ДАТЧИК РЕЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01L13/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений агрегатов авиационной, ракетной и космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).

Известны датчики разности давлений, содержащие плоский корпус с расположенной в центре его внутренней рабочей полостью, заполненной разделительной жидкостью, отделенной от измеряемой среды с помощью жестких фильтров, установленных в корпусе заподлицо с двух его противоположных торцов, и размещенный в рабочей полости преобразователь давления, выполненный в виде диска, имеющего осевое отверстие, и на цилиндрической стенке тензорезисторы, причем диск по периферии укреплен на внутренней стенке камеры с помощью эластичного кольца [1]
Недостатком этих датчиков является значительная погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды, обусловленная наличием разделительной жидкости, а также неоптимальным расположением тензорезисторов на упругом элементе, так как тензорезисторы, воспринимающие деформации одного знака, находятся в одинаковых температурных условиях. При включении таких тензорезисторов в мостовую схему для увеличения чувствительности тензорезисторы, воспринимающие деформации одного знака, необходимо включать в противоположные плечи мостовой схемы, так как только при таком включении чувствительности отдельных резисторов деформации будут складываться, при этом температурные погрешности также будут складываться, так как тензорезисторы, включенные в противоположные плечи мостовой схемы, находятся в одинаковых температурных условиях.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является датчик разности давлений, содержащий корпус, два цилиндрических штуцера, на торцовых поверхностях которых жестко закреплены две параллельные приемные мембраны, между центрами которых размещен диск с перемычками, расположенными в одной из его диаметральных плоскостей и соединенными с кольцом, расположенным концентрически относительно диска, а мостовая тензочувствительная схема расположена на поверхности перемычки [2]
Недостатком такой конструкции датчика разности давлений также является значительная погрешность при воздействии нестационарных температур измеряемых сред вследствие неравномерного распределения температуры по перемычке, так как быстрее воспринимают температуру измеряемой среды тензорезисторы, расположенные ближе к диску, а затем уже тензорезисторы, расположенные ближе к кольцу.

Устранить данный недостаток включением тензорезисторов в мостовую схему в данной конструкции невозможно, так как для обеспечения максимальной чувствительности в ней необходимо включение тензорезисторов, расположенных ближе к диску, в противоположные, по сравнению с тензорезисторами, расположенными ближе к кольцу, плечи мостовой схемы. Вследствие того, что тензорезисторы, расположенные ближе к кольцу, находятся в других температурных условиях, по сравнению с тензорезисторами, находящимися ближе к диску, то очевидно, что аддитивная температурная погрешность таких датчиков будет весьма значительна.

Кроме того, такая конструкция датчика разности давлений предполагает размещение тензорезисторов на перемычке, расположенной ниже уровня торцовых поверхностей кольца и диска, что приводит к низкой технологичности изготовления датчиков при формировании тензочувствительности схемы методами тонкопленочной технологии, так как формирование тензосхемы на существующем оборудовании в выемках, углублениях и т.п. весьма затруднено.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности и повышение технологичности за счет облегчения настройки начального выходного сигнала.

Для этого в датчик разности давлений, введены два кольца, охватывающие поверхность штуцеров и соединенные между собой упругими балками, жесткие центры которых соединены с перемычками диска, а мостовая тензочувствительная схема сформирована на поверхности по крайней мере одной из балок.

На внутренних поверхностях колец и цилиндрических поверхностях штуцеров может быть выполнена резьба.

Между внутренними поверхностями колец и наружными цилиндрическими поверхностями штуцеров могут быть помещены втулки из материала с меньшим, по сравнению с материалами штуцеров и колец, коэффициентом теплопроводности.

На чертеже изображен предлагаемый датчик разности давлений в разрезе.

Датчик состоит из корпуса 1, двух цилиндрических штуцеров 2 и 3, на торцовых поверхностях которых выполнены две параллельные приемные мембраны 4 и 5, между центрами которых размещен диск 6 с перемычками 7 и 8, расположенными в одной из его диаметральных плоскостей. Перемычки жестко соединены с жесткими центрами балок 9 и 10, расположенных перпендикулярно плоскостям мембран. Края балок жестко закреплены на двух кольцах 11 и 12, расположенных параллельно плоскостям мембран. Кольца своими внутренними поверхностями закреплены на цилиндрических поверхностях штуцеров при помощи резьбы. Все детали датчика выполнены из сплава 36НХТЮ.

Мостовая тензочувствительная схема, состоящая из тензорезисторов 13-16, сформирована методом тонкопленочной технологии на расположенной перпендикулярно радиусу диска поверхности одной из балок. Тензорезисторы 13 и 14, 15 и 16, расположенные по одну сторону относительно жесткого центра, включены в противоположные плечи мостовой схемы. Тензорезисторы при помощи гибких выводов 17 соединены с гермовводами 18. Для повышения информативности и надежности на поверхности второй балки также сформирована тензочувствительная схема из тензорезисторов 19-22. Тензорезисторы 19 и 20, 21 и 22, расположенные по одну сторону относительно жесткого центра, включены в противоположные плечи мостовой схемы. Тензорезисторы при помощи гибких выводов 23 соединены с гермовводами 24.

Для дальнейшего уменьшения погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды между внутренними поверхностями колец и наружными цилиндрическими поверхностями штуцеров могут быть помещены втулки (на фиг. 1 не показаны) из материала с меньшим, по сравнению с материалами штуцеров и колец, коэффициентом теплопроводности.

Датчик работает следующим образом.

При воздействии на мембраны датчика измеряемых давлений Р₁, Р₂ с нестационарными температурами измеряемых сред t₁ и t₂, например, при заполнении контролируемых магистралей ЖРД топливом или окислителем с температурой, значительно отличающейся от температуры, при которой проводилась подготовка к пуску, мембраны и расположенные между ними диск и перемычки будут прогибаться в ту или иную сторону в зависимости от разности воздействующих давлений. Поскольку перемычки жестко соединены с жесткими центрами расположенных перпендикулярно плоскостям мембран балок, края которых жестко закреплены на расположенных параллельно плоскостям мембран двух кольцах, жестко закрепленных своими внутренними поверхностями на цилиндрических поверхностях штуцеров, то балки подвергнутся воздействию преимущественно изгибающих моментов. При этом тензорезисторы, расположенные по одну сторону относительно жесткого центра, включены в противоположные плечи мостовой схемы, поэтому выходной сигнал мостовой схемы будет увеличиваться с увеличением разности давлений. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды произойдет постепенное восприятие температуры измеряемой среды балками и тензорезисторами через мембраны и перемычки (1-й путь) и через цилиндрические части штуцеров и кольца (2-й путь). При этом, если температуры измеряемых сред, подаваемых в оба штуцера изменяются по близкому закону, что довольно часто встречается при практическом использовании датчиков разности давлений в двигателях последней модификации, то тензорезисторы, расположенные по одну сторону относительно жесткого центра, будут находиться в примерно одинаковых температурных условиях по сравнению с тензорезисторами, расположенными по другую сторону жесткого центра. Поскольку эти тензорезисторы включены в противоположные плечи мостовой схемы, то паразитные сигналы, обусловленные нестационарными температурами измеряемых сред, будут вычитаться, т.е. аддитивная температурная погрешность от воздействия нестационарных температур измеряемых сред уменьшится. Мостовая тензочувствительная схема расположена на ровной поверхности (а не в выемке), поэтому формирование ее можно осуществлять на серийно выпускаемом оборудовании без применения сложной оснастки.

При необходимости предлагаемая конструкция позволяет легко увеличивать информативность и надежность датчика за счет формирования дополнительной тензочувствительной схемы на свободной балке (тензорезисторы 19-22), что позволяет создавать дополнительный информативный канал, например, для систем аварийной защиты.

Предлагаемая конструкция позволяет просто осуществлять настройку датчика по начальному выходному сигналу при изготовлении. Настройка осуществляется за счет резьб, выполненных на внутренних поверхностях колец и цилиндрических поверхностях штуцеров. При этом в зависимости от знака начального выходного сигнала в соответствующее кольцо вворачивают тот или иной штуцер. После окончания настройки резьбу фиксируют компаундом ЭПК-1. Для дальнейшего уменьшения погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемых сред в случае существенного отличия законов изменения температур измеряемых сред, подаваемых в штуцеры, между внутренними поверхностями колец и наружными цилиндрическими поверхностями штуцеров помещены втулки из материала с меньшим, по сравнению с материалами штуцеров и колец, коэффициентом теплопроводности. В качестве материала втулок может быть использован фарфор, некоторые виды стекол, имеющие в 50-100 раз меньшее значение коэффициента теплопроводности по сравнению с металлическими сплавами типа 36НХТЮ. В этом случае балки будут воспринимать температуру измеряемой среды преимущественно через перемычки, так как термическое сопротивление теплопередачи через цилиндрические части штуцеров и кольца будут больше термического сопротивления теплопередачи через перемычки.

В этом случае тензорезисторы, расположенные по одну сторону относительно жесткого центра, будут находиться в примерно одинаковых температурных условиях по сравнению с тензорезисторами, расположенными по другую сторону жесткого центра. Эти тензорезисторы включены в противоположные плечи мостовой схемы, то паразитные сигналы, обусловленные нестационарными температурными измеряемых сред, будут вычитаться, т.е. аддитивная температурная погрешность от воздействия нестационарных температур измеряемых сред уменьшится.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемой конструкции датчика давления является повышение точности измерения за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарных температур измеряемых сред.

У датчиков, выполненных в соответствии с прототипом, аддитивная температурная погрешность при воздействии термоудара от +25±10^оС доминус 196^оС достигает 20-25% У датчиков, выполненных в соответствии с предлагаемым техническим решением, аддитивная температурная погрешность не превышает 3-4% при воздействии термоудара от +25±10^оС до минус 196^оС с близким законом изменения на оба приемных штуцера и 5-6% при воздействии термоудара от +25±10^оС до минус 196^оС на один из приемных штуцеров.

Технологичность предлагаемой конструкции повышена, так как она позволяет осуществить формирование тензочувствительной схемы методами металлопленочной технологии.

Предлагаемая конструкция обладает повышенной надежностью и информативностью за счет применения дополнительной электрически независимой тензочувствительной схемы.

Настройка начального выходного сигнала в предлагаемой конструкции более технологична, так как в отличие от прототипа позволяет проводить настройку механическим путем.

Использование: в качестве тензорезисторных датчиков давления при измерении давления с повышенной точностью в агрегатах, подверженных воздействию нестационарной температуры измеряемой среды. Сущность изобретения: в датчик давления, содержащий два штуцера 2 и 3 с мембранами 4 и 5, между которыми размещен диск 6 с перемычками 7 и 8, и тензорезисторный мост, выведены два кольца 11 и 12, закрепленных на штуцерах и соединенных между собой упругими балками 9 и 10. Жесткие центры балок 9 и 10 соединены с перемычками 7 и 8, а тензорезисторы 13 16 и 19 22 расположены на соответствующих балках 9 и 10. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ДАТЧИК РЕЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ, содержащий корпус, два расположенных соосно цилиндрических штуцера, на торцевых поверхностях которых выполнены мембраны, между центрами которых размещен диск с перемычками, и тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при воздействии нестационарных температур, в него введены два кольца, охватывающие внешнюю поверхность штуцеров и соединенные между собой упругими балками, жесткие центры которых соединены с перемычками диска, а тензорезисторы расположены на поверхности по крайней мере одной из балок. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности настройки, на внутренней поверхности колец и поверхности штуцеров выполнена резьба. 3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что между кольцами и штуцерами установлены втулки из материала с меньшим по сравнению с материалами штуцеров и колец коэффициентом теплопроводности.