ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений в агрегатах авиационной, ракетной и космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений.

Известны тензорезистивные датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащие корпус с параллельно расположенными жестко защемленными в нем мембраной со штоком и измерительной балкой с жестким центром, включенные в мостовую измерительную схему тензорезисторы, расположенные в центральной части измерительной балки и на периферии симметрично относительно жесткого центра, а также гибкую тягу, расположенную параллельно измерительной балке и соединенную одним концом с жестким центром балки, а другим со штоком, эксцентрично установленным на мембране относительно ее центра, при этом тензорезисторы, расположенные по одну сторону относительно жесткого центра, включены в смежные плечи мостовой схемы [1]
Недостатком этих датчиков является недостаточная виброустойчивость при воздействии достаточно больших уровней виброускорений, обусловленная наличием гибкой (нежесткой) тяги между мембраной и жестким центром балки. Наиболее сильно указанный недостаток проявляется при воздействии на датчик виброускорений, направленных преимущественно перпендикулярно поверхности мембраны, так как в этом случае воздействию виброускорений противостоят мембрана и балка, не связанные жестко между собой. Кроме того, недостатками известной конструкции являются сложность сборки, связанная с наличием гибкой тяги, и небольшая чувствительность, обусловленная эксцентричным расположением штока относительно центра мембраны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является датчик давления, содержащий корпус с мембраной и соединенный с центром мембраны через упор, расположенный перпендикулярно плоскости мембраны, и передаточное звено, расположенное параллельно плоскости мембраны, преобразователь перемещения в виде трехзвенной прямоугольной скобы, среднее звено которой с мостовой тензочувствительной схемой расположено перпендикулярно плоскости мембраны, а крайнее звено скобы, противолежащее мембране, выполнено за одно целое с корпусом, причем передаточное звено соединено с крайним звеном, прилежащим к мембране [2]
Недостатком такой конструкции датчика давления является значительная погрешность при воздействии на датчик нестационарной температуры измеряемой среды вследствие неравномерного распределения температуры по длине среднего звена преобразователя перемещения, так как быстрее воспринимает температуру измеряемой среды крайнее звено скобы, прилежащее к мембране, а затем среднее и крайнее звено, противолежащее мембране. Устранить данный недостаток включением тензорезисторов в мостовую схему в данной конструкции невозможно, так как S-образный характер деформации (кстати, не очень устойчивый для этой конструкции) предполагает включение тензорезисторов таким образом, что тензорезисторы, расположенные между точкой нулевых деформаций и крайним звеном скобы, прилежащим к мембране, включены в противоположные по сравнению с тензорезисторами, расположенными между точкой нулевых деформаций и крайним звеном скобы, противолежащим мембране, плечи мостовой схемы. А так как тензорезисторы, расположенные между точкой нулевых деформаций и крайним звеном скобы, прилежащим к мембране, быстрее воспринимают температуру измеряемой среды по сравнению с тензорезисторами, расположенными между точкой нулевых деформаций и крайним звеном скобы, противолежащим мембране, т.е. находятся в других температурных условиях, то очевидно, что аддитивная температурная погрешность таких датчиков будет весьма значительна. Эксперименты показывают, что разница температур на краях преобразователя перемещений датчика давления, аналогичного прототипу, при воздействии на его мембрану резкого изменения температуры от +25^оС до -196^оС (жидкий азот) достигает 50-70^оС. Аддитивная температурная погрешность составляет 15-20^оС.

Виброустойчивость такой конструкции также недостаточна вследствие недостаточной виброустойчивости среднего звена преобразователя перемещения из-за его незначительной жесткости, так как с точки зрения получения необходимой чувствительности его необходимо выполнять в виде стержня значительной длины и малого поперечного сечения. При этом следует отметить, что в этой конструкции мембрана обладает дополнительной жесткостью за счет жесткой связи упора с крайним звеном преобразователя перемещения.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды путем выравнивания распределения температурного поля в зоне установки тензорезисторов, воспринимающих деформации разного знака и включенных в противоположные плечи мостовой схемы.

Для этого усовершенствуется известная конструкция датчика давления, содержащая корпус с мембраной и соединенный с центром мембраны через упор, расположенный перпендикулярно плоскости мембраны, и передаточное звено преобразователь перемещения в виде трехзвенной прямоугольной скобы, среднее звено которой с мостовой тензочувствительной схемой расположено перпендикулярно плоскости мембраны, а крайнее звено скобы, противолежащее мембране, соединено с корпусом.

В предлагаемом датчике давления крайнее звено скобы, расположенное около мембраны, имеет отверстие, в которое проходит упор, и жестко сообщено с корпусом, а передаточное звено соединено с центром среднего звена преобразователя перемещения со стороны, противоположной тензорезисторам.

На чертеже изображен предлагаемый датчик давления.

Датчик давления состоит из корпуса 1, мембраны 2, преобразователя 3 перемещений, соединенного с центром мембраны через упор 4, расположенный перпендикулярно плоскости мембраны, и передаточное звено 5, расположенное параллельно плоскости мембраны. Преобразователь перемещения выполнен в виде трехзвенной прямоугольной скобы, среднее звено 6 которой с мостовой тензочувствительной схемой расположено перпендикулярно плоскости мембраны. Тензочувствительная схема выполнена способом тонкопленочной технологии путем предварительного нанесения на полированную поверхность среднего звена изоляционного слоя из моноокиси кремния с подслоем хрома с последующим формированием тензорезисторов 7-10, из сплава Х20Н75Ю масочным способом. Причем в данной конструкции существует возможность соединения тензорезисторов в мостовую схему таким образом, что тензорезисторы, находящиеся в одинаковых температурных условиях (7 и 10, 8 и 9), будут находиться в соседних плечах мостовой схемы. Крайнее звено 11 скобы, противолежащее мембране, выполнено как одно целое с крышкой 12 корпуса, жестко соединенной с корпусом при помощи сварки. Крайнее звено 13, прилежащее к мембране, имеет отверстие 14, в которое проходит упор, и жестко закреплено на крышке корпуса при помощи кронштейна 15, расположенного перпендикулярно поверхности мембраны и выполненного за одно целое с крышкой корпуса. Передаточное звено 5 присоединено к центру среднего звена 6 преобразователя перемещения. С целью уменьшения теплообмена между мембраной и средним звеном преобразователя перемещения датчик выполнен герметичным, а его внутренняя полость вакуумирована. Для предотвращения теплообмена за счет излучения внутренняя поверхность мембраны и упора, а также поверхность крайнего звена 13 обработаны с высокой степенью чистоты и могут быть дополнительно покрыты материалом с малым коэффициентом теплопроводности с последующим покрытием металлической пленкой с малой шероховатостью (на фиг. 1 не показано). Тензорезисторы при помощи гибких выводов 16 соединены с гермовыводами 17.

Датчик давления работает следующим образом.

При воздействии на мембрану датчика измеряемого давления нестационарной температуры измеряемой среды, например, при заполнении контролируемой магистрали ЖРД окислителем или топливом с температурой, значительно отличающейся от температуры, при которой проводилась подготовка к пуску, будет осуществляться постепенное восприятие средним звеном преобразователя перемещения температуры измеряемой среды через упор и передаточное звено. Причем, так как передаточное звено соединено с центром среднего звена преобразователя перемещения, то распределение температуры по среднему звену будет симметрично относительно его центра. Тензорезисторы 7 и 10, 8 и 9 расположены симметрично относительно центра, поэтому они попарно находятся в одинаковых температурных условиях. При воздействии на мембрану измеряемого давления прогиб мембраны через упор 4 передается на передаточное звено 5. Среднее звено 6 преобразователя перемещения подвергается воздействию изгибающего момента, зависящего от длины передаточного звена.

При этом тензорезисторы 7 и 10, 8 и 9, находящиеся в одинаковых температурных условиях, будут подвергаться деформации разного знака. При включении тензорезисторов в мостовую схему таким образом, что тензорезисторы, находящиеся в одинаковых температурных условиях будут включены в соседние плечи мостовой схемы, выходной сигнал, обусловленный изменением сопротивлений тензорезисторов от давления, будет складываться, а выходной сигнал, обусловленный неравномерным распределением температуры по среднему звену преобразователя перемещений, будет компенсироваться мостовой схемой. При одновременном воздействии на датчик виброускорений все элементы датчика также будут подвергаться воздействию этих виброускорений. При этом в данной конструкции виброустойчивость преобразователя перемещения повышается за счет жесткой связи центра мембраны с центром среднего звена преобразователя перемещения. Кроме того, виброустойчивость преобразователя перемещения дополнительно повышается за счет жесткого соединения его с кронштейном, выполненным за одно целое с корпусом.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемой конструкции датчика давления является уменьшение аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара). У датчиков, выполненных в соответствии с прототипом, аддитивная температурная погрешность достигает 15-20% У датчиков, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, аддитивная температурная погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды не превышает 3-4% Другим преимуществом предлагаемой конструкции датчика давления является повышение виброустойчивости в 2-2,5 раза без ухудшения габаритно-массовых характеристик датчика. При испытании предлагаемой конструкции датчиков в составе изделия отмечена их работоспособность при воздействии максимально достижимых виброускорений 1200-1500 g, тогда как известные датчики давления выдерживают воздействие виброускорений не более 600 g.

Использование: изобретение относится к тензорезисторным датчикам давления и может быть использовано при измерении давлений в условиях воздействия на датчик нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности в датчике давления, содержащем мембрану 2, связанную через упор 4 и передаточное звено 5 с преобразователем 3 перемещения в виде трехзвенной прямоугольной скобы, среднее звено 6 которой расположено перпендикулярно мембране 2, а крайнее звено 13 жестко соединено с корпусом 1, и тензорезисторы 7 - 10, в крайнем звене 13 выполнено отверстие 14, в котором с зазором расположен упор 4, при этом передаточное звено 5 соединено с центром среднего звена 6 скобы со стороны, противоположной расположению тензорезисторов 7 - 10. 1 ил.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с мембраной, центр которой соединен через упор и передаточное звено с преобразователем перемещения в виде трехзвенной прямоугольной скобы, среднее звено которой расположено перпендикулярно плоскости мембраны, а крайнее звено соединено с корпусом, и тензорезисторы, расположенные на среднем звене скобы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в крайнем звене скобы выполнено отверстие, в котором с зазором установлен упор, при этом передаточное звено соединено с центром среднего звена преобразователя перемещения со стороны, противоположной тензорезисторам, а крайнее звено скобы жестко соединено с корпусом.