Преобразователь давления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалнстичеекик

Республик („)883680

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЗЬСТВУ (61) Дополнительное к ввт. свид-ву (22) Заявлено 110380 (21) 2892837/18-10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 231181. Ьюллетеиь №43

Дата опубликования описания 23. 11. 81

Р1)М. К .з

G 01 Ь 9/04 (53) УДК 531.787 (088.8) Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий

Ю.И.Заганяч, В.А.Жилка, Т.М.Иващук, И.И.Марьямова, Ю.Н.Турчанинов (72) Авторы изобретения

Львовский ордена Ленина политехнический институт (71) Заявитель (.54 ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к тензомет рии и может быть использовано для измерения давлений.

Известны датчики давления, содержащие мембрану, связанную с балочкой, на которой укреплены тензорезисторы (1) .

Ниболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь давления, содержащий цилиндрический корпус, тонкую плоскую круглую мембрану, воспринимающую давление, продольный шток, который находится в фрикционном зацеп- 15 ленни с мембраной и передает таким образом прогиб мембраны консольной балке с вырезом, один конец которой закреплен в корпусе преобразователя (зажат между фланцем и проводящим 2О кольцом), а свободный конец балки с .помощью связующего. (эпоксидного клея) прикреплен к другому концу штока. Поперек выреза консольной балки установлены с помощью связующего полупроводниковые пьезореэистивные элементы, выполненные иэ кремния р-типа, которые изменяют свое сопротивление под действием приложенного к мембране давления. (2) . 30

Недостатками известного устройства являются нелинейность выходной характеристики, ограниченный динами ческий диапазон частот, невозможность получения воспроизводимых и стабильных метрологических характеристик, сравнительно узкий температурнйй диапазон работы. Фрикционное зацепление штока с воспринимающей мембраной приводит к уменьшению собственной частоты преобразователя, следовательно, к ограничению динамического диапазона преобразователя.

Цель изобретения — уменьшение нелинейности выходной характеристики, расширение динамического диапазона работы преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе дав,ления, содержащем корпус с мембраной, ;передающий шток н консольную балку с . полупроводниковыми тенэореэисторами, передающий шток жестко соединен с мембраной и консольной балкой и выполнен с упругим шарниром, расстояние которого до места крепления штока к балке не менее длины упругого шарнира.

На фиг.l представлен тенэометрический преобразователь давлений (в

883680

60 разрезе)1 на фиг.2 — зависимости вы ходкого сигнала преобразователя от давления при различных температурах. о в диапазоне от 20 до 320 С.

Преобразователь состоит из цилиндрического корпуса 1, на котором закреплена мембрана 2, изготовленная иэ материала с высокими упругими свойствами, например сплава

44НХТЮ. Иембрана жестко соединена с штоком 3 с выполненным на нем упругим шарниром 4. Другим концом шток 3 жестко соединен с консольной балкой 5, изготовленной из коварового сплава, например сплава 29НК, на которой стеклоприпоем закреплены полупроводниковые тензорезисторы 6, 15 представляющие собой нить кремния р-типа с ориентацией fiick) с платиновыми контактами и токовыводами.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление 20 воспринимается мембраной 2. Прогиб мембраны под действием давления передается посредством штока 3 с упругим шарниром 4 на консольную балку 5 с полупроводниковыми тензорезисторами 6. Прогиб консольной балки приводит к изменению .сопротивления закрепленных на ней тензорезисторов, причем изменение сопротивления, а следовательно, выходного сигнала преобразователя пропорционально измеряемому давлению.

Основными преимуществами предлагаемого устройства являются расширение динамического диапазона работы, улучшение метрологических характе- З5 ристик и значительное расширение температурного диапазона работы преобразователя.

Улучшение метрологических характеристик предлагаемого устройства ц) достигается жестким сварным соединением штока с мембраной и консольной балочкой с помощью лазерной сварки.

Это позволяет повысить его собственную частоту и расширить динамический диапазон работы преобразователя, а также улучшить воспроизводимость метрологических характеристик предлагаемого преобразователя. Кроме того, улучшение метрологических характеристик преобразователя достигается .выполнением штока с упругим шарниром, имеющим малую иэгибную жесткость, что позволяет исключить пара.— эитную составляющую нагрузки консольн< и балки с тенэорезисторами,кото- 55 рая приводит к нелинейности градуировочных характеристик преобразователя. Размеры упругого шарнира определяются из условия прочности упругого шарнира на изгиб.

При заданной относительной деформации упругого элемента — балки положение упругого шарнира по высоте штока, позволяющее осуществить лииеариэацию градуировочных характе- у5 ристик преобразователя, можно определить из выражения, входящего в формулу для определения деформации балочки, С

3, „аЬ где „н 3 — моменты инерции площади сечения упругого шарнира и консольной балки соответственно — длина упругого шарнира; расстояние от места закрепления балки к месту крепления штока к балке; а — расстояние от упругого шарнира до места крепления штока к балкер и — прогиб балки, При выполнении условия- —, 1 обеспечивается минимальная нелинейность градуировочных характеристик преобразователя.

Возможность расширения рабочего диапазона температур устройства представлены на фиг.2, где приведены градуировочные характеристики предлагаемого преобразователя давления при различных температурах в диапазоне от 20 до 315 С, В предлагаемом устройстве консольная балка выполнена из сплава коваровой группы 29НК-материала, имеющего коэффициент линейного расширения (КЛР), близкий к КЛР кремния. Для крепления кремниевых тензореэисторов к балке использовался стеклоприпой, например типа C52-I с КЛР, близким к кремнию и ковару, обладающий высокими упругими свойствами вплоть до +400 С. Стеклоприпой обеспечивает механически прочное соединение кремниевого тензорезистора с коваровой балкой. В качестве тензореэисторов использованы миниатюрные кремниевые тенэорезисторы типа Кремнистор с платиновыми токовыводами и контактами, позволяющие проводить термообработку до температуды оплавления стеклоприпоя 760 С.

Использование коваровых сплавов для изготовления балки и стеклоприпоя для крепления кремниевых тенэорезисторов на бапках позволяет значительно расширить температурный диапазон работы преобразователя в сторону высоких температур до +400 С и существенно улучшить воспроизводимость и стабильность . метрологических характеристик, так как при этом сводится к минимуму ползучесть тензорезисторов, обусловленная вязкоупругими свойствами связующих и их изменением с температурой и во времени.

Такое выполнение устройства позволяет значительно расширить рабочий диапазон частот, улучшить воспроиэводимочть и линейность мет883680 рологических характеристик преобра эователя, а также значительно расширить рабочий диапазон температур от -604 до +400 С.

Предлагаемое устройство может использоваться для измерения давлений жидких и газообразных сред в широком динамическом диапазоне при повышенных и высоких температурах. Возможные области применения - контроль технологических процессов, измерение давления при глубинном бурении нефтяных скважин, исследование параметров двигателей внутреннего сгора-, ния. формула изобретения

Преобразователь давления, содержащий корпус с мембраной, связанной через шток с консольной балкой .с полупроводниковыми тензореэисторами, о т л н ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения нелинейности выходной характеристики и расширения динамического диапазона работы, в нем шток жестко соединен с мембраной и консольной балкой и выполнен с упругим шарниром, расстояние от которого до места крепления штока к балке не менее длины упругого шарнира.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

;9 395797, кл. G 01 L.9/04, 1971.

15 2 . Патент CIOA 9 364 14 16, кл. 3884, 1969 (прототип).

Обэп., мд

1Ь

76 фюа 2

Составитель О.Полев

Редактор П.Ортутай Техред A.Савка Корректор A.Ëýÿòêo

Заказ 10210/63 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4