ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления газовых и жидких сред, например, в системах контроля газовых и нефтяных трубопроводов.

Известен тензорезисторный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде тонкостенного цилиндра с основанием сферической формы и тензорезисторы, наклеенные вдоль образующей цилиндра /1/.

Недостатком этого датчика является малая чувствительность.

Наиболее близким техническим решением является датчик давления, содержащий упругий элемент в виде тонкостенного цилиндра с наклеенными на наружной поверхности вдоль образующих цилиндра тензорезисторами, из которых два активных и два компенсационные. Тензорезисторы электрически соединены в мостовую схему /2/.

В датчиках этого типа не реализуется возможность максимального повышения чувствительности из-за нерационального размещения тензорезисторов.

Задачей изобретения является повышение чувствительности датчика.

Поставленная задача достигается благодаря использованию особенностей краевого эффекта пассивные компенсационные тензорезисторы становятся активными благодаря размещению их на наружной стенке цилиндра в месте сопряжения стенки с донной частью на определенной длине, где возникают изгибные и напряжения сжатия, причем продольные оси тензорезисторов параллельны образующей цилиндра, а растянутые терзорезисторы размещаются вдоль образующей вектора эквивалентного напряжения растяжения, т.е. под углом 63^o26' к образующей цилиндра.

На чертеже представлена конструкция датчика давления.

Датчик содержит упругий элемент в виде полого тонкостенного цилиндра 1 с жестким дном, выполненного заодно с присоединительным резьбовым штуцером 2. На наружной поверхности тонкой стенки наклеены две пары тензорезисторов, причем одна пара 3 расположена на трубчатом участке цилиндра под углом 63^o26' к образующей цилиндра, а другая пара тензорезисторов 4 расположена в месте сопряжения тонкой стенки с жестким дном. Обе пары тензорезисторов 3 и 4 являются активными и электрически соединены в полный измерительный мост с 4-мя активными плечами. Датчик имеет защитный кожух 5 с разъемом 6. Давление среды подается во внутреннюю полость упругого элемента.

Датчик давления работает следующим образом.

Под воздействием давления среды на наружной поверхности тонкой стенки цилиндра возникает напряженное состояние растяжения в осевом направлении и в тангенциальном с эквивалентным значением
Направление вектора эквивалентного напряжения к образующей цилиндра
В то же время в области сопряжения тонкой стенки с жестким дном в силу особенности краевого эффекта изгибное напряжение сжатия вдоль образующей цилиндра. Длина сжатого участка определяется выражением:

где P давление среды;
R внутренний радиус цилиндра;
δ толщина стенки;
E модуль упругости материала;
m коэффициент Пуассона;
D жесткость стенки цилиндра при изгибе
μ коэффициент Пуассона.

Максимальная величина изгибного напряжения сжатия в месте сопряжения тонкой стенки с жестким дном:

а среднее значение:

Таким образом, пары тензорезисторов, наклеенные по предлагаемой топологии, испытывают противоположные по знаку напряжения, соизмеримые по абсолютному значению.

Рассчитав толщины стенок цилиндра на сжатом и растянутом участках, можно получить сбалансированный полный измерительный мост и повысить чувствительность датчика вдвое по сравнению с прототипом.

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления газовых и жидких сред, например, в системах контроля газовых и нефтяных трубопроводов. Цель - максимальное повышение чувствительности датчика. Сущность изобретения: цель реализуется за счет того, что две пары тензорезисторов размещены на боковой стенке цилиндра 1, одна из которых пара 3 - под определенным углом к образующей цилиндра, а другая пара 4 - параллельно ей в месте сопряжения стенки с донной частью на определенной длине. Тензорезисторы соединены между собой в полный измерительный мост. 1 ил.

Датчик давления, содержащий упругий элемент в виде полого тонкостенного цилиндра с жестким дном, выполненного заодно с присоединительным штуцером, две пары тензорезисторов, наклеенных на наружной поверхности цилиндра, соединенных в полный измерительный мост, отличающийся тем, что в нем одна пара тензорезисторов расположена под углом 63^o26' к образующей цилиндра, а другая пара тензорезисторов расположена параллельно образующей цилиндра в области сопряжения стенки цилиндра с донной частью на участке длиной

считая от внутреннего торца жесткого дна цилиндра,
где Е модуль упругости материала;
δ - толщина стенки;
R средний радиус цилиндра;
D жесткость стенки цилиндра при изгибе:
μ - коэффициент Пуассона.