ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01L13/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению давления электрическими методами на основе тензорезисторного эффекта в полупроводниках.

При измерении разности давлений измеряемые давления действуют на полупроводниковой чувствительный элемент, например, мембранного типа, с планарной и противоположной ей стороны, что усложняе снятие электрического сигнала с тензорезисторов.

Еще более усложняется задача, если измеряемые давления создаются агрессивной средой, а также, если действуют перегрузочные давления как с обеих сторон чувствительного элемента, так и с любой одной стороны.

В этом случае необходимо датчик снабжать устройством, предохраняющим чувствительный элемент от поломки при перегрузочном давлении.

Известен датчик разности давлений (P₁-P₂) [1] содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Между полостями в корпусе закреплена мембрана и полупроводниковый чувствительный элемент, выводы которого электрически соединены с электрическими гермовыводами, закрепленными в корпусе. На внешней поверхности корпуса закреплены герметично с зазором от корпуса две профилированные мембраны, каждая из которых сообщена через отверстие с соответствующей полостью [1]
В известном датчике мембрана, закрепленная между полостями в корпусе, при повышении перепада давления перемещается, не позволяя тем самым перепаду давления превысить допустимый уровень и предотвращая таким образом разрушение чувствительного элемента.

Однако известный датчик разности давления имеет повышенную погрешность измерения, так как при измерении все три мембраны участвуют в работе. Все несовершенства упругих характеристик мембран при перемещении их во всем диапазоне измерения перепада давления суммируются. Кроме того, уменьшается чувствительность датчика, так как жесткостные характеристики всех мембран также складываются.

Частично эти недостатки устранены в датчике разности давлений [2]
Этот датчик является наиболее близким к предложенному и содержит корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Между полостями в корпусе закреплен полупроводниковый чувствительный элемент. На внешней поверхности корпуса закреплены герметично с зазором от корпуса две профилированные воспринимающие давление мембраны, каждая из которых сообщена через отверстие с соответствующей полостью. Между полостями в корпусе герметично закреплен также сильфон. При этом между подвижной крышкой сильфона и корпусом в одной из полостей размещена пружина сжатия.

Однако такая конструкция датчика не решает полностью задачу увеличения точности измерения.

Это обусловлено следующим.

Из-за необходимости перемещения подвижной крышки сильфона в противоположных направлениях (перегрузочные давления могут действовать как с одной, так и с другой стороны сильфона) между гофрами сильфона принципиально должны быть зазоры.

При измерении давления, хотя подвижная крышка (дно) сильфона и не перемещается, гофры или отдельные элементы гофров сильфона деформируются измеряемым давлением, при этом происходит изменение объемов жидкости в полостях датчика, что приводит к изменению положений мембран, воспринимающих давление и имеющих несовершенные упругие характеристики и, как следствие, к изменению перепада давлений на чувствительном элементе в исходном состоянии и изменению выходного сигнала датчика, т.е. к увеличению погрешности.

Кроме того при воздействии высоких перегрузочных давлений происходит обжатие сильфона, т. е. изменение его геометрических размеров и эффективной площади, при этом гофры или отдельные элементы гофров сильфона деформируются (при этом возможны остаточные деформации) и, как следствие, происходит изменение объемов полостей. Изменение объемов полостей приводит к изменению положений мембран, воспринимающих давление, что приводит к изменению перепада давлений на чувствительном элементе в исходном состоянии и изменению нулевого выходного сигнала (изменение "0") т.е. к увеличению погрешности.

Снизить эти погрешности можно упрочнением сильфона, т.е. увеличением его жесткости. В этом случае для перемещения подвижной крышки сильфона повышенной жесткости необходимо значительное давление, которое однако может стать перегрузочным для чувствительного элемента (ЧЭ). Поэтому сильфон повышенной жесткости нельзя устанавливать в датчик, измеряющий малые перепады давления, ЧЭ которого плохо держит перегрузочные давления. Таким образом, задача повышения точности измерения разности давлений в условиях воздействия высоких перегрузочных давлений остается актуальной.

Предлагаемое изобретение направлено на решение указанной задачи.

Для этого в датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости первая и вторая, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление профилированной мембраной, расположенной с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично закреплены полупроводниковый чуствительный элемент с тензорезисторами и первый сильфон, причем между подвижной крышкой сильфона и корпусом во второй полости размещена первая пружина сжатия, введены вторая дополнительная пружина сжатия и второй дополнительный сильфон, который герметично закреплен между полостями корпуса, а дополнительная пружина сжатия размещена между подвижной крышкой дополнительно сильфона и корпусом в первой его полости, при этом гофры сильфонов сжаты до упора.

Именно последнее обстоятельство позволяет свести до минимума изменение геометрических размеров и эффективной площади сильфона при воздействии как измерительного, так и перегрузочных давлений и таким образом избежать смещений "0" датчика и практически исключить влияние мембран на точность измерения.

На чертеже изображен предложенный датчик.

Датчик разности давлений содержит мембраны 1, 2, воспринимающие давление, полости корпуса 3, 4, полупроводниковый чувствительный элемент 5 с тензорезисторами, проводники 6, гермовыводы 7, сильфон 8, пружину сжатия 9, корпус 10, дополнительный сильфон 11, дополнительную пружину сжатия 12.

Датчик разности давлений работает следующим образом.

При подаче давления P₁ на мембрану 1 и давления P₂ на мембрану 2 из-за разности (P₁-P₂) мембрана 1 вызывает давление жидкости в полости 3 корпуса 10. Тензорезисторы полупроводникового чувствительного элемента 5 деформируются и вырабатывается выходной электрический сигнал, который через монтажные проводники 6 и гермовыводы 7 выводится на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).

Поскольку в процессе измерения гофры сильфона 8, подпружиненные пружиной 9, сжаты до упора, изменение геометрических размеров сильфона не происходит, эффективная площадь его остается постоянной и значит постоянным остается объем полостей 3 и 4, что увеличивает точность измерения (любое изменение объемов полостей 3 и 4 в процессе измерения приводит к изменению положения мембран 1, 2, воспринимающих давление, и потере точности измерения на полупроводниковом чувствительном элементе).

В то же время при воздействии перегрузочного давления, например, со стороны P₁ сильфон 7 начинает разжиматься и давление в объеме падает (предохраняется полупроводниковый чувствительный элемент от разрушения), а затем мембрана 1 ложится на профилированную поверхность корпуса и рост давления в объеме прекращается. Аналогичная картина происходит при воздействии перегрузочного давления со стороны P₂, где в работу вступает дополнительный сильфон 11 и дополнительная пружина 12.

В связи с тем, что гофры сильфонов в обеих полостях сжаты до упора, то при воздействии перегрузочных давлений изменение геометрических размеров и эффективной площади сильфона в соответствующей полости (где возникло перегрузочное давление) минимально, а значит минимально изменение объемов полостей.

При этом в связи с тем, что пружины предварительно сжаты (чтобы сжать гофры сильфонов), диапазон измерительного давления лежит в области, когда усилие, развиваемое сильфоном от этого давления, недостаточно, чтобы преодолеть усилие пружин. Это обуславливает неподвижность системы "сильфон - пружина" в области измерения и отсутствия ее влияния на точность измерения разности давлений.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензорезисторным датчикам давления, и может быть использовано при измерении давления различных сред. Цель - снижение погрешности измерения. Сущность изобретения: В датчик разности давлений, содержащий корпус с двумя полостями 3, 4, заполненными малосжимаемой электроизоляционной жидкостью и загерметизированными профилированными мембранами 1, 2 полупроводниковый чувствительный элемент 5 и сильфон 8, между подвижной крышкой которого и корпусом размещена пружина сжатия 8, введены дополнительная пружина сжатия 12 и дополнительный сильфон 11, который герметично закреплен между полостями, а дополнительная пружина сжатия 12 размещена между подвижной крышкой дополнительного сильфона 11 и корпусом 10, при этом гофр сильфонов 8, 11 сжаты до упора. 1 ил.

Датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости первая и вторая, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление профилированной мембраной, расположенной с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично закреплены полупроводниковый чувствительный элемент с тензорезисторами и первый сильфон, причем между подвижной крышкой первого сильфона и корпусом во второй полости размещена первая пружина сжатия, отличающийся тем, что в него введены вторая дополнительная пружина сжатия и второй дополнительный сильфон, который герметично закреплен между полостями корпуса, а дополнительная пружина сжатия размещена между подвижной крышкой дополнительного сильфона и корпусом в первой его полости, при этом гофры сильфонов сжаты до упора.