ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к области авиационного приборостроения, а именно к датчикам давления, устанавливаемым на борту летательных аппаратов.

Оно может быть использовано в составе самолетных бортовых систем и других комплексах измерения давления, требования к надежности которых соизмеримы с требованиями аэрокосмической техники.

Датчик давления, разработанный ОАО «ДИМЭС» (заявитель), был защищен положительным решением по заявке №2001135570/28(037090) с приоритетом от 21.12.2001 г. и нашел применение в составе самолетных бортовых систем, удовлетворяя совокупности предъявляемых к нему требований.

Емкостный датчик давления (заявка №2001135570) содержит корпус с мембраной, кожух, электроразъем, емкостный преобразователь, состоящий из чувствительного к давлению измерительного и нечувствительного к давлению эталонного конденсаторов, образованных четырьмя изолированными электродами.

Подвижный электрод закреплен на штоке мембраны, а токопроводы обеспечивают электрическую связь между электродами и электроразъемом.

Однако в процессе испытаний и эксплуатации в составе аэрокосмической техники датчика давления стало очевидно, что при изменении температуры окружающей среды, вызывающей изменение размеров наиболее протяженной детали - кожуха датчика, в его показания вносится погрешность, появление которой невозможно предвидеть заранее. Вместе с тем при воздействии вибрационных нагрузок возникает дополнительная погрешность, связанная с суммарной массой кожуха и электроразъема. И даже введение дополнительных элементов в электронную схему в полной мере проблемы не решало.

Источником указанных погрешностей была признана жесткая механическая связь стапелированных узлов емкостного преобразователя с электроразъемом и кожухом, которая приводила и к отбраковке некоторой части полностью собранных датчиков.

Для устранения выявленных недостатков в конструкцию датчика были внесены существенные изменения, позволяющие уменьшить влияние на показания датчика давления колебаний температуры окружающей среды и воздействия вибрационных нагрузок.

При сборке протяженных элементов (заявка №2001135570) неизбежны технологические отклонения от строгой вертикали, что вызывает неравномерный натяг, обуславливающий неравномерность напряжений элементов конструкции.

Дополнительным источником суммарной погрешности являлись жесткие токопроводы электродов, соединенные с жесткими выводами электроразъема.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков, обеспечивающее повышение эксплуатационной надежности датчиков давления при одновременном уменьшении процента брака.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен продольный разрез датчика по выводу электрода эталонного конденсатора. На фиг.2 показан вид на торец датчика со стороны электроразъема. На фиг.3 изображено сечение того же датчика по выводам электродов чувствительного к давлению конденсатора. На фиг.4 изображена конструкция усовершенствованного основания (вид сверху). На фиг.5 изображена конструкция усовершенствованного основания (поперечный разрез). На фиг.6 показан вид сверху на гибкий трехлепестковый элемент. На фиг.7 показано устройство сопряженного с датчиком вторичного преобразователя (схема), размещенного на печатной плате, закрепляемой на корпусе датчика.

Датчик давления содержит корпус с мембраной 1, сваренный по противолежащему мембране торцу со штуцером 2, обеспечивающим подачу в подмембранную полость датчика измеряемого давления, и с кожухом 3, являющимся внешним корпусным элементом датчика. Основания 4 и 5 в процессе сборки последовательно привариваются друг к другу, что обеспечивает возможность автономного контроля электрических параметров сначала чувствительного к давлению конденсатора, а затем и нечувствительного к давлению (эталонного) конденсатора.

Чувствительный к давлению конденсатор содержит в своем составе две обкладки. Подвижную обкладку образует торец цилиндрического кольцевого элемента (электрода) 7, закрепленного при помощи стеклянного кольца 8 и переходной металлической втулки 9 на выступе, расположенном в центре мембраны корпуса 1. Неподвижная обкладка чувствительного к давлению конденсатора образована торцем электрода 10.

На противолежащем выступе центрального стержня 11 установлена обкладка нечувствительного к давлению конденсатора, образованная торцем электрода 12, повторяющего по своей форме и размерам электрод 10. Между обкладками 10 и 12 имеется электрическая связь, тогда как контакта с корпусными элементами они не имеют.

На выступе основания 5 при помощи ранее упомянутых элементов конструкции 8 и 9 установлен электрод 13, идентичный электроду 7, образующий вместе с электродом 12 своими противолежащими поверхностями эталонный конденсатор.

Система выводов, обеспечивающая контакт обкладок конденсаторов с электроразъемом 6, включает в себя: токопровод 14, выполненный в виде изогнутой гибкой пластины, приваренный к жесткому выводу 15 электроразъема (см. фиг.3); токопровод 16 - в виде изогнутой гибкой пластины, приваренный к выводу 17 (см. фиг.3), и токопровод 18 в виде изогнутой гибкой пластины, приваренный к выводу 19 (см. фиг.1).

Через остеклованные отверстия электроразъема 6 выведены проволочные выводы 15, 17 и 19 (см. фиг.1, 2, 3), к которым и подключается схема преобразования сигнала (см. фиг.7), выполненная на плате 22. Размещение токопроводов 14, 16 и 18 в прорезях металлических элементов 4 и 5 гарантирует надежное экранирование их друг от друга, исключающее образование нежелательных емкостных связей между упомянутыми проводниками.

Емкостный датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление через штуцер 2 подается во внутреннюю полость корпуса 1 и воздействует на мембрану, прогиб которой и вызывает перемещение ее центра, что приводит к изменению зазора между обкладками электродов 7 и 10. В этот момент емкость (Сх) измерительного, т.е. чувствительного к давлению конденсатора, изменяется, тогда как емкость (Со) эталонного, т.е. нечувствительного к давлению конденсатора, образованного электродами 12 и 13, сохраняется неизменной.

В конструкции датчика давления в отличие от прототипа изменено крепление обкладок эталонного 12 и измерительного 10 конденсаторов, электрически связанных центральным стержнем 11.

В результате более чем на треть уменьшилась высота элементов конструкции, что привело к минимизации воздействия вибрационных нагрузок, наряду с этим снижена масса и уменьшена общая высота датчика, при этом исключена дополнительная электрическая связь, которая осуществлялась в прототипе через токопроводы между обкладками эталонного и измерительного конденсаторов, что делает датчик более надежным.

Элементы электродов измерительного и эталонного конденсаторов представляют собой независимые сборочные единицы (7, 8, 9, 11, 4, 13), и их изготовление осуществляется отдельно от корпусных деталей. В процессе изготовления их подвергают химической обработке и проверке геометрических и электрических параметров.

Эталонный и измерительный конденсаторы собираются независимо друг от друга путем последовательного присоединения к корпусу 1 сначала основания 4, а затем основания 5 с закрепленными на их выступах электродами и выполненными калиброванными зазорами между ними, что дает возможность точной подготовки параметров конденсатора и, соответственно, их отношения, упрощая тем самым электронную схему вторичного преобразователя, что позволяет снизить себестоимость и повысить надежность датчика в целом.

При изменении температуры окружающей среды в условиях одновременного воздействия вибрационных нагрузок температурные деформации кожуха 3, жестко связанного с электроразъемом 6, не оказывают существенного влияния на положение обкладок конденсаторов.

Это обусловлено тем, что механическая связь между электроразъемом 6, основаниями 4, 5 и корпусом с мембраной 1 осуществляется при помощи гибкого трехлепесткового элемента 21 (см. фиг.1, 6), призванного гасить вибрационные нагрузки.

Обкладки конденсаторов связаны с электроразъемом 6 системой выводов 15, 17, 19, в составе которых использованы изогнутые пластины 14, 16, 18, гибкость которых исключает передачу деформаций корпуса на обкладки конденсаторов.

Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика (вторичный преобразователь) содержит первый и второй усилители Y1 и Y2. Эталонный и измерительный конденсаторы Со и Сх соответственно подключены к входу первого усилителя Y1. Конденсатор Со включен в обратную связь усилителя Y1, при этом на конденсатор Со попеременно подаются через ключи К3, К4 напряжение общей точки и опорное напряжение Uопор., а на конденсатор Сх - через ключи К5, К6 напряжение общей точки и напряжение обратной связи Uвых., которое в то же время является выходным напряжением. Напряжение ошибки с Y1 через ключи K1, K2 подается на усилитель Y2.

В момент подачи на Со, Сх напряжения общей точки по выходу Y1 выделяется начальное напряжение, которое через ключ K1 поступает на инвертирующий вход Y2, а в момент подачи на Со, Сх опорного напряжения Uопор. и напряжения обратной связи Uвых. на выходе Y1 появляется напряжение ошибки, которое через ключ K1 поступает на неинвертирующий вход усилителя Y2 и корректирует его выходное напряжение в каждом усилителе. В результате на выходе Y2 поддерживается напряжение, определяемое формулой

Uвых=-U_опор·Со/Сх.

Недостатком известных конструкций является необходимость экранированного кабеля между общей точкой соединений конденсаторов Со, Сх, первичного преобразователя и входом Y1 вторичного преобразователя. Кроме того, точки подпайки этого кабеля требуют тщательного экранирования для получения стабильного выходного сигнала.

Для снижения влияния внешних электромагнитных помех и общего уменьшения линий связи вторичного преобразователя первый усилитель Y1 размещается непосредственно в корпусе датчика (печатная плата, на которой смонтирован Y1, распаивается непосредственно на контакты электроразъема, фиг.2), что обеспечивает минимальную длину связи между первичным и вторичным преобразователями, надежное экранирование всего усилителя Y1 и позволяет отказаться от экранированного кабеля.

Предложенное техническое решение позволяет создать датчик, отличающийся необходимой точностью измерения давления с использованием в составе его конструкции унифицированных элементов, характеризующийся повышенным уровнем вибро-ударостойкости и термостойкости.

Использование: изобретение относится к области авиационного приборостроения, а именно к датчикам давления, устанавливаемым на борту летательных аппаратов. Сущность: датчик давления содержит корпус с мембраной, кожух, электроразъем, емкостный преобразователь. В состав емкостного преобразователя включены чувствительный к давлению и нечувствительный к давлению конденсаторы, образованные четырьмя электродами. Подвижный электрод закреплен на штоке мембраны, воспринимающей давление. Неподвижный электрод чувствительного к давлению конденсатора имеет одинаковую конфигурацию с неподвижным электродом эталонного конденсатора. Они расположены на основаниях, соединенных с корпусом, на установочных выступах его центрального стержня имея электрический контакт друг с другом. Система выводов, обеспечивающих контакт обкладок конденсаторов с электроразъемом, включает в себя совокупность жестких стержней, пропущенных в электроразъеме через стеклянные втулки и изогнутые пластины, привариваемые к жестким стержням. Электроразъем, имеющий форму диска, приваренного к корпусу, установлен с зазором по отношению к внешним поверхностям оснований, в котором расположен гибкий трехлепестковый элемент, исключающий передачу температурных деформаций электроразъема и кожуха на элементы датчика. Технический результат: повышение эксплуатационной надежности. 7 ил.

Датчик давления, содержащий корпус с мембраной, кожух, электроразъем, емкостный преобразователь, состоящий из чувствительного к давлению измерительного и нечувствительного к давлению эталонного конденсаторов, образованных четырьмя изолированными электродами, где подвижный электрод закреплен на штоке мембраны, и токопроводы, обеспечивающие электрическую связь между электродами и электроразъемом, отличающийся тем, что в нем неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов имеют одинаковую конфигурацию, размещены в основаниях, соединенных с корпусом, на установочных выступах его центрального стержня, закрепленного при помощи стеклянного кольца, имея надежный электрический контакт друг с другом, а система токопроводов, обеспечивающих связь между электродами и электроразъемом, включает в себя совокупность жестких стержней, пропущенных в электроразъеме через стеклянные втулки и изогнутые пластины, привариваемые к жестким стержням, исключающие влияние температуры и вибрации на положение электродов в процессе эксплуатации датчика, а электроразъем, имеющий форму металлического диска, приваренного к кожуху, установлен с зазором по отношению к основанию с установочным выступом для второго электрода эталонного конденсатора, в котором расположен гибкий трехлепестковый элемент, исключающий передачу температурных деформаций электроразъема и кожуха на основания.