ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2001 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 том числе в системах управления, регулирования и контроля, где требуется повышенная надежность, точность и чувствительность.

Известен 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 центом упругой балки с помощью штока, пропущенного через отверстие основания, контактную колодку, соединяющую контактные площадки тензорезисторов с внешними выводами, причем упругая балка выполнена на дне чаши вдоль оси симметрии, а чаша расположена с радиальным зазором внутри полости, выполненной в основании, и прикреплена к нему своей отбортовкой (авт. свид. СССР N 1778569, кл. Q 01 L 9/04).

Недостатком известной конструкции датчика давления является невысокая надежность. Это объясняется тем, что вследствие выполнения упругой балки на дне чаши, ее изготавливают путем поперечного разреза прутка из прецизионного сплава. Вследствие анизотропии механических свойств прутка по его толщине и продольного расположения волокон материала, балка обладает неравномерным распределением механических характеристик по ее длине, что существенно снижает устойчивость и усталостную прочность балки к многоцикловым воздействиям измеряемого давления, особенно если они связаны с одновременным воздействием широкого диапазона температур, что приводит к выходу датчика из строя вследствие его отказа после определенной наработки. Надежность известной конструкции недостаточна также вследствие ухудшения механических характеристик балки, в частности вследствие трудноубираемых механических и термических деформаций в результате присоединения контактной колодки, размещенной в непосредственной близости от балки. Кроме того, воздействие повышенной температуры при сварке контактной колодки с чашей приводит к появлению потенциальной ненадежности тензорезисторов, которая часто не может быть выявлена непосредственно в процессе изготовления и проявляется в процессе эксплуатации в виде скачкообразных изменений или деградации сопротивлений тензорезисторов, что также приводит к снижению надежности.

Другим недостатком известной конструкции является неудовлетворительная точность измерений, вызванная неравномерным распределением механических характеристик балки вследствие, как было показано ранее, выполнения упругой балки на дне чаши, приводящим к неточному преобразованию измеряемого давления в необходимое деформационное поле балки. Кроме того, точность измерений недостаточна вследствие ограниченной чувствительности примененной упругой белки из-за невозможности изготовления очень тонких балок вследствие потери устойчивости в результате воздействия остаточных деформаций после механической обработки поверхности размещения тензорезисторов. Точность измерений недостаточна также вследствие влияния термодеформаций контактной колодки, а через жесткие токопроводы и корпус на упругую балку из-за размещения контактной колодки в непосредственной близости от балки. Кроме того, точность измерений известного датчика неудовлетворительна вследствие дополнительной температурой погрешности, возникающей за счет включения в плечи мостовой схемы сравнительно больших сопротивлений микропроводов, имеющих существенно больший по сравнению с тензорезисторами ТКС. Кроме того, точность измерений известного датчика снижена вследствие перегрева током питания центральных частей тензорезисторов из-за нахождения их на суженных участках балки.

Недостатком известного датчика являются 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому датчику является датчик давления, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов (патент РФ N 2082125, кл. G 01 L 9/04).

Недостатком известной конструкции является невысокая чувствительность, объясняемая сравнительно большой жесткостью балки в направлении воздействия давления. Недостаточная чувствительность известной конструкции приводит к понижению точности измерения сравнительно малых значений давления вследствие пониженных уровней выходного сигнала с датчика и вследствие увеличения порога чувствительности датчика.

Согласно предлагаемому изобретению в датчике давления, содержащем корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов, в боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, соединяющие отверстия и образующие перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки.

Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигнутым техническим результатом рассмотрим более подробно конструкцию датчика. Выполнение сквозных прорезей, соединяющих отверстия, позволяет существенно снизить жесткость балки в направлении воздействия давления, а следовательно, повысить чувствительность, так как в этом случае под воздействием измеряемого давления деформируются только наиболее тонкие участки в верхней части балки, а нижняя часть балки практически не деформируется и не увеличивает общую жесткость балки. Образование с помощью прорезей перемычки, соединяющей концы балки, обеспечивает сочетание необходимой надежности и устойчивости измерений давления с повышением чувствительности за счет сквозных прорезей. Это объясняется следующим образом. Повышение чувствительности возможно и при отсутствии перемычки только за счет применения сквозных прорезей, соединяющих отверстия, но тогда, как показали экспериментальные исследования, происходит изменение формы балки вследствие ее изгиба, заключающееся в подъеме концов балки относительно ее центральной части в процессе изготовления в результате воздействия остаточных термомеханических напряжений. Деформирование балки при ее изготовлении еще до момента ее закрепления на основании приводит или к невозможности формирования тензорезистивной схемы вследствие значительной кривизны балки, или к значительным, превышающим допустимые значения деформациям тензорезисторов. При наличии же перемычки, соединяющей концы балки, не происходит деформация балки при ее изготовлении, так как перемычка как бы стягивает концы балки и не дает им расходиться. Таким образом, сквозные прорези, с одной стороны, обеспечивают повышение чувствительности к измеряемому давлению за счет уменьшения жесткости балки к воздействию измеряемого давления, а с другой стороны, обеспечивают необходимую надежность за счет сохранения необходимой жесткости в направлении, перпендикулярном воздействию измеряемого давления. Сквозные прорези выполнены параллельно поверхности размещения тензорезисторов для обеспечения равномерного распределения по длине балки уменьшения ее жесткости измеряемому давлению и равного распределения по длине балки увеличения жесткости в направлении, перпендикулярном воздействию измеряемого давления. Выполнение в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки сквозного отверстия с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и частичное размещение штока в отверстии перемычки обеспечивают приложение усилия от воздействия измеряемого давления к центру деформируемой части балки без касания перемычки и тем самым обеспечивают уменьшение жесткости балки измеряемому давлению, т.е. повышают чувствительность балки и одновременно сохраняют необходимую жесткость в направлении, перпендикулярном воздействию давления, т.е. обеспечивают необходимую надежность и устойчивость измерения давления.

На чертеже показана конструкция предлагаемого датчика давления.

Соотношения между элементами конструкции для наглядности изменены. Датчик давления содержит корпус 1 со штуцером 2, мембрану 3, связанную при помощи штока 4 с центральной частью, закрепленной на основании 5 своими концами упругой балки 6 в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы 8. В боковых гранях балки под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия 9, 10, 11, 12, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов. В боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези 13, 14, 15, 16, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, соединяющие отверстия и образующие перемычку 17, соединяющую концы балки между собой. В центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие 18 с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 3. Мембрана 3, а вместе с ней и упругая балка 6 деформируются. Деформация упругой балки воспринимается размещенными на ней тензорезисторами 8. Изменения сопротивлений тензорезисторов, вызванные деформацией балки 6, преобразуются мостовой схемой, в которую включены тензорезисторы 8, в выходное напряжение, снимаемое с внешних выводов датчика.

В связи с выполнением конструкции в соответствии с заявляемым решением обеспечивается сочетание необходимой чувствительности за счет уменьшения жесткости балки к измеряемому давлению и надежности за счет сохранения требуемой жесткости в направлении, перпендикулярном воздействие измеряемого давления. Как показали экспериментальные исследования, заявляемая конструкция по сравнению с конструкцией по прототипу при тех же самых габаритно-массовых характеристиках обладает в 2,5-3 раза большей чувствительностью при сохранении необходимой надежности и устойчивости измерений.

Датчик предназначен для измерения давления в системах управления, регулирования и контроля. Датчик содержит корпус со штуцером, мембрану, связанную штоком со средней частью, закрепленной на основании концами упругой балки. Упругая балка выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы. В боковых гранях упругой балки выполнены сквозные отверстия, перпендикулярные его продольной оси и образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов. Кроме того, в боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, образующие перемычку и соединяющие концы балок между собой. В центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие, размеры которого превышают поперечные размеры штока. Шток частично размещен в отверстии перемычки. Технический результат - повышение чувствительности с обеспечением неообходимой надежности и стабильности. 1 ил.

Датчик давления, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании концами упругой балки в виде прямоугольного параллепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов, отличающийся тем, что в боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, соединяющие отверстия и образующие перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки.