ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления в различных областях науки и техники, в частности в системах управления, регулирования и контроля, где требуется повышенная надежность и точность.

Известен датчик давления, содержащий корпус с мембраной и гибкие балки, соединенные с одной стороны с центром мамебраны и корпусом и с другой стороны с тензометрическим преобразователем, выполненным в виде диска с жестким буртом и крестообразной прорезью в центре, образующей упругие консоли с тензорезисторами, причем гибкие балки, соединенные с центром мембраны и корпусом, присоединены соответственно с консолям, расположенным одна против другой [1]
Недостатком известного датчика давления является невысокий уровень надежности, связанный с закреплением тензометрического преобразователя на корпусе при помощи гибких балок, а также ограниченные функциональные возможности вследствие сложности создания независимого дополнительного канала измерения давления, идентичного имеющемуся каналу.

Наиболее близким аналогом изобретения является датчик давления, содержащий корпус со штуцером, установленное в корпусе основание с прикрепленной к нему упругой балкой с размещенными вдоль ее продольной оси тензорезисторами, соединенными в мостовую схему, мембрану, связанную с центром упругой балки с помощью штока, пропущенного через отверстие основания, контактную колодку, соединяющую контактные площадки тензорезисторов с внешними выводами, причем упругая балка расположенная в диаметральной плоскости мембраны и закреплена на основании своими концами [2]
Недостатком известной конструкции датчика давления является надежность и неудовлетворительная точность вследствие ограниченной чувствительности применения упругой балки, а также из-за влияния температурных погрешностей.

Недостатком известной конструкции является также ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности размещения на балке дополнительных тензорезисторов и других элементов, необходимых для организации дополнительного независимого канала измерения или для организации систем диагностирования вследствие ограниченных поперечных размеров балки в местах размещения тензорезисторов.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение надежности и точности измерения давления, а также расширения функциональных возможностей.

Это достигает тем, что упругая балка закреплена на первых дополнительных выступах, сформированных на периферии основания симметрично его продольной оси и выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов симметрично относительно центра параллелепипеда выполнены четыре цилиндрических сквозных отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, контактная колодка закреплена на вторых дополнительных выступах, сформированных на основании на удалении от первых дополнительных выступах, при этом тензорезисторы, размещенные над отверстиями, выполненными в центральной части параллелепипеда, соединены с ближайшими тензорезисторами, размещенными над отверстиями, выполненными в периферийной части параллелепипеда при помощи общих контактных площадок, а остальные тензорезисторов в мостовую схему выполнены микропроводами, соединяющими контактные площади тензорезисторов с контактами контактной колодки и проводами, соединяющими контакты контактной колодки и имеющими существенно меньшие сопротивления по сравнению с сопротивлением микропроводов. Кроме того, тензорезисторы выполнены с расширенными центральными частями, размещенными в областях наименьшей толщены перемычек между внешней поверхностью параллелепипеда и соответствующим отверстием, а микропровода, соединяющие общие контактные площадки с контактами колодки, присоединены к середине общих контактных площадок, при этом длина L микропроводов, соединяющих другие контактные площадки с контактами колодки, выполнены в соответствии с соотношением:

где ρ_s- поверхностное удельное сопротивление контактных площадок;
L_s длина общей контактной площадки;
d диаметр микропровода;
ρ удельное сопротивление микропровода;
b_s ширина общей контактной площадки.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого датчика давления. Соотношения между элементами конструкции для наглядности изменены. Датчик давления содержит корпус 1 со штуцером 2, установленное в корпус основание 3 с прикрепленной к нему упругой балкой 4 с размещенными вдоль ее продольной оси тензорезисторами 5, соединенными в мостовую схему, мембрану 6. связанная с центром упругой балки с помощью штока 7, пропущенного через отверстие 8 основания 3. Контактная колодка 9 соединяет контактные площадки тензорезисторов 10- 15 c внешними выводами 16. Упругая балка 4 размещена параллельно диаметру мембраны и закреплена своими краями на первых дополнительных выступах 17, сформированных на периферии основания симметрично его центра. Упругая балка 4 выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы 5, а в боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов 5 симметрично относительно центра упругой балки выполнены четыре цилиндрических сквозных отверстия 18, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси упругой балки. Контактная колодка 9 закреплена на вторых дополнительных выступах 19, сформированных на основании на удалении от первых дополнительных выступов. Тензорезисторы, размещенные над отверстиями, выполненными в центральной части балки, соединены с ближайшими тензорезисторами, размещенными над отверстиями, выполненными в периферийной части балки при помощи общих контактных площадок 11 и 14, а остальные соединения тензорезисторов в мостовую схему выполнены микропроводами 20, соединяющими контактные площадки тензорезисторов с контактами 21 контактной колодки 9 и проводами 22, 23, соединяющими контакты контактной колодки и имеющими существенно меньшее сопротивление по сравнению с сопротивлением микропроводов. Тензорезисторы выполнены с расширенными центральными частями 24, размещенными в областях наименьшей толщины перемычки между верхним основанием балки и соответствующим отверстием. Микропровода 20, соединяющие общие контактные площадки 11, 14 с контактами 21 колодки 9, присоединены к середине общих контактных площадок 11, 14, а длина микропроводов выполнена в соответствии с соотношением

где ρ_s поверхностное удельное сопротивление контактных площадок;
L_s длина общей контактной площади;
d диаметр микропровода;
ρ удельное сопротивление микропровода;
b_s ширина общей контактной площадки.

При r_s=0,025 Ом/□, L_s 1,0 мм; d 0,030 мм; ρ 2,4• 10^-5 Ом•мм; b_s 0,4 мм, длина микропроводов равна 1,8 мм.

Датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 6. Мембрана 6, а вместе с ней и упругая балка 4 деформируется. Деформация упругой балки воспринимаются размещенными на ней тензорезисторами 5. Изменения сопротивлений тензорезисторов, вызванные деформацией балки 4, преобразуются мостовой схемой, в которую включены тензорезисторы 5, в выходное напряжение, снимаемое через контакты 21 контактной колодки 9 с внешних 16. Погрешность измерения датчика по п. 1 формулы составляет в условиях эксплуатации от минус 60 до + 200 ^o C не более 1 датчика по п.2 формулы не более 0,8 датчика по п.3 формулы не более 0,6

Использование: датчик предназначен для использования в системах управления, регулирования и контроля, где требуется повышенная надежность и точность. Сущность изобретения: датчик давления содержит корпус 1 со штуцером 2, основание 3, упругую балку 4, тензорезистор 5, соединенные в мостовую схему, мембрану 6, шток 7, пропущенный через отверстие 8 основания 3, контактную площадку 9, первые дополнительные выступы 17, сформированные на периферии основания симметрично его центра, четыре цилиндрических сквозных отверстия 18, продольные оси которые перпендикулярны продольной оси упругой балки, вторые дополнительные выступы 19, сформированные на основании на удалении от первых дополнительных выступов, микропровода 20, 22, 23, контакты 21. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Датчик давления, содержащий корпус с штуцером, установленное в корпусе основание с прикрепленной к нему упругой балкой с размещенными вдоль ее продольной оси тензорезисторами с контактными площадками, соединенными в мостовую схему, мембрану, связанную с центром упругой балки с помощью штока, пропущенного через отверстие основания, контактную колодку, соединяющую контактные площадки тензорезисторов с внешними выводами, причем упругая балка расположена в диаметральной плоскости мембраны и закреплена на основании своими концами, отличающийся тем, что упругая балка закреплена на первых дополнительных выступах, сформированных на периферии основания симметрично его продольной центральной оси, и выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов симметрично относительно центра параллелепипеда выполнены четыре цилиндрических сквозных отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, контактная колодка закреплена на вторых дополнительных выступах, сформированных на основании на удалении от первых дополнительных выступов, при этом тензорезисторы, размещенные над отверстиями, выполненными в центральной части параллелепипеда, соединены с ближайшими тензорезисторами, размещенными над отверстиями, выполненными в периферийной части параллелепипеда, при помощи общих контактных площадок, а остальные соединения тензорезисторов в мостовую схему выполнены микропроводами, соединяющими контактные площадки тензорезисторов с контактами контактной колодки, и проводами, соединяющими контакты контактной колодки и имеющими меньшие сопротивления по сравнению с сопротивлением микропроводов. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезисторы выполнены с расширенными центральными частями, размещенными в областях наименьшей толщины перемычки между внешней поверхностью параллелепипеда и соответствующим отверстием. 3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что микропровода, соединяющие общие контактные площадки с контактами колодки, присоединены к середине общих контактных площадок, а длина l микропроводов, соединяющих другие контактные площадки с контактами колодки, выполнена в соответствии с соотношением

где ρ_s поверхностное удельное сопротивление контактных площадок, Oм/□;
l_s длина общей контактной площадки, мм;
d диаметр микропровода, мм;
ρ удельное сопротивление микропровода, Ом/мм;
b_s ширина общей контактной площадки, мм.