуллеренов С_n с n≥60 или астраленов с молярной массой более 2000 г/мол. предотвращает слипание наночастиц порошка при воздействии на него внешним давлением.

Тем самым обеспечивается воспроизводимость результатов измерений при высоких давлениях. Указанные наночастицы демонстрируют абсолютную упругость (отсутствие признаков слипания) при давлениях до сотен ГПа (фуллерены в атмосфере водорода).

Заявляемый датчик давления работает следующим образом.

При установке датчика в контролируемое пространство он воспринимает измеряемое давление сенсорным элементом 3 через мембрану 2. Под действием давления изменяется омическое сопротивление электроцепи «мембрана-фуллероидный порошок-корпус». По величине сопротивления судят о значении внешнего давления. Фуллероидные структуры астралены и фуллерены обладают высокой механической прочностью, что позволяет использовать их для измерения давления при ударных (импульсных) нагрузках. Наиболее близкими к линейным функциям преобразования и высокой чувствительностью при низких температурах обладают фуллерены С_n с n>60 и астралены с молярной массой более 2000 г/мол. При содержании в порошке фуллероидных частиц и нанодисперсного наполнителя в соотношении 70:30 масс.% и более погрешность измерений не ухудшается. Наполнителем может быть высокоомный полупроводниковый или диэлектрический нанодисперсный порошок.

Для снижения вероятности агрегации фуллеренов и образования из них под действием влаги и давления макрокластеров в пространстве, заполненном порошком, создают водородную среду. При концентрации водорода долее 95% агрегатирования С_n с n≥60 не наблюдалось. Астралены, в свою очередь, не склонны к агрегатированию даже в присутствии влаги (до 80%) и наличия кислорода.

Электроизоляция корпуса 1 от мембраны 2 с помощью изолятора 4 позволяет упростить, а следовательно, повысить надежность устройства за счет использования корпуса 1 от мембраны 2 в качестве выходных электродов для подключения к электроизмерительному устройству.

1. Датчик давления, содержащий корпус, мембрану и сенсорный элемент, размещенный в герметичной полости с возможностью его продольного сжатия и имеющий омические контакты, отличающийся тем, что в качестве сенсорного элемента используется наполняющий герметичную полость мелкодисперсный порошок, содержащий не менее 70 масс. % фуллероидных наноструктур.

2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что мембрана и корпус электрически изолированы друг относительно друга и используются в качестве выходных омических контактов.

3. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фуллероидных структур используются астралены с молярной массой более 2000 г/моль.

4. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фуллероидных структур используются фуллерены С_n с n≥60.

5. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что герметичная полость, в которой размещен сенсорный элемент, дополнительно заполнена водородом.