ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01L7/02 

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления.

Известны датчики абсолютного и избыточного давления, например типа «Сапфир-22», использующие тензорезистивный метод измерения [1].

Датчик давления имеет металлический корпус, внутри которого размещен тензопреобразователь, и мембранный блок, а на внешней стороне корпуса - электронное устройство. Тензопреобразователь и мембранный блок являются чувствительными элементами датчика давления. Тензопреобразователь имеет пластину из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, соединенными в виде измерительного моста. Мембранный блок представляет собой металлическую гофрированную мембрану, приваренную по наружному контуру к корпусу датчика.

Мембранный блок воспринимает измеряемое давление и передает механические напряжения тензопреобразователю.

Кремнийорганическая жидкость, расположенная в объеме, замкнутом между тензопреобразователем и мембранным блоком, выполняет практически жесткую передачу механических напряжений от мембранного блока к тензопреобразователю.

На фигуре 1 изображена конструктивная схема известного датчика давления [1].

Принцип действия известного датчика состоит в следующем. Измеряемое давление Р воздействует на металлическую гофрированную мембрану 1 и через жидкость 2 - на пластину 3 с тензорезисторами, соединенными в измерительный мост. Под действием механических напряжений, возникающих в пластине 3, происходит изменение сопротивления тензорезисторов в плечах моста и на выходе мостовой схемы появляется напряжение небаланса, которое преобразуется в выходной электрический сигнал, пропорциональный входной нагрузке. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается в электронное устройство 4.

Низкая надежность известных датчиков давления вызвана жесткостью передачи механических напряжений от мембранного блока к тензопреобразователю. В измеряемом объекте возможны гидродинамические удары и вибрации давлений, которые, вследствие жесткости передачи, непосредственно воспринимаются пластиной тензопреобразователя и способствуют ее разрушению.

Возникает также уязвимость пластины тензопреобразователя к превышению значения входной нагрузки по отношению к верхнему пределу измерений, к перегрузкам статического давления и создаются ограничения по нижнему порогу чувствительности.

Датчик, выполненный по предполагаемому изобретению, защищен от статических и динамических перегрузок, а также появляется возможность повысить чувствительность в нижнем диапазоне измерений. Для обеспечения этой возможности в конструкции датчика применен упругий элемент, связывающий мембранный блок с тензопреобразователем. В качестве упругого элемента предлагается применять пружину или сильфон. Кроме того, мембранный блок выполнен в виде двух идентичных соединенных между собой мембран, одна из которых закреплена в корпусе датчика, а другая имеет жесткий центр, воспринимающий давление.

На фигуре 2 изображена конструктивная схема датчика, выполненного по предполагаемому изобретению, с упругим элементом в виде пружины. Мембранный блок 1 связан с пластиной 3 тензопреобразователя вдоль оси нагрузки через упругий элемент 2 (пружину), закрепленный на жестких центрах пластины 3 и мембранного блока 1.

На фигуре 3 изображена конструктивная схема датчика, выполненного по предполагаемому изобретению, с упругим элементом в виде сильфона. Мембранный блок 1 связан с пластиной 3 тензопреобразователя вдоль оси нагрузки через упругий элемент 2 (сильфон), закрепленный на жестких центрах пластины 3 и мембранного блока 1.

При подаче давления Р на мембранный блок 1 передача усилия на пластину 3 тензопреобразователя происходит через упругий элемент 2 (пружину или сильфон). Под действием нагрузки перемещение мембранного блока 1 продолжается до упора его жесткого центра 4 в корпусную часть 5 тензопреобразователя, жестко закрепленного в корпусе датчика давления. При дальнейшем нарастании нагрузки перемещения жесткого центра 4 мембранного блока 1 не происходит, вследствие чего усилие на пластину 3 не передается.

Введение связи мембранного блока 1 и пластины 3 через упругий элемент 2 позволяет защитить пластину 3 тензопреобразователя от вибрационных и ударных нагрузок, и обеспечить получение необходимого выходного сигнала при соотношении жесткостей мембранного блока 1, упругого элемента 2 и пластины 3 для каждого диапазона измерения.

Используя в датчиках давления одно исполнение тензопреобразователя с упругим элементом (пружиной или сильфоном), и применяя различные по размеру и жесткости мембранные блоки, можно обеспечить измерение давления в диапазонах от 6,3⋅10^-3 до 4 МПа.

Положительный технический результат от применения предполагаемого изобретения состоит в:

- повышении надежности датчиков давления;

- возможности использования датчиков давления в условиях работы с вероятностью ударных нагрузок и при перегрузках статического давления;

- возможности повышения чувствительности датчиков давления за счет применения различных по размеру и жесткости мембранных блоков.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1 Преобразователь измерительный «Сапфир-22». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 08919030 ТО.

Министерство приборостроения, средств автоматизации и систем управления, Москва, 1983 г.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления, чувствительными элементами которых являются тензопреобразователь, имеющий в своем составе пластину с тензорезисторами, соединенными в измерительный мост, и мембранный блок, воспринимающий измеряемое давление. В конструкции датчика применен упругий элемент, осуществляющий связь мембранного блока с тензопреобразователем. В качестве упругого элемента используется пружина или сильфон. Мембранный блок выполнен в виде двух идентичных соединенных между собой мембран, одна из которых закреплена в корпусе датчика, а другая имеет жесткий центр, воспринимающий давление. Под воздействием нагрузки на мембранный блок происходит передача усилия через упругий элемент (пружину или сильфон) на пластину тензопреобразователя. Перемещение мембранного блока продолжается до упора его жесткого центра в корпусную часть тензопреобразователя. При дальнейшем нарастании нагрузки перемещения мембранного блока не происходит и усилие на пластину тензопреобразователя не передается. Введение связи мембранного блока и пластины тензопреобразователя через упругий элемент позволяет защитить тензопреобразователь от ударных нагрузок и обеспечить получение необходимого выходного сигнала при соотношении жесткостей мембранного блока, упругого элемента и пластины тензопреобразователя для каждого диапазона измерения. Технический результат – обеспечение возможности использования в условиях статических и динамических перегрузок, повышение надежности датчика и возможности повысить чувствительность датчика в нижнем диапазоне измерений. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик давления, имеющий в своем составе корпус с размещенным внутри тензопреобразователем, чувствительным элементом которого является пластина с тензорезисторами, соединенными в измерительный мост, и мембранный блок, воспринимающий давление и содержащий, по меньшей мере, одну мембрану, отличающийся тем, что связь между мембранным блоком и чувствительным элементом тензопреобразователя выполнена в виде упругого элемента.

2. Датчик давления по п.1 отличающийся тем, что в качестве упругого элемента используется пружина.

3. Датчик давления по п.1 отличающийся тем, что в качестве упругого элемента используется сильфон.

4. Датчик давления по п.1 отличающийся тем, что мембранный блок выполнен из двух идентичных соединенных между собой мембран, одна из которых закреплена в корпусе, а другая имеет жесткий центр, воспринимающий давление.