ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быт использовано для измерения давления в условиях воздействия широкого диапазона температур и повышенных виброускорений.

Известны датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях воздействия широкого диапазона температур, содержащие корпус, цилиндрическую контактную колодку, чувствительный элемент в виде мембраны, на которой расположена тензочувствительная схема и свободновисящие выводные проводники, соединяющие контактные площадки чувствительного элемента с контактами колодки [1].

Данная конструкция не обладает необходимой виброустойчивостью, т.к. при эксплуатации ее в условиях воздействия достаточно больших виброускорений происходит обрыв выводных проводников, обусловленный их значительной длиной. Кроме того, свободное, неориентированное расположение выводных проводников приводит к необходимости неоправданного ужестожения требований на прочность при соединении проводников к контактным площадкам чувствительного элемента и контактам колодки вследствие разброса и значительной величины остаточных механических напряжений в месте присоединения из-за произвольного распределения деформаций по длине проводников при сборке.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде жесткозащемленной мембраны, на которой расположена тензочувствительная схема с рабочими и дополнительными контактными площадками, цилиндрическую контактную колодку, контакты которой расположены на ее периферии перпендикулярно поверхности чувствительного элемента, и частично расположенные на поверхности чувствительного элемента плоские выводные проводники, соединяющие рабочие и дополнительные контактные площадки чувствительного элемента с контактами колодки [2].

Данная конструкция также не обладает требуемой виброустойчивостью, так как хотя длина свободновисящей части проводников несколько уменьшена за счет частичного расположения проводников на поверхности чувствительного элемента, но все же имеет значительные размеры. Кроме того, в связи с тем, что выводные проводники произвольно деформированы при монтаже, в них появляются и остаются произвольно распределенные по длине проводников остаточные напряжения. При работе датчиков давления в реальных условиях эксплуатации в составе ЖРД на датчик воздействуют весьма значительные виброускорения сложного спектрального состава, практически во всех направлениях. Поэтому при воздействии виброускорений на выводные проводники в реальных условиях эксплуатации всегда найдется направление воздействия виброускорений, которое будет вызывать вибронаправления в проводнике, совпадающие с остаточными пластическими напряжениями при монтаже.

Таким образом, при воздействии виброускорений могут возникнуть разрушения проводников, носящие усталостный характер. Наиболее вероятным местом разрушения является место наибольшей концентрации остаточных напряжений. Кроме того, произвольное расположение остаточных напряжений по длине проводников приводит к неоправданному ужесточению требований на прочность присоединения проводников к контактным площадкам чувствительного элемента и контактам колодки для исключения влияния остаточных напряжений проводников на прочность присоединения, так как, если не ужесточить требования к прочности присоединения, то обрыв проводников произойдет в месте при соединении из-за совместного влияния остаточных напряжений и виброускорений, на место присоединения, являющееся, как правило, своеобразным концентратором напряжений.

Целью изобретения является повышение виброустойчивости датчиков давления за счет жесткого ориентированного расположения выводных проводников, оптимального распределения остаточных напряжений, возникающих при монтаже, по длине проводников и устранения влияния остаточных напряжений на месте закрепления проводников.

Для достижения этой цели усовершенствуется датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде жестко защемленной мембраны, на которой расположена тензочувствительная схема с рабочими и дополнительными контактными площадками, цилиндрическую контактную колодку, контакты которой расположены на ее периферии перпендикулярно поверхности чувствительного элемента, и частично расположенные на поверхности чувствительного элемента плоские выводные проводники, соединяющие рабочие и дополнительные контактные площадки чувствительного элемента с контактами колодки.

Отличительными признаками изобретения является то, что дополнительные контактные площадки расположены на периферии чувствительного элемента под контактами колодки, а плоские выводные проводники частично расположены на поверхностях дополнительных контактных площадок, частично по цилиндрическим поверхностям, соединяющим плоскости дополнительных контактных площадок и плоскости поверхностей контактов колодки, а оставшаяся часть проводников расположена в плоскостях поверхностей контактов колодки, причем размеры отдельных частей проводников выбраны из соотношений
l₁ = (2-5) ˙h
R = (5-1) ˙h
l₂ > 2 h, где l₁ - длина проводников, расположенных на поверхностях дополнительных контактных площадок;
R - радиус цилиндрических поверхностей, соединяющих плоскости дополнительных контактных площадок и плоскости контактов колодки;
l₂ - длина проводников, расположенных в плоскостях поверхностей контактов колодки;
h - толщина проводников.

На фиг. 1 изображен датчик, общий вид; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - выводные проводники.

Датчик состоит из корпуса 1, чувствительного элемента в виде жесткозамещенной мембраны 2, на которой расположена тензочувствительная схема 3 с рабочими 4 и дополнительными 5 контактными площадками. На мембрану надета цилиндрическая контактная головка 6, контакты 7 которой расположены на ее периферии перпендикулярно поверхности чувствительного элемента. В контактной колодке имеются окна 9, через которые осуществляется монтаж плоских выводных проводников 8. Контактная колодка сварена с мембраной и с корпусом с образованием сварных швов 10 и 11, обеспечивая тем самым герметичность внутренней полости датчика.

Для обеспечения выбранных соотношений отдельных частей выводных проводников при монтаже может быть использован шаблон. Дополнительные контактные площадки расположены на периферии чувствительного элемента под контактами колодки. Плоские выводные проводники 8 частично расположены на поверхности чувствительного элемента, частично на поверхностях дополнительных контактных площадок, частично по цилиндрическим поверхностям, соединяющим плоскости дополнительных контактных площадок и плоскости поверхностей контактов колодки, частично в плоскостях поверхностей контактов.

Датчик работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления Р в жесткозащемленной мембране возникают поверхностные радиальные и тангенциальные деформации, которые воспринимаются и преобразуются в относительные изменения сопротивлений тензочувствительной схемой. Выводные проводники служат для подачи на тензочувствительную схему напряжения питания и съема с нее выходного сигнала для передачи через контактную колодку на резистор (на фиг. 1 не показано).

При воздействии виброускорений на датчик в процессе эксплуатации выводные проводники также подвергнутся этому воздействию. Максимальные суммарные напряжения в выводных проводниках, обусловленные совместным воздействием остаточных деформаций при монтаже и виброускорений, в предлагаемой конструкции уменьшена за счет жесткого ориентированного расположения выводных проводников, оптимального распределения остаточных напряжений на месте закрепления проводников. Т.к. в предлагаемой конструкции максимальные суммарные напряжения, возникающие в выводных проводниках уменьшены, то следовательно, данная конструкция может эксплуатироваться при повышенных виброускорениях.

Использование: изобретение относится к тензорезисторным датчикам давления и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия повышенных виброускорений. Сущность изобретения: в тензорезисторном датчике давления дополнительные контактные площадки 5 расположены на периферии чувствительного элемента - мембраны 2 под контактами 7 колодки 6, а плоские выводные проводники 8 частично расположены на поверхностях дополнительных контактных площадок 5, частично по цилиндрическим поверхностям, соединяющим плоскости дополнительных контактных площадок 5 и плоскости поверхностей контактов 7 колодки 6, а оставшаяся часть проводников расположена в плоскостях поверхностей контактов 7 колодки 6, причем размеры отдельных частей проводников выбраны из определенных соотношений. 3 ил.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с упругим элементом в виде жестко защемленной мембраны, на которой сформирована тензочувствительная схема с рабочими и дополнительными контактными площадками, цилиндрическую контактную колодку, контакты которой размещены на ее периферии перпендикулярно поверхности упругого элемента, и частично расположенные на поверхности упругого элемента, плоские выводные проводники, соединяющие рабочие и дополнительные контактные площадки и контакты колодки, отличающийся тем, что, с целью повышения виброустойчивости датчика, в нем дополнительные контактные площадки расположены на периферии упругого элемента под контактами колодки, а плоские выводные проводники частично расположены на поверхности дополнительных контактных площадок, частично - по цилиндрическим поверхностям, соединяющим плоскости дополнительных контактных площадок и плоскости поверхностей контактов колодки, и частично - в плоскостях поверхностей контактов колодки, причем размеры отдельных частей проводников выбраны из соотношений
l₁ = (2 - 5)h;
R = (5 - 10)h;
l₂ ≥ 2h,
где l₁ - длина частей проводников, расположенных на поверхности дополнительных контактных площадок;
R - радиус цилиндрических поверхностей, соединяющих плоскости дополнительных контактных площадок и плоскости поверхностей контактов колодки;
l₂ - длина частей проводников, расположенных в плоскостях поверхностей контактов колодки;
h - толщина проводников.