ДВУХМЕМБРАННЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации избыточного и разности давлений в газовых и жидкостных средах в различных областях народного хозяйства.

Изобретение позволяет защитить от разрушения части двухмембранного тензопреобразователя при случайной подаче повышенного (например, на порядок выше рабочего) давления, связанного с ошибкой оператора или засорением канала подачи давления. В случае тензопреобразователя избыточного давления, а для тензопреобразователя разности давлений защита со стороны приемника и со стороны тензочувствительного элемента.

Известен датчик абсолютного давления, содержащий корпус, мембрану, разделяющую две камеры: измерительную и опорную, упор, ограничивающий перемещение мембраны, упругий элемент, имеющий тонкопленочные тензорезисторы, шток, один конец которого жестко связан о мембраной, а другой пропущен через центральное сквозное отверстие упругого элемента и дополнительный упор с возможностью осевого перемещения на выступающей из упругого элемента части штока, причем дополнительный упор расположен от жесткого центра упругого элемента с зазором, что приводит к свободному состоянию упругого элемента в исходном положении и защищает его от перегрузок атмосферного давления (а.с. СССР N 1081448, кл. G 01 L 9/04, 1984).

К недостаткам датчика относятся сложная в настройке механическая система как упора, ограничивающего перемещение мембраны при атмосферном давлении, разделяющей две камеры, так и дополнительного упора, обеспечивающего работу упругого элемента при подаче малых измеряемых давлений без влияния перегрузок от атмосферного давления в процессе измерений, причем дополнительный упор срабатывает при каком-то пороговом давлении, а данная конструкция является ненадежной в условиях ударных и вибрационных нагрузок.

Кроме того, в данной конструкции упоры не представляют единого целого со штоком, а на резьбе ввинчиваются на шток или основание. Назначение этих упоров заставлять работать упругий элемент только после определенной величины порогового давления защищать процесс измерения малых величин давления от перегрузок атмосферного давления. Упоры ограничивают ход мембраны и упругого элемента только в одном направлении, что для использования в датчике абсолютного давления достаточно.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является двухмембранный тензопреобразователь давления, содержащий тензопреобразователь цилиндрической формы, в котором выполнен приемник давления, основную металлическую мембрану, на тонкой рабочей части которой расположен тензочувствительный элемент на основе "кремний на сапфире" структуры в виде резистивной мостовой схемы, дополнительную усилительную металлическую мембрану, расположенную между основанием и основной мембраной, шток, расположенный соосно с основанием, выполненный за одно целое с рабочей частью основной мембраны и соединенный с толстой жесткой частью дополнительной мембраны, которая соединена с основанием и основной мембраной (Белоглазов А.В. Стучебников В.М. Хасиков Е.Е. Евдокимов В.И. Шадтина А.Г. Полупроводниковые тензопреобразователи силы и давления на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Приборы и системы управления, 1982, N5, с.21,22. Прототип).

Недостатком приведенного двухмембранного тензопреобразователя является его разрушение (разрушение мембран) при подаче на него давлений свыше 30 кгс/см² как со стороны приемника давления, так и со стороны тензочувствительного кристалла, причем рабочим давлением данного прибора является 10 кгс/см², но в ряде использований этого тензопреобразователя требуется его прочность к перепадам давлений до 100 кгс/см² при сохранении всех его метрологических и точностных характеристик.

Одним из способов повышения перегрузочной способности является создание преобразователя с диапазоном измеряемых давлений до уровня перегрузок, например, для измерения 100 кгс/см², но использование его при измерении давлений до 10 кгс/см². Такой способ резко ухудшает все точностные и метрологические характеристики прибора и непригоден для использования в высокоточных приборах.

Другим способом является использование ограничительных упоров в конструкции преобразователя, например, как в аналоге.

Упоры становятся элементом конструкции, определяющим основные характеристики тензопреобразователя.

Целью изобретения является повышение надежности при сохранении линейности и преобразовательной характеристики.

Цель изобретения в двухмембарнном тензопреобразователе давления, содержащем цилиндрическое основание с каналом подвода давления, основную металлическую мембрану, на тонкой рабочей части которой размещен тензочувствительный элемент на основе структуры "кремний на сапфире" в виде резистивной мостовой схемы и дополнительную усилительную мембрану, установленную между основанием и основной мембраной, причем в канале подвода давления размещен шток, один конец которого выполнен за одно целое с рабочей частью основной мембраны, а другой жестко соединен с толстой частью дополнительной металлической мембраны, мембраны выполнены с упорами, симметрично расположенными no окружности за одно целое с толстыми нерабочими частями, причем упоры дополнительной усилительной и основной металлических мембран установлены соответственно над плоской частью основания и толстой частью дополнительной усилительной металлической мембраны на расстоянии, равном прогибу дополнительной усилительной и металлической мембраны при полуторакратном предельном рабочем давлении.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом двухмембранном тензопреобразователе благодаря ограничению хода (прогиба) дополнительной усилительной металлической мембраны, преобразующей давление в силу, связанной через шток, передающий силу к основной мембране, с основной мембраной, имеющей тензочувствительный элемент, работающий на основе тензорезистивного эффекта в кремнии, воспринимающий развивающиеся напряжения в основной металлической мембране от приложенной силы дополнительной усилительной металлической мембраны, ограничивается деформация основной мембраны в обе стороны при подаче повышенного давления (до 1O-кратных величин предельного рабочего давления) как со стороны приемника давления, так и со стороны тензочувствительного элемента, и соответственно происходит ограничение выходного сигнала, что позволяет защищать тензопреобразователь от разрушения (разрушение основной или дополнительной мембран ) в аварийных режимах благодаря использованию ограничительных упоров, выполненных за одно целое с толстыми жесткими частями двух мембран и из одного материала, сохраняются вое метрологические и точностные характеристики преобразователя, а его надежность остается высокой; благодаря упорам, не действующим непосредственно на тонкую рабочую часть дополнительной усилительной металлической мембраны и не влияющим соответственно на процесс преобразования давления в силу и распределение деформаций в основной мембране, сохраняются линейность и преобразовательная характеристика прибора; благодаря расположению упоров на расстоянии, равном прогибу дополнительной усилительной металлической мембраны при полуторакратном предельном рабочем давлении (ограничение величины прогиба дополнительной усилительной металлической мембраны), сохраняются линейность и точностные характеристики для данного преобразователя при давлениях до предельного рабочего давления, при этом указанная величина прогиба дополнительной усилительной металлической мембраны обеспечивает исключение влияния процессов посадки и снятия дополнительной усилительной металлической мембраны с упором и технологического разброса изготовления упоров (мембран с упорами) на указанные характеристики двухмембранного тензопреобразователя; благодаря выполнению упоров за одно целое с мембранами существенно упрощается процесс изготовления механических упоров и полностью исключается процесс настройки, как для упоров на винтах или других видах крепления.

Выходная (преобразовательная) характеристика двухмембранного тензопреобразователя с упорами имеет линейный участок и область ограничения (насыщения), между которыми расположен нелинейный переходный участок, поэтому, чтобы сохранить линейную область преобразователя до исходного предельного рабочего давления выбирается полуторакратный запас прогиба дополнительной усилительной металлической мембраны, обеспечивающий исключение попадания в процессе работы в нелинейную область за счет технологического разброса изготовления упоров и процессов посадки и снятия дополнительной усилительной металлической мембраны с упоров.

Кроме того, так как в предлагаемом двухмембранном тензопреобразователе упоры действуют непосредственно только на толстую жесткую часть дополнительной усилительной металлической мембраны, через которую происходит ограничение прогиба тонкой рабочей части этой мембраны, то исходная картина распределения деформаций в основной металлической мембране от развивающейся силы дополнительной усилительной металлической мембраны не меняется, и, следовательно, сохраняются исходные качества и высокоточные характеристики прототипа без упоров, но повышается его стойкость к 10-кратным перегрузкам давления как со стороны приемника давления, так и со стороны тензочувствительного элемента.

На чертеже представлена схема двухмембранного тензопреобразователя давления с повышенной перегрузочной способностью.

Преобразователь содержит основание 1, имеющее канал подвода давления 2, основную металлическую мембрану 3, на которую высокотемпературной пайкой присоединен тензочувствительный кристалл 4 на основе "кремний на сапфире" структуры, в которой сформирована резистивная мостовая схема 5, резисторы которой расположены на тонкой рабочей части основной мембраны 6, дополнительную усилительную металлическую мембрану 7, имеющую тонкую рабочую часть 8 и толстое жесткое основание 9 шток 10, выполненный вместе за одно целое с основной мембраной 3 и имеющий соединение аргонно-дуговой сваркой 11 с дополнительной мембраной 7; две системы упоров 12 и 13, выполненных за одно целое с основной металлической мембраной 3 и дополнительной усилительной металлической мембраной 7, соответственно. Основание и две мембраны 3, 7 соединены между собой аргонно-дуговой сваркой 11.

Упоры выполнены в виде выступов над толстым жестким основанием дополнительной усилительной металлической мембраны 7 и над основанием 1 на расстояниях Н₁ и H₂, соответственно, равных величине прогиба дополнительной усилительной металлической мембраны вверх или вниз при подаче соответственно со стороны канала подвода давления 9 или со стороны тензочувствительного кристалла 5 давления, превышающего в 1,5 раза предельное рабочее давление данного преобразователя Н (1,5 Р_{раб.пред.}).

Для нормальной работы ограничительных упоров 12 и 13 необходима высокая точность изготовления верхней поверхности мембраны, поверхности основания и поверхностей соприкосновения упоров (непараллельность в допуске до 0,01 и высокое качество обработки поверхность) так, чтобы в сумме допуска при изготовлении и величина расстояния Н для каждого упора были равны величине прогиба мембраны при 1,5-кратном превышении рабочего давления Н (1,5 Р_{раб.пред.}).

Преобразователь работает следующим образом. При подаче нормального рабочего давления через канал подвода давления 2 в тонкой рабочей части дополнительной усилительной мембраны 8 возникают механические напряжения, приводящие к деформации мембраны, мембрана 7 прогибается, но ограничительных упоров 12 не достигает, автоматически прогиб мембраны 7 через шток 10 передается основной мембране 3, имеющей тензочувствительный кристалл 4, возникающая деформация в мембране 3 и кристалле 4 воспринимается тензорезисторами мостовой схемы 5, изменение сопротивления которых в конечном счете ведет к изменению выходного сигнала моста. Дополнительная усилительная металлическая мембрана 7 является составной частью основной мембраны 2, обеспечивая измерение малых величин давлений реальными толщинами двухслойной основной металлической мембраны 3.

При подаче через канал подвода давления 2 величины давления, 6oльшей, например, в 2 раза предельной рабочей тензопреобразователя происходит прогиб мембраны 7 на величину, превышающую Н₁ и мембрана 7 упирается ("садится" ) на упоры 12, ограничивающие ее дальнейший прогиб и соответственно прогиб мембраны 3 с кристаллом 4, т.е. происходит ограничение деформации и возникающих напряжений в дополнительной и основной мембранах, что воспринимается мостовой схемой 5, а следовательно, происходит ограничение выходного сигнала и, самое главное, сохранение дополнительной и основной мембран, точнее, их тонких рабочих частей от разрушения. Аналогичная работа преобразователя для давления на порядок выше предельного рабочего давления для данного преобразователя.

При подаче давления со стороны тензочувствительного кристалла 4 величиной, большей в 2-10 раз предельного рабочего давления, происходит прогиб основной мембраной 3 с тензочувствительным кристаллом 4, далее идет прогиб дополнительной мембраны, жестко связанной через шток 10 с основной, дополнительная мембрана прогибается на величину, большую H₂, и соответственно упирается на упоры 13, т.е. ограничивается прогиб последней, и через шток, следовательно, прогиб основной мембраны, стабилизация выходного сигнала имеет место, а обе мембраны не подвержены разрушению. В эксплуатации, когда нужно лишь ограничение со стороны тензочувствительного кристалла без работы в какой-то рабочей области, варьируя допусками, можно сделать расстояние H₂ минимальным и ограничивать прогиб мембраны 5 уже при очень малых давлениях, а систему симметрично расположенных упоров сделать сплошной проточкой, что позволяет сделать ограничение выходного сигнала более резким, но оказывает влияние на температурные характеристики прибора, не существенные для работы в приведенном случае.

Величина прогиба дополнительной мембраны при полуторакратном запасе по предельному рабочее давлению обусловлена исключением влияния на рабочую преобразовательную характеристику процессов посадки и снятия с упоров, т.е. обеспечивает заданную высокую точность прибора на том же уровне.

Экспериментально проверено, что использование предложенных упоров позволяет двухмембранному тензопреобразователю выдерживать 5-10-кратные перегрузки о двух сторон в отличие от аналога, у которого перегрузкой является лишь атмосферное давление, т.е. приблизительно 1 кгс/см², а упоры ограничивают ход мембраны с одной стороны, и их использование возможно лишь при наличии упругого элемента с тензочувствительным кристаллом с отверстием в центре без жесткого соединения штока и упругого элемента.

Технология изготовления предлагаемого прибора проще, чем у аналога, так как отпадает необходимость точной настройки в процессе сборки механических частей преобразователя и в применении тензочувствительного кристалла с отверстием в центре.

Использование предложенных упоров в конструкции типа прототипа позволяет работать двухмембранному тензопреобразователю в условиях до 10-кратных перегрузок от предельного рабочего давления, сохраняя вое точностные и метрологические характеристики в рабочей области.

Использование: в измерительной технике для регистрации избыточного давления и разности давлений в газовых и жидкостных средах в различных областях народного хозяйства. Сущность: благодаря ограничению хода дополнительной усилительной металлической мембраны, преобразующей давление в силу, ограничивается деформация основной металлической мембраны за счет выполнения упоров, изготовленных за одно целое с мембранами и расположенных над толстой нерабочей частью дополнительной мембраны и плоской частью основания. 1 ил.

Двухмембранный тензопреобразователь давления, содержащий цилиндрическое основание с каналом подвода давления, основную металлическую мембрану, на тонкой рабочей части которой размещен тензочувствительный элемент на основе структуры "кремний на сапфире" в виде резистивной мостовой схемы, и дополнительную усилительную металлическую мембрану, установленную между основанием и основной мембраной, причем в канале подвода давления размещен шток, один конец которого выполнен за одно целое с рабочей частью основной мембраны, а другой жестко соединен с толстой частью дополнительной металлической мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при сохранении линейности и преобразовательной характеристики, мембраны выполнены с упорами, симметрично расположенными по окружности за одно целое с толстыми нерабочи частями, причем упоры дополнительной усилительной и основной металлических мембран установлены соответственно над плоской частью основания и толстой частью дополнительной усилительной металлической мембраны на расстоянии, равном прогибу дополнительной усилительной металлической мембраны при полуторакратном предельном рабочем давлении.