ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к малогабаритным датчикам давления.

Известны датчики, содержащие корпус, чувствительный элемент, выполненный из двух измерительных мембран, соединенных по центру силопередающим штоком по дифференциальной схеме, и магнитоупругий дифференциальный преобразователь линейных перемещений штока [1].

Недостатками известных датчиков давления являются низкая точность измерения, большая температурная погрешность, обусловленная различием температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов отдельных элементов датчика [2].

Известны также датчики давлений, содержащие корпус, в котором размещены мембрана с жестким центром, выполненная заодно целое с цилиндрическим опорным основанием с образованием периферийного консольного участка, диск, установленный с зазором относительно мембраны с помощью установочных прокладок, расположенных на периферии консольного участка, и емкостный преобразователь деформаций, выполненный в виде двух пар противолежащих электродов, расположенных по центру и на недеформируемой части соответственно мембраны и диска, в него введена втулка, жестко закрепленная противолежащими торцами между консольным участком мембраны и выполненным в опорном основании торцевым участком, причем температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала втулки α ₀ не равен ТКЛР материала мембраны α _у, высота L_в втулки и толщина h_к консольного участка мембраны определены из полученных соотношений, приведенных в формуле.

Недостатками таких датчиков являются конструктивная сложность схемы компенсации температурных погрешностей, наличие в ней дополнительных жестких соединений торцов втулки с консольным участком мембраны и выполненным в опорном основании торцевым участком, что приводит к нарушению сплошности (монолитности) конструкции, высокая стоимость и пониженная надежность работы.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, выражается в упрощении конструкции, снижении стоимости, повышении надежности работы датчика.

Это достигается тем, что датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный в виде двух измерительных гофрированных мембран с одинаковыми профилями гофр, установленных в расточке корпуса, жестко соединенных по центру с взаимно противоположным прогибом, дифференциальный емкостный преобразователь линейных перемещений чувствительного элемента, электроды которого образованы измерительными гофрированными мембранами, электрически соединенными с корпусом и дополнительной гофрированной неподвижной мембраной с центральным отверстием с идентичными профилями гофр, размещенной между измерительными мембранами, электрически изолированной от корпуса, электроды преобразователя соединены с усилительно-преобразовательным блоком, гофрированные измерительные и неподвижная мембраны выполнены с гофрами в окружном и радиальном направлениях с идентичными профилями гофр, на неподвижной мембране с периферийной стороны выполнены гофры в окружном и радиальном направлениях с глубиной гофр, превышающей глубину гофр на измерительных мембранах в 10...50 раз, измерительные гофрированные мембраны соединены с рабочим участком неподвижной мембраны через изолирующие гофрированные прокладки с идентичными по отношению к измерительным мембранам профилями гофр, а неподвижная мембрана закреплена в расточке корпуса через эластичные прокладки.

Проведем оценку влияния предложенных конструктивных решений на уменьшение температурной погрешности датчика от разности ТКЛР материалов корпуса и мембран на примере датчика разрежения с диапазоном измерения перепадов давления р до 400 Па, в котором рабочий диаметр измерительных мембран D_p=24 мм, толщина h_р=0,05 мм, глубины гофр Н_р=0,1 мм (H_p/h_p=2), наружный диаметр неподвижной мембраны D_ПН=38 мм, диаметр гофрированной части неподвижной мембраны D_ПГ=35 мм, толщина h_П=0,04 мм, глубина гофр на периферийном участке неподвижной мембраны H_П=0,8 мм (Н_П/h_П=20).

Пусть измерительные мембраны выполнены из плавленого кварца, для которого ТКЛР α _кв=0,5· 10^-6 К^-1, а корпус из нержавеющей стали Х18Н9Т с α _cт=l2,5· 10^-6 К^-1, максимальный градиент температур Δ t=80° С. Для плоской измерительной мембраны из плавленого кварца максимальные растягивающие (сжимающие) температурные напряжения σ _tm при модуле упругости плавленого кварца E_кв=73 ГПа равны

МПа.

Максимальное эквивалентное напряжение в плоской мембране от действия давления р=400 Па σ _эт при μ _кв=0,17 равно [3]

Температурные напряжения в плоской мембране за счет разности ТКЛР материала корпуса и мембран в 4,4 раза превышают максимальное эквивалентное напряжение от измеряемой величины и необходимость введения схемы компенсации температурной погрешности датчика давления очевидна.

При расчете гофрированную в окружном и радиальном направлениях мембрану можно рассматривать как конструктивно ортотропную пластину.

Модули упругости на растяжение Е_rp и Е_tр и изгиб Е_rи и Е_tи в радиальном и окружном направлениях анизотропного материала эквивалентной плоской мембраны определяется по следующим соотношениям

где коэффициенты К_ij>1, определяются из условия равенства жесткостей полосок одинаковым образом выделенных из гофрированной в окружном и радиальном направлениях и плоской анизотропной мембран.

Для пологого синусоидального профиля гофр в работе [3] приведены следующие соотношения для коэффициентов анизотропии К_1r=К_1t=1

где H_r, H_t - глубины гофр гофрированной в окружном и радиальном направлениях мембраны. С целью упрощения анализа принимаем Н_r=Н_t=Н_г. Тогда K_rр=K_tp=K₂.

Упругая характеристика мембраны по давлению с гофрами в окружном и радиальном направлениях в больших перемещениях имеет следующий вид [5]

где р - давление; Е - модуль упругости материала мембраны; R - радиус мембраны; W₀ - прогиб центра мембраны; μ - коэффициент Пуассона для материала мембран; a, b - безразмерные коэффициенты при линейном и кубическом членах упругой характеристики мембраны; β - безразмерный параметр, учитывающий геометрию волн гофр в окружном и радиальном направлениях мембраны.

При условии K_1r=K_1t=K₁=1 и K_rр=K_tp=K₂ коэффициент β =1 и выражения для коэффициентов a_и и b_и упругой характеристики измерительной мембраны в первом приближении примут вид

Для плоской мембраны К_rр=К_tр=1, выполненной из плавленого кварца, эти коэффициенты будут равны a_oи=5,5, b_ои=2,74.

Для измерительных мембран H_p/h_p=2, коэффициенты анизотропии К₁=l, К₂=7 и коэффициенты в уравнении (5) будут равны а_и=37,3, b_и=0,34. Следовательно, изгибная жесткость гофрированной измерительной мембраны при измерении давления по сравнению с плоской мембраной возросла в а_и/а_ои=6,78 раз, а жесткость на растяжение мембраны уменьшилась в b_ои/b_и=8,06 раз.

Гофрированную часть периферийного участка неподвижной мембраны с относительной глубиной гофр Н_П/h_П=20, толщиной Н_П=0,04 мм с наружным диаметром гофр D_ПГ=35 мм и внутренним D_ПВ=27 мм можно представить в виде мембраны с жестким центром радиуса R_о=D_ПВ/2.

Уравнение абсолютно гибкой плоской анизотропной неподвижной мембраны с жестким центром с радиусом ρ _о=D_ПВ/D_ПГ=0,77 по давлению при больших перемещениях можно представить в виде [6]:

Для неподвижной мембраны из плавленого кварца и значениях коэффициентов анизотропии К_1r=К_1t=1,1, β =1,0, K_tр=640 получим

где b_П=0,0175.

Приведем это уравнение к толщине h_p измерительной мембраны. После преобразований получим

где b_ППР=b_П·_{hП/hр=0,014.}

Обозначим через C_i=E· b_i величины, пропорциональные жесткостям мембран на растяжение (сжатие) абсолютно гибких эквивалентных анизотропных мембран толщиной h_р, для измерительных мембран С_и=Е_кв·_{bи, неподвижной мембраны CППР=Eкв·bППР и изотропной плоской мембраны Со=Екв·bо.}

Величины, обратные жесткостям на растяжение абсолютно гибких мембран под действием давления, назовем соответственно податливостями мембран Р_и, Р_ППР, Р_о

Суммарная податливость на растяжение (сжатие) PΣ неподвижной мембраны, двух измерительных мембран, соединенных последовательно с неподвижной мембраной и параллельно с частью неподвижной мембраны, образующей неподвижный электрод емкостного датчика линейных перемещений измерительных мембран, имеющей близкую по величине жесткость

Учитывая, что распределение суммарной температурной относительной деформации происходит обратно пропорционально податливостям отдельных участков последовательной цепи, то коэффициент уменьшения относительной температурной деформации на измерительных мембранах за счет введения гофр на неподвижной мембране с периферийной стороны в окружном и радиальном направлениях с глубиной гофр Н_П/h_П=20 будет равен

Коэффициент уменьшения относительной температурной деформации на измерительных мембранах за счет выполнения на них гофр в окружном и радиальном направлениях и уменьшении их жесткости на растяжение по сравнению с жесткостью на растяжение плоской мембраны равен

Жесткость на растяжение кольцевой плоской части неподвижной мембраны при ширине плоской кольцевой части b_под=(D_пн-D_пг)/2 и ее среднем диаметре D_cр=(D_пн+D_пг)/2 равна

Жесткость на сдвиг двух кольцевых эластичных прокладок толщиной h_пр=0,2 мм со средним диаметром D_ср=36,5 мм шириной b_пр=1,5 мм при относительной величине сдвига λ _cд/h_пр<0,5 рассчитывается по формуле [7]

где G_пp - модуль сдвига для материала прокладок, например для материала из термически расщепленного графита “Графлекс” G_пр=(1...2) МПа.

Коэффициент уменьшения относительной температурной деформации на измерительных мембранах за счет введения двух эластичных прокладок Кε _tпр равен отношению жесткостей на сдвиг эластичных кольцевых прокладок к жесткости на растяжение кольцевой плоской части неподвижной мембраны и для принятых значений размеров прокладок, модуле сдвига G_пp=1,5 МПа равен

Коэффициент уменьшения относительной температурной деформации измерительных мембран за счет введения эластичных прокладок в значительной степени зависит от усилия затяжки неподвижной мембраны, модуля сдвига G_пр, коэффициента трения между прокладками и неподвижной мембраной, температуры и его значение может изменяться в несколько раз. Поэтому при расчете Kε _tпp можно ввести поправочный коэффициент K_поп=2...3. Кроме того, такая схема компенсации температурной погрешности датчика может привести к смещению оси чувствительности датчика по отношению к базовой поверхности, что существенно для приборов, измеряющих составляющие векторных величин.

Суммарный коэффициент снижения относительной температурной деформации измерительных мембран KΣ _t за счет схемных решений в датчике давления составит

Приведенный анализ показывает, что температурная погрешность датчика малых давлений за счет различных значений ТКЛР материалов для корпуса прибора и мембран может быть снижена в десятки тысяч раз.

С учетом полученного ранее максимального растягивающего (сжимающего) напряжения для плоской изотропной мембраны σ _tm=70 МПа, значения суммарного коэффициента снижения относительной температурной деформации измерительных мембран КΣ _t и максимального эквивалентного напряжения в плоской измерительной мембране от действия давления р σ _эm=16 МПа, температурная аддитивная погрешность датчика давлений в диапазоне температур от -60 до +100° С не превысит значения

Температурная мультипликативная погрешность датчика давлений за счет температурного изменения модуля упругости плавленого кварца при сравнительно малом его температурном коэффициенте модуля упругости β _Е=71· 10^-6 К^-1 и Δ t=80° С составит

На фиг.1 изображен предлагаемый датчик давления, в разрезе; на фиг.2 -дифференциальный емкостный преобразователь линейных перемещений чувствительного элемента, в разрезе; на фиг.3 - элементарный участок гофрированной по двум ортогональным направлениям ОХ и ОУ оболочки (мембраны).

Датчик содержит корпус 1, в котором установлен дифференциальный емкостный преобразователь 2 линейных перемещений чувствительного элемента, выполненный в виде двух измерительных гофрированных в окружном и радиальном направлениях мембран 3 и неподвижной гофрированной в окружном и радиальном направлениях мембраной 4 с центральным отверстием с двумя участками гофр - рабочим участком диаметром D_p с одинаковой глубиной гофр H_р и идентичными по отношению к измерительным мембранам профилями гофр и периферийный участок неподвижной мембраны с гофрами в окружном и радиальном направлениях с наружным D_пг и внутренним D_пв диаметрами с глубиной гофр Н_п, превышающей глубину гофр измерительных мембран в 10...50 раз. Меньшие значения этого коэффициента соответствуют более толстым мембранам. При отношении Н_п/Н_р=10 температурная погрешность датчика уменьшится в 20000...50000 раз, что для ряда датчиков является достаточным, а при Н_п/Н_р=50 - в 175000...350000 раз. Дальнейшее увеличение этого отношения снижает технологичность изготовления неподвижной мембраны. Закрепление неподвижной мембраны 4 в расточке корпуса производится плоским кольцевым участком мембраны с диаметрами от D_пг до D_пн через эластичные прокладки.

Измерительные мембраны 3 соединены с рабочим участком неподвижной мембраны 4 через изолирующие гофрированные в окружном и радиальном направлениях прокладки 5 с идентичными по отношению к измерительным мембранам профилями гофр.

Для прецизионных датчиков давления гофрированные мембраны 3, 4 и прокладки 5 можно изготовить из ленты плавленого кварца толщиной h=(30...100)· 10^-1 м горячей штамповкой в комбинированном штампе эластичной средой, в качестве которой можно использовать термически расщепленный графит с высокими упругими, пластическими и антифрикционными свойствами и термоустойчивостью в защитной среде до 3000° С, непроницаемостью для жидкостей и газов.

В этом случае соединение мембран 3, 4 с прокладками 5 можно произвести “холодной” сваркой [8], которая включает нанесение тончайших равномерных пленок двуокиси кремния на соединяемые поверхности и облучение мест соединений в специальных камерах инфракрасными лучами при температурах 150...250° С. Это позволяет резко снизить термоупругие напряжения в упругих элементах конструкции датчика, так как пленка клея не деформируется, обеспечить однородность среды на границах соединений, сохранить геометрию и обеспечить высокую прочность и стойкость к термоударам соединений мембран с прокладками.

Плавленый кварц имеет высокую добротность Q=(1...9)· 10⁶ и позволяет получить очень малую погрешность измерительных преобразователей от гистерезиса.

Электроды емкостного преобразователя 2 выполнены двусторонним напылением слоев металла равной толщины, например, холодным газодинамическим способом по патенту РФ № 4946269, на рабочие участки мембран 3, 4 для уменьшения биметаллического эффекта (не показаны).

Для датчиков давления средней точности в качестве материала мембран 3, 4 можно использовать дисперсионно-твердеющие сплавы типа 36ХНЮФ-ВИ, которые после закалки имеют σ _b=700 МПа и относительное удлинение δ =39%, а после последующего старения имеют предел упругости σ _0,002=1200 МПа, ТКЛР α _t=11,5· 10^-6/K^-1.

В качестве изолирующих прокладок 5 можно использовать ленту термопласта - полиэтилентерефталата ПЭТФ, имеющую следующие электрофизические характеристики: предел прочности на растяжение σ _b=120...150 МПа, относительное удлинение σ =50%, модуль упругости E=2,9...3,8 ГПа, интервал рабочих температур -60...+155° С, пробивная напряженность E_пp=140 МВ/м, удельное объемное электросопротивление ρ _v=10¹³ Ом· м, диэлектрическая проницаемость ε =3,1...3,2, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ =0,002, ТКЛР α _t=27· 10^-6 К^-1, соединение которых с металлом можно произвести клеями-расплавами на основе модифицированного ПЭТФ [9].

В корпусе датчика установлен усилительно-преобразовательный блок 6, который соединен с емкостным преобразователем гибкими токоподводами 7. Для дополнительного снижения термических напряжений в измерительных мембранах установка емкостного преобразователя производится через эластичные прокладки 8. Крепление узлов в датчике производится через изоляционное кольцо 9 крышкой 10 и винтами 11.

В качестве преобразователя изменения емкости дифференциального конденсатора в усилительно-преобразовательном блоке 6 можно использовать мост Саути, который обеспечивает линейное преобразование приращения емкостей дифференциального конденсатора в пропорциональный электрический сигнал [10].

На фиг.3 представлен элемент конечных размеров, вырезанный из гофрированной в окружном и радиальном направлениях мембраны с глубиной гофр в окружном Н_r и радиальном Н_t направлениях, длинами волн гофр в окружном l_r и радиальном l_t направлениях. Для наглядности изображения на фиг.3 также показаны линии пересечения гофрированной мембраны с радиальными секущими плоскостями через четверть длины волны l_t – S_r1, S_r2, линии пересечения цилиндрических секущих поверхностей с поверхностью гофрированной мембраны через половину длины волны l_r – S_t1, S_t2 и линии пересечения поверхности гофрированной мембраны с горизонтальной секущей плоскостью G - S_t3.

Датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое в объекте давление действует на левую измерительную мембрану, а атмосферное давление - на правую измерительную мембрану. Перепад давлений на измерительных мембранах 3 приводит к прогибу измерительных мембран, жестко соединенных по центру, изменению расстояний между измерительными мембранами и рабочим участком неподвижной мембраны. При этом емкости плеч дифференциального

конденсатора изменяются, что приводит к разбалансу моста Саути и появлению на выходе усилительно-преобразовательного блока 6 электрического сигнала, пропорционального перепаду давлений.

В случае выполнения корпуса 1 из инвара, например сплава 36Н, для которого α _t=10^-6 К^-1, а изоляционного кольца 9 из плавленого кварца, достижимая составляющая температурной аддитивной погрешности датчика за счет разности ТКЛР материалов корпуса и мембран не превысит 10^-5. Однако при этом возрастает цена прибора.

Порог чувствительности такого датчика с упругими элементами из плавленого кварца составит 10^-5.

Центральное отверстие в мембране подвеса предназначено для создания воздушного демпфирования колебаний мембран.

Установка емкостного преобразователя на упругой подвеске, выполняющей роль амортизатора, позволяет уменьшить дополнительные напряжения от действия ударных и вибрационных ускорений движущегося объекта и увеличить ресурс датчика.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1413454, кл. G 01 L 9/16. Дифференциальный датчик давлений. БИ №28, 1988.

2. Испытательная техника. Справочник в 2-х книгах./ Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982. - Кн. 2.1982. - С.356.

3. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - Машгиз, 1962. -С.235.

4. Прецизионные сплавы. Справочник /под ред. В.В. Молотилова. - М.: Металлургия, 1983. С.299-303.

5. Увакин В.Ф., Олькова В.Б. Исследование и разработка высокоточного датчика малых давлений. Доклады 3 Российской научной конференции 13-18 ноября 2000 г. Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах. - Буркин, 2001. C.119-135.

6. Увакин В.Ф., Олькова В.Б. Расчет упругой характеристики гофрированной в окружном и радиальном направлениях мембраны с жестким центром, нагруженной давлением. Межвузовский научный сборник. Прогрессивные направления развития технологии машиностроения. Саратов: СГТУ, 2002, С.105.

7. Заплетохин В.А. Конструирование соединений деталей в приборостроении. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1988. С.40.

8. Федин Э. Самое надежное соединение стеклянных деталей // Изобретатель и рационализатор. - 1984, №10. - С.18.

9. Справочник по пластическим массам. В двух томах. Т. II / Под ред. В.М. Катаева и др. М.: Химия, 1975. - С.155-159.

10. Аш Ж., Андре П., Бьюфронт Г. и др. Датчики измерительных систем. В двух книгах. Кн.1. М.: Мир, 1992. - С.388-389.

Предлагаемый датчик относится к области измерительной техники, в частности к малогабаритным датчикам давлений. Датчик содержит корпус, чувствительный элемент, выполненный в виде двух измерительных гофрированных мембран с одинаковыми профилями гофр, установленных в расточке корпуса и жестко соединенных по центру с взаимно противоположным прогибом, дифференциальный емкостный преобразователь линейных перемещений чувствительного элемента, электроды которого образованы измерительными мембранами, электрически соединенными с корпусом и дополнительной гофрированной неподвижной мембраной с центральным отверстием с идентичными профилями гофр, размещенной между измерительными мембранами, электрически изолированной от корпуса, электроды преобразователя соединены с усилительно-преобразовательным блоком. Гофрированные измерительные и неподвижная мембраны выполнены с гофрами в окружном и радиальном направлениях с идентичными профилями гофр, на неподвижной мембране с периферийной стороны выполнены гофры в окружном и радиальном направлениях с глубиной гофр, превышающей глубину гофр на измерительных мембранах в 10...50 раз. Технический результат - уменьшение температурной погрешности датчика, упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный в виде двух измерительных гофрированных мембран с одинаковыми профилями гофр, установленных в расточке корпуса и жестко соединенных по центру с взаимно противоположным прогибом, дифференциальный емкостный преобразователь линейных перемещений чувствительного элемента, электроды которого образованы измерительными мембранами, электрически соединенными с корпусом и дополнительной гофрированной неподвижной мембраной с центральным отверстием с идентичными профилями гофр, размещенной между измерительными мембранами, электрически изолированной от корпуса, электроды преобразователя соединены с усилительно-преобразовательным блоком, отличающийся тем, что гофрированные измерительные и неподвижная мембраны выполнены с гофрами в окружном и радиальном направлениях с идентичными профилями гофр, измерительные гофрированные мембраны соединены с рабочим участком неподвижной мембраны через изолирующие гофрированные прокладки с идентичными по отношению к измерительным мембранам профилями гофр.2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что на неподвижной гофрированной мембране между ее рабочим участком и расточкой корпуса выполнены гофры в окружном и радиальном направлениях с глубиной гофр, превышающих глубину гофр на измерительных мембранах в 10-50 раз.