ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L19/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений давлений в агрегатах авиационной, ракетной и космической техники в условиях воздействия повышенных виброускорений, широкого диапазона температур и спецфакторов.

Известны датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях воздействия повышенных виброускорений, содержащие накидную гайку, корпус, чувствительный элемент в виде подпружиненной по торцам втулки, охватывающий через уплотнения подводящий трубопровод, причем в трубопроводе в пределах втулки выполнены подводящие отверстия [1].

Недостатком этих датчиков является невозможность их использования для измерения средних и больших давлений из-за недостаточной надежности уплотнений и большого их количества. Из них два уплотнения принципиально не могут обеспечить требуемой герметичности в связи с отсутствием уплотняющего усилия из-за необходимости свободного перемещения чувствительного элемента относительно трубопровода. Кроме того, известная конструкция работоспособна только в относительно узком диапазоне частот виброускорений, так как при совпадении собственной частоты чувствительного элемента, определяемой его массой и жесткостью пружины, с частотой виброускорений его произойдет резонанс и разрушение конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является датчик давления, содержащий чувствительный элемент, накидную гайку, частично расположенный внутри нее цилиндрический корпус, на боковой поверхности которого выполнен цилиндрический патрубок, расположенный к корпусу под острым углом, кабельный ввод и гибкую кабельную перемычку из синтетических материалов [2].

Недостатком известной конструкции датчика давления является разрушение кабельной перемычки вследствие воздействия виброускорений. Это обусловлено тем, что при воздействии на известный датчик давления виброускорений величиной более 2000 происходит разрушение гибкой кабельной перемычки, выполненной из синтетических материалов.

Рабочий диапазон температур известного датчика давления также сравнительно неширок. Лучшие образцы работоспособны только в температурном диапазоне от -196 до +300^оС из-за сравнительно низкой температурной стойкости кабельной перемычки из синтетических материалов. Радиационная стойкость известной конструкции также сравнительно невысока из-за недостаточной радиационной стойкости кабельной перемычки с изоляцией из синтетических материалов. Кроме того, при монтаже известных датчиков на изделия ракетной и космической техники появляются дополнительные трудности, связанные с необходимостью защиты кабельной перемычки от воздействия агрессивных компонентов топлива, окислителя, а также других сред, используемых на изделиях. Дополнительная защита необходима также для защиты от воздействия высоких температур, радиации. Кроме того, дополнительная защита необходима для предохранения кабельной перемычки от воздействия биологических вредителей (при хранении изделий на стартовой позиции).

Целью изобретения является повышение виброустойчивости датчика давления.

Для достижения цели усовершенствуется известная конструкция датчика давления, содержащего чувствительный элемент, накидную гайку, частично расположенный внутри нее цилиндрический корпус, на боковой поверхности которого выполнен цилиндрический патрубок, расположенный к корпусу под острым углом, кабельный ввод и кабельную перемычку.

Отличительными признаками предлагаемого датчика давления является то, что в нем кабельная перемычка выполнена в виде нескольких отдельных кабелей с изоляцией и однопроводными жилами, заключенными в металлические оболочки, которые жестко соединены между собой в единый жгут, а на поверхности жгута по всей его длине жестко закреплен металлический бандаж в виде цилиндрической винтовой пружины с шагом S, определяемым по соотношению:
S = d + , (1) где d - диаметр проволоки бандажа;
D - диаметр жгута;
R - допустимый радиус изгиба кабельной перемычки.

На фиг. 1, 2 изображен предлагаемый датчик давления, установленный на штуцере изделия, общий вид.

Датчик состоит из чувствительного элемента 1, состоящего из сопрягаемой со штуцером части мембраны, накидной гайки 2, цилиндрического корпуса 3. Тензосхема чувствительного элемента выполнена методами планерно-пленочной технологии. В корпусе расположена герметичная контактная колодка 4, контакты 5 которой с одной стороны при помощи тонких выводных проводников 6 соединены с контактными площадками (на фиг.1, 2 не показаны) чувствительного элемента, а с другой стороны - с проводами кабелей 7. На контактную колодку надета герметизирующая втулка 8, которая с одной стороны по торцу сварена с контактной колодкой, а с другой стороны сварена с чувствительным элементом. Герметизирующая втулка обеспечивает герметичность внутренней замембранной полости датчика. Контактная колодка и провода кабелей залиты высокотемпературным алюмо-фосфатным заливочным материалом АФС-5. На корпус датчика со стороны, противолежащей чувствительному элементу, навинчена на высокотемпературном клее цилиндрическая втулка 9, на боковой поверхности которой сформирован выполненный за одно целое цилиндрический патрубок 10, при помощи которого кабельный ввод 11 присоединяется к корпусу датчика.

Датчик давления установлен на штуцер 12 изделия. Прокладка 13 служит для обеспечения герметичности соединения датчика с изделием. Торец втулки, более удаленный от чувствительного элемента, закрыт крышкой 14, облегчающей сборку датчика. Кабельная перемычка выполнена в виде нескольких (в данном случае 4-х) отдельных кабелей 7 с минеральной изоляцией и однопроводными жилами 15, заключенными в металлические оболочки типа КНМС, соединенные между собой в общий жгут (см. фиг.3, 4). На поверхности жгута по всей его длине жестко закреплен, например при помощи пайки или сварки, металлический бандаж 16 в виде цилиндрической винтовой проволочной пружины с шагом в соответствии с заявляемым соотношением.

Для повышения прочности оболочки кабелей, находящихся в патрубке, и начало бандажа, прилегающее к кабельному вводу, впаиваются или ввариваются в соответствующие детали.

Датчик работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану и деформирует ее. Тензорезисторы воспринимают эту деформацию и преобразуют в относительное изменение сопротивления и выходное напряжение. Выходное напряжение через контакты колодки и провода кабелей передается на регистратор. При воздействии виброускорений на датчик элементы датчика также подвергаются воздействию виброускорений. Так как в заявляемой конструкции отсутствуют трущиеся между собой детали, а также отсутствует взаимное перемещение элементов кабельной перемычки относительно друг друга, по сравнению с прототипом, где для изготовления кабельной перемычки используются экранированные провода типа МГТФЭ, помещенные в кремнийорганическую трубку ТКР, то виброустойчивость предлагаемой конструкции повысится. Предлагаемая конструкция может работать в более широком диапазоне температур по сравнению с прототипом за счет выполнения кабельной перемычки из высокотемпературных кабелей с минеральной изоляцией в металлической оболочке.

Радиационная стойкость предлагаемой конструкции также выше, чем у прототипа, за счет выполнения кабельной перемычки в виде нескольких отдельных кабелей с минеральной изоляцией и однопроводными жилами 15, заключенными в металлические оболочки. Это связано с тем, что радиационная стойкость кабелей с минеральной изоляцией в металлической оболочке существенно выше проводов с фторопластовой изоляцией в кремнийорганической трубке.

При практическом использовании датчиков давления в реальных условиях эксплуатации изделий ракетной и космической техники на них воздействуют все воздействующие факторы, в том числе вибрация, температура и радиация. Причем воздействие вибрации приводит к дополнительному разогреву элементов конструкции за счет их взаимного трения. Воздействие радиации также приводит к дополнительному радиационному разогреву. Поэтому применение высокотемпературных кабелей позволяет дополнительно увеличивать виброустойчивость и радиационную стойкость датчиков.

Предлагаемая конструкция позволяет существенно повысить качество монтажа датчиков на изделии.

Как известно, трассировка кабельных перемычек датчиков давления на изделиях имеет весьма сложную форму. Приходится огибать отдельные участки трубопроводов, агрегатов и узлов. Поэтому формирование кабельных перемычек проводят непосредственно перед установкой датчика давления на конкретное место изделия. Кабели с минеральной изоляцией в металлической оболочке имеют ограничения по минимально допустимому радиусу изгиба. Причем, чем больше диаметр кабеля, тем больше минимально допустимый радиус изгиба, при котором еще гарантируются технические характеристики. И наоборот, чем меньше диаметр кабеля, тем меньше минимально допустимый радиус изгиба кабеля и тем больше возможностей для прокладывания оптимальной конфигурации кабельной перемычки. Поэтому в заявляемой конструкции кабельная перемычка выполнена в виде нескольких отдельных кабелей с однопроводными жилами, заключенными в металлические оболочки, а не используется один многопроводный кабель в общей металлической оболочке.

Так, например, минимально допустимый радиус изгиба однопроводного кабеля с минеральной изоляцией типа КНМСН в соответствии с ТУ 16-505.564.-85 составляет 7,5 мм, а аналогичного кабеля, содержащего 4 провода в общей оболочке, составляет 30 мм в соответствии с теми же ТУ.

Кроме того, промышленность пока еще не выпускает многопроводные кабели в общей металлической оболочке с экранированием отдельных проводов, что явилось другой причиной выполнения кабельной перемычки в виде нескольких отдельных кабелей.

При изгибе кабеля с минеральной изоляцией под радиусом, меньшим минимально допустимого, технические характеристики кабеля не гарантируются, что приводит к невозможности установки датчика давления на изделие. В предлагаемой конструкции происходит саморегулирование и предохранение возможного чрезмерного уменьшения радиуса изгиба кабеля менее предельно допустимого. Это происходит следующим образом. После изготовления датчика в состоянии поставки его кабельная перемычка находится в прямолинейном положении. Фрагмент кабельной перемычки изображен на фиг.3,4. Бандаж жестко закреплен по всей длине кабельной перемычки при помощи пайки высокотемпературным припоем или сварки. Причем пайка или сварка проводится по всей поверхности соприкосновения бандажа и жгута. Бандаж выполнен с шагом в соответствии с заявляемым решением, обеспечивающим некоторое расстояние между отдельными витками бандажа. На фиг. 1, 2 изображен жгут, состоящий из четырех кабелей КНМСН. При формировании кабельной перемычки она должна изогнуться с радиусом не менее минимально допустимого радиуса. На фиг.5 изображен фрагмент кабеля, изогнутого с минимально допустимым радиусом. Так как витки бандажа жестко закреплены на всей поверхности жгута (для чего свободные зазоры между жгутом и бандажом, образовавшиеся за счет конечного количества кабелей в жгутах, заполнены высокотемпературным припоем 17), то после соприкосновения витков бандажа, находящихся на стороне изгиба жгута, дальнейший изгиб жгута в эту же сторону может проходить только при значительно большем усилии. То есть при формовке кабельной перемычки в ней самой существуют ограничения, не позволяющие изогнуть ее с радиусом, меньшим минимально допустимого радиуса. Для обоснования заявляемого соотношения рассмотрим более подробно фиг.5, на которой изображен фрагмент кабельной перемычки при изгибе ее с радиусом, равным минимально допустимому радиусу изгиба. Так как конструкция выполнена таким образом, что при минимально допустимом радиусе изгиба витки бандажа, находящиеся на стороне, в которую изгибается кабель, соприкасаются между собой, то рассматривая треугольник ОВС, можно сказать, что он прямоугольный.

Тогда
= arcsin (2) Выражая через параметры кабельной перемычки, получим:
ВС = 0,5 d; (3)
ОС = R - 0,5d, (4)
тогда
EF = (R+D+0,5d) sin (5)
Подставляя в выражение (5) выражение (2) и умножив на 2, получим:
OF = 2(R+D+0,5d)· sin arcsin =
= 2 (R +D +0,5d) = · (R+D+0,5d) (6)
Так как под воздействием изгибающих усилий одна сторона бандажа полностью выбирается, расстояние между витками бандажа (L = 0), то есть расстояние между витками, изменяется от L до 0, то на противоположной стороне бандажа расстояние между витками должно увеличиться на та- кую же величину, то есть расстояние между витками должно быть равно 2L.

Тогда выражение (6) можно записать в виде
d + 2L = (R+D+0,5d) (7)
Проведя элементарные преобразования, получим:
L = (8)
Прибавив к обеим частям равенства величину d, получим:
L+d = + d (9)
На фиг.3, 4 видно, что
L + d = S (10)
Подставляя выражение (10) в выражение (9), получим
S = d + (11)
Если шаг бандажа будет меньше определенного по выражению (11), то радиус изгиба кабельной перемычки будет ограничиваться при величине, большей минимально допустимого значения, что нецелесообразно, так как будут не полностью использоваться возможности кабеля. Если шаг бандажа будет больше определенного по выражению (11), то радиус изгиба кабельной перемычки будет ограничиваться при величине, меньшей минимально допустимого значения, что может привести к выходу датчика давления из строя.

При опытной эксплуатации датчиков в составе изделя подтверждена их работоспособность при воздействии максимально достижимых виброускорений 4500g, тогда как известные датчики давления выдерживают воздействие виброускорений не более 2000g. Предлагаемые датчики могут использоваться в температурном диапазоне от 253 до +600^оС, а известные датчики - от -196 до +300^оС. Предлагаемые датчики давления работоспособны при воздействии потока нейтронов до 10¹⁶ нейтрон/см², а известные датчики давления работоспособны при воздействии потока нейтронов до 10¹²нейтрон/см².

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемой конструкции является повышение более чем в 2 раза виброустойчивости, расширение примерно в 2 раза температурного диапазона, увеличение примерно на 4 порядка радиационной стойкости.

Кроме того, преимуществом заявляемой конструкции является следующее: значительно повышается качество установки датчиков на изделие за счет исключения возможного его повреждения, конструкция датчика полностью защищена от воздействия биологических вредителей, а также воздействия агрессивных компонентов топлива, окислителя и окружающей среды, датчик полностью соответствует требованиям пожаровзрывобезопасности.

Использование: изобретение относится к датчикам давления и может быть использовано при измерении давлений в условиях воздействия на датчик повышенных виброускорений, высоких температур и других дестабилизирующих факторов. Цель - повышение виброустойчивости датчика. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем корпус с чувствительным элементом, кабельным вводом и кабельной перемычкой, последняя выполнена в виде нескольких отдельных кабелей с изоляцией и однопроводными жилами, расположенных внутри металлических оболочек, жестко соединенных между собой в жгут. На поверхности жгута закреплен бандаж в виде цилиндрической винтовой пружины с шагом, определяемым из определенного соотношения. 5 ил.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий цилиндрический корпус с накидной гайкой, в котором установлен чувствительный в давлению элемент, цилиндрический патрубок, установленный под углом на боковой поверхности корпуса, кабельный ввод и кабельную перемычку, отличающийся тем, что, с целью повышения виброустойчивости, в нем кабельная перемычка выполнена в виде нескольких отдельных кабелей с изоляцией и однопроводными жилами, расположенных внутри металлических оболочек, жестко соединенных между собой в единый жгут, на поверхности которого по всей длине закреплен бандаж в виде цилиндрической винтовой пружины с шагом S, определяемым по формуле

где d, D - соответственно диаметры проволоки бандажа и жгута;
R - допустимый радиус изгиба кабельной перемычки.