ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L19/06 

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

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 недостоточной 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 произойдет резонанс и разрушение конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является тензорезисторный датчик давления, содержащий чувствительный элемент, накидную гайку, цилиндрический корпус, частично расположенный внутри накидной гайки, с размещенными в нем элементами коммутации и компенсации, залитыми связующим материалом, кабельный ввод и кабельную перемычку [2]
Недостатком известной конструкции датчика давления является разрушение кабельной перемычки в месте ее ввода вследствие воздействия виброускорений. Это обусловлено тем, что в силу конструктивных особенностей датчиков давления с накидной гайкой в связи с тем, что корпус частично находится внутри накидной гайки его вынуждены выполнять с небольшим поперечным сечением, так как увеличение поперечного сечения приведет к резкому ухудшению габаритов. Поэтому для размещения в корпусе элементов датчика его приходится вытягивать в длину. Воздействие повышенных виброускорений на датчик приводит к значительному превышению виброускорений, воздействующих на кабельный ввод, закрепленный на конце длинного корпуса, вследствие резонансных явлений.

Изобретение направлено на повышение виброустойчивости датчика давления за счет оптимального расположения элементов конструкции, уменьшения длины корпуса и приближения места ввода кабельной перемычки к штуцеру изделия.

Это достигается за счет того, что в датчик давления, содержащий чувствительный элемент, накидную гайку, цилиндрический корпус, частично расположенный внутри накидной гайки с размещенными в нем элементами коммутации, залитыми связующим материалом, кабельный ввод и кабельную перемычку, введена установленная на корпусе датчика со стороны, противолежащей чувствительному элементу, глухая резьбовая втулка, на боковой поверхности которой сформирован выполненный с ней за одно целое цилиндрический патрубок, расположенный к корпусу под острым углом, определяемым из соотношения
α arctg где D_г диаметр окружности, описанной вокруг накидной гайки;
D_к наружный диаметр корпуса;
D_гв внутренний диаметр накидной гайки;
h расстояние от накидной гайки до места соединения патрубка с втулкой;
S шаг резьбы накидной гайки.

Отличием предлагаемого датчика давления является то, что расстояние L от втулки до накидной гайки выбрано из соотношения
< L < S где S шаг резьбы накидной гайки.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления в разрезе, установленного на штуцере изделия; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

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 чувствительного элемента, а с другой стороны с проводами 7 кабельной перемычки. На контактную колодку надета герметизирующая втулка 8, которая с одной стороны по торцу сварена с контактной колодкой, а с другой стороны с чувствительным элементом. Герметизирующая втулка обеспечивает герметичность внутренней замембранной полости датчика. Контактная колодка и провода залиты связующим материалом эпоксидным компаундом (ПК-1). На корпус датчика со стороны, противолежащей чувствительному элементу, навинчена на клее ЭПК-1 цилиндрическая втулка 9, на боковой поверхности которой сформирован выполненный с ней за одно целое патрубок 10, при помощи которого кабельная перемычка 11 присоединяется к корпусу датчика. Угол между продольной осью патрубка и продольной осью корпуса выбирается в соответствии с предлагаемым решением. Датчик давления установлен на штуцер 12 изделия. Прокладка 13 служит для обеспечения герметичности соединения датчика с штуцером. Расстояние L от втулки 9 до накидной гайки 2 выбрано из соотношения
< L < S
Формирование цилиндрической втулки с патрубком осуществляется в едином технологическом цикле способом литья по выплавляемым моделям из сплава 08Х14Н7МП.

Обоснование выбора предлагаемой конструкции проведем из следующих соображений. Навинчивание цилиндрической втулки на корпус датчика применяется исходя из конструктивно-технологических требований, так как в этом случае отпадает необходимость передачи датчика при его изготовлении с участка на участок (например, сварочный при применении сварки). Применение резьбы в значительной мере снижает опасность усталостного разрушения конструкции. Угол между продольной осью кабельного ввода и продольной осью корпуса выбран исходя из характерных особенностей эксплуатации и демонтажа датчиков в составе ЖРД.

При опытной эксплуатации серийно выпускаемых датчиков Вт 212, аналогичных по конструкции прототипу, обнаружено, что при воздействии на датчик (в месте его установки) виброускорений 1200-2000 g происходит систематический отказ 8-10% установленных на изделие датчиков. При проведении исследований выявлено, что причиной отказов датчиков является разрушение кабельной перемычки в месте присоединения к датчику, обусловленное наличием длинного корпуса, играющего роль резонансной балки, усиливающей амплитуду колебаний, воздействующих на датчик в месте его установки. Воздействие усиленных виброускорений на место заделки кабельной перемычки приводит к разогреву до 400-500^оС (в течение 200 с) и обрыву проводников. В предлагаемой конструкции повышение виброустойчивости достигается приближением кабельной перемычки к штуцеру изделия. Поэтому угол между продольной осью кабельного ввода и продольной осью корпуса выбран как из соображений повышения виброустойчивости, так и свободного проворачивания и необходимого вертикального перемещения накидной гайки. Для повышения виброустойчивости необходимо, чтобы кабельный ввод и кабельная перемычка находились на минимальном расстоянии от накидной гайки. Поэтому в числителе достаточно было бы выражения D_г D_к, но вследствие необходимости свободного проворачивания накидной гайки и несоосности выполнения накидной гайки и корпуса между внутренним диаметром накидной гайки D_гв и наружным диаметром корпуса Dк существует зазор D_гв D_к, который необходимо сложить с выражением D_г D_к. Проведя необходимые преобразования, получаем D_г + D_гв 2D_к. В знаменателе соотношения для угла между продольной осью патрубка и продольной осью корпуса введена удвоенная разность расстояния от накидной гайки до места присоединения к корпусу кабельного ввода и шага резьбы, так как чем больше расстояние от накидной гайки до места присоединения кабельного ввода, тем более острый может быть угол. Уменьшение расстояния от накидной гайки до места присоединения кабельного ввода на величину шага резьбы учитывает возможность вертикального перемещения накидной гайки при снятии датчика с изделия. При выполнении заявляемого соотношения кабельный ввод датчика будет находиться под оптимальным углом к корпусу, так как, с одной стороны, кабельный ввод и кабельная перемычка расположены таким образом, что величина консоли, на которой находятся кабельный ввод и кабельная перемычка, значительно уменьшается, что благоприятно сказывается на повышении виброустойчивости, а, с другой стороны, выбранный угол не препятствует свободному проворачиванию и возможному вертикальному перемещению накидной гайки. Рассматриваемую конструкцию датчика давления целесообразно применять в тех случаях, когда рядом с датчиком давления на изделии имеется свободное место по всей высоте от подножия штуцера до датчика. В этом случае кабельная перемычка датчика плавно изгибается в сторону изделия и дополнительно на нем закрепляется.

Расстояние от втулки до накидной гайки выбрано из соотношения < L < S из следующих соображений. Комплексное воздействие жестких воздействующих факторов при эксплуатации датчиков в составе ЖРД и других подобных объектов приводит к запрессовыванию не только корпуса датчика, но и к затиранию резьбы накидной гайки датчика. Вследствие этого при отвинчивании накидной гайки в момент ее трогания требуется приложить значительно большее усилие, чем при дальнейшем свинчивании. Экспериментально определено, что достаточно свинтить гайку на величину, равную половине шага резьбы, для того, чтобы момент свинчивания уменьшился и стал практически постоянен.

Таким образом, выбором соотношения < L достигается последовательное распределение момента, который необходимо приложить к накидной гайке при свинчивании для ее трогания с места и выталкивания чувствительного элемента из посадочного места.

В первый момент вся энергия момента гаечного ключа направлена на трогание накидной гайки. После свинчивания накидной гайки на величину, равную половине шага резьбы, необходимый момент свинчивания уменьшается и становится постоянным. Дальнейшее свинчивание может проводиться с меньшим усилием до тех пор, пока накидная гайка не приходит в соприкосновении с втулкой. При этом гаечный ключ должен обеспечивать не только свинчивание накидной гайки, но и преодоление усилия запрессовывания корпуса датчика в просадочное место изделия.

Соотношение L < S выбрано исходя из максимального использования длины резьбы посадочного места изделия, так как дальнейшее увеличение размера L приводит к уменьшению расстояния, на котором действует выталкивающая сила, образующаяся при свинчивании накидной гайки.

При воздействии виброускорений амплитудой а_b на датчик элементы датчика также подвергается воздействию этих виброускорений. Вследствие уменьшения длины корпуса и оптимального расположения кабельного ввода виброустойчивость предлагаемого датчика повышается.

Для дальнейшего повышения виброустойчивости при эксплуатации предлагаемого датчика целесообразно допол- нительное крепление кабельной перемычки. Это осуществляется довольно просто при помощи простейшего хомутика. Известные конструкции датчиков давления с накидной гайкой не позволяют осуществлять дополнительно крепление к изделию без применения специальных сложных устройств.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом, предлагаемой конструкции датчика давления, по сравнению с прототипом, является повышение виброустойчивости в 2-5 раз без ухудшения габаритно-массовых характеристик.

При испытаниях предлагаемой конструкции датчика в составе изделия отмечены его работоспособность при воздействии максимально достижимых виброускорений 1200-2200 g, тогда как известные датчики давления выдерживают воздействие виброускорений не более 600 g. Другим преимуществом является повышение технологичности и надежности конструкции за счет сокращения количества сварочных операций на последних этапах изготовления, которые могут привести к выходу из строя уже почти готового датчика.

Использование: в тензорезистивных датчиках давления для измерения давления в агрегатах, подверженных воздействию повышенных виброускорений. Сущность изобретения: в датчик давления, содержащий чувствительный элемент 1, накидную гайку 2, цилиндрический корпус 3 с элементами коммутации, кабельный ввод и кабельную перемычку 11, введена резьбовая втулка 9, на боковой поверхности которой выполнен цилиндрический патрубок 10, расположенный к корпусу 3 под углом, определяемым из определенного соотношения. Расстояние от втулки 9 до накидной гайки 2 выбрано из определенного соотношения, учитывающего шаг резьбы накидной гайки. Цель повышение виброустойчивости датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий чувствительный элемент, накидную гайку, внутри которой частично расположен цилиндрический корпус с элементами коммутации, кабельный ввод и кабельную перемычку, отличающийся тем, что, с целью повышения виброустойчивости, в него введена установленная на цилиндрическом корпусе глухая резьбовая втулка, на боковой поверхности которой выполнен цилиндрический патрубок, расположенный к корпусу под острым углом α определяемым из соотношения

где D_г диаметр описанной окружности накидной гайки;
D_гв внутренний диаметр накидной гайки;
D_к наружный диаметр корпуса;
h расстояние от накидной гайки до места соединения патрубка с втулкой;
s шаг резьбы накидной гайки. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что расстояние L от втулки до накидной гайки выбрано из соотношения
s/2 < L < s.