Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, позволяет расширить диапазон применения датчиков давления, повышает точность измерений и может применяться во всех областях народного хозяйства.

Известен датчик давления, в котором к корпусу прикреплена мембрана, изготовленная из полимерного материала, например из лака ВЛ/6. На мембране с двух сторон расположены чувствительные элементы - четыре тензорезистора при этом нити верхних тензорезистора точно смещены с нитями нижних тензорезисторов. Все четыре тензорезисюра соединены в мост так, чтобы в соседних плечах моста

находились те, которые находятся с разных сторон мембраны.

Однако в конструкции этого датчика не предусмотрены элементы, обеспечивающие выпуск воздуха из корпуса датчика при заполнении его жидкостью (или газом) в процессе проведения измерений. Воздух из корпуса датчика может попадать в систему при ее работе, что во многих случаях недопустимо. Например, наличие пузырьков воздуха в точных регулирующих гидравлических устройствах будет вносить погрешности в регу- лировании и особенно недопустимо попадание воздуха в систему во многих случаях измерений малых давлений в медицине.

Другой недостаток указанного датчика - это расположение тензорезисторов на

XJ CJ СЛ 1X1 1ГО 00

разных сторонах мембраны. Для тензорези- сторов, расположенных внутри корпуса, т.е. соприкасающихся с измеряемой средой, требуется надежная гидроизоляция, а для измерения давлений в агрессивных средах выполнение надежной гидроизоляции осложняет изготовление датчика.

Кроме того, при прогибе мембраны часть нитей тензорезистора, расположенного с наружной стороны мембраны в местах ее заделки, сжимается, а другая часть, удаленная от места заделки мембраны на расстояние, равное ее толщине, растягивается. Растяжение и сжатие разных частей одной и той же нити снижают чувствительность датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик, где предусмотрена возможность выпуска из корпуса воздуха, а также выпуска измеряемой среды, содержащий корпус, осевой присоединительный конический наконечник, центральный пропускной канал которого сообщается с объемной камерой корпуса. В ее верхней части расположен свободный конец жесткого подвижного поршня, имеющего многочисленные обводные лабиринтные уплотняющие каналы, Втулка вставлена в тонкую, калиброванную цилиндрическую стенку с наклеенными на нее снаружи тензометрами с омическим сопротивлением. Упругая втулка вставлена посредством кольцевого изоляционного нижнего элемента в верхнее гнездо корпуса вместе с надетым на нее открытым корпусом, имеющим в верхней наружной части гнездо. Втулка укреплена в корпусе с помощью специальной гайки. В корпусе имеется радиально-осевое сквозное отверстие для отвода газов сгорания с вводом элемента из камеры, расположенным около центральной части подвижного поршня на высоте его каналов.

Одним из недостатков этого датчика является сложность его устройства и изготовления его деталей. Наиболее сложным является изготовление жесткого подвижного поршня, имеющего многочисленные обводные лабиринтные уплотняющие каналы.

Кроме того, он не предназначен для измерения малых давлений.

В случае изготовления датчика описанной конструкции для использования в измерениях малых давлений (единицы и сотни миллиметров водяного столба) цилиндрическая стенка с тензорезисторами (при изготовлении этой стенки из металла) будет настолько тонкой, «то при эксплуатации

датчик в результате пластической деформации стенки может выйти из строя.

В случае изготовления тонкой цилиндрической стенки из эластичного материала

она при выходе из контакта с упругой втулкой изменит свою форму и тензорезисторы выйдут из строя (из-за превышения допустимой деформации для тензорезисторов). Целью изобретения является расшире0 ние диапазона областей применения датчика и повышение точность измерений.

Для достижения этой цели на корпусе датчика, имеющего форму полого цилиндра со штуцером на одном конце и с заглушкой в

5 виде винта на другом, выполнены две диаметрально противоположные параллельные лыс- ки, в центре одной из них выполнено отверстие в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщается с полостью

0 цилиндра, а чувствительный элемент выполнен в виде оболочки, герметично закрывающей большое основание корпуса отверстия, причем винт выполнен со сквозным каналом, соединяющим торцовую и цилиндриче5 скую поверхности его резьбовой части.

Оболочка выполнена в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания конуса отверстия, а радиус тензорезистора, имеющего форму

0 кольца, меньше радиуса большого основания конуса на величину толщины мембраны. С целью использования датчика для определения малых перепадов давлений, измеряемых единицами сотнями миллиметров

5 водяного столба, в нем на цилиндре симметрично конусу отверстия по периферии поперечного сечения цилиндра с лысками выполнены канавки, а оболочка выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей

0 соосно цилиндр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки, причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея. С целью удобства монтажа и демонтажа

5 датчика в процессе его эксплуатации на конце цилиндрической части датчика выполнены лыски под гаечный ключ,

На фиг.1 изображен продольный разрез общего вида тензометрического датчика

0 давления с эластичной мембраной; на фиг.2

-сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - продольный разрез корпуса датчика; на фиг.4 - вид слева фиг.З; на фиг.5 - вид по стрелке Б на фиг.З; на фиг.6 - сечение В-8 на фиг.4; на

5 фиг.7 - винт со сквозным каналом; на фиг.8

-продольный разрез корпуса тензометрического датчика давления с приваренной к нему металлической мембраной и с наклеенным мембранным тензорезистором; на фиг.9 - вид слева фиг.8; на фиг.10 - расположение на мембране мембранного тензо- резистора; на фиг. 11 - изображение формы стяжки; на фиг. 12 - вид слева фиг. 11; на фиг. 13 - развертка стяжки по длине.

Тензометрический датчик давления со- стоит из корпуса 1, содержащего сквозное осевое отверстие 2 с расточкой 3 и с резьбовой частью 4, кольцевую проточку 5 с отфрезерованными лысками 6, измерительную ячейку 7, имеющую форму усеченного кону- са, ось которого перпендикулярна сквозному отверстию, лыски 8 под гаечный ключ, резьбовую часть 9 на максимальном диаметре корпуса, присоединительную резьбовую часть 10, отверстие 11 для вывода проводов, мембраны 12, мембранного тен- зорезистора 13, центр которого совмещают с осью измерительной ячейки, выполненной так, чтобы радиус окружности ее основания, прилегающего к лыске, был больше на тол- щину мембраны радиуса окружности, описанной вокруг решетки мембранного тензорезистора, винта 14 с глухим осевым отверстием 15 и с радиальным отверстием 16, просверленным через конец глухого от- верстия и резьбовую часть 17 винта, уплот- нительных колец (прокладок) 18 и 19, защитного кожуха 20с резьбовой частью 21, монтажной колодки 22 и присоединительных проводов 23.

При изготовлении датчиков малых давлений с использованием эластичной мембраны, например, из резины в корпусе датчика перпендикулярно его оси и симметрично к конусному отверстию выполняют две канавки 24. При монтаже эластичной мембраны на корпусе ее растягивают, приклеивают к корпусу клеем и закрепляют стяжками совмещая их с канавками 24.

Мембранный тензорезистор 13 имеет периферийные части колец, состоящих из токопроводящих нитей, расположенных ра- диально, и внутренних частей колец, состоящих из нитей, расположенных по дугам окружностей, центр которых является цент- ром тензорезистора, например тензорези- сторы типа КФ 5 М.

Эластичную мембрану перед приклеиванием к корпусу растягивают. Растяжение эластичной мембраны при ее монтаже производится с целью устранения появления неплоскостности ее поверхности над основанием измерительной ячейки при повышении температуры в заданном температур- ном диапазоне работы датчика. Оболочка, образующая мембрану, выполняется в виде эластичной трубки, которая для удобства склеивания с корпусом может быть разрезана по ее продольной образующей.

Канавки для стяжек с целью упрощения конструкции стяжек выполняются по цилиндрическим и по плоским частям поверхностей. Радиус поперечного сечения канавок выполняется больше радиуса проволоки стяжки на толщину мембраны.

Стяжки могут быть выполнены, например, из капролактана или металлической проволоки. Соединяющиеся крючки стяжки должны быть жесткими на изгиб. Жесткость крючков на изгиб можно увеличивать, например, при помощи их термообработки, не подвергая термообработке большую часть стяжек.

Длина развертки стяжки определяется выражением

I P- АР + а,

где I -длина развертки стяжки между точками касания при зацеплении крючков;

Р - периметр поперечного сечения корпуса с наклеенной оболочкой без учета канавок;

ДР - уменьшение периметра поперечного сечения корпуса в месте расположения стяжек за счет проточки канавок и сжатия эластичной оболочки.

Величина А Р с учетом различной ширины лыски для выполнения конусной ячейки заключена в следующих пределах:

6,2832 (h+ ) А Р 8(). где 6,2832 - коэффициент при приближении формы поперечного сечения к окружности;

h - глубина канавки;

А 5 - уменьшение толщины места мембраны под стяжками;

А д 0,05 - 0,3 5, в зависимости от твердости эластичного материала мембраны;

8 - коэффициент при приближении формы поперечного сечения корпуса к прямоугольнику;

а - длина проекции на линию стяжки отрезка крючка от его конца до внутренней линии изгиба (см. фиг.13),

a 0,55d- 1d,

где d - диаметр проволоки, из которой выполнена стяжка.

При изготовлении датчиков, предназначенных для измерений высоких давлений, измеряемых единицами и сотнями атмосфер, на корпус датчика приваривают металлическую мембрану 26.

В процессе повышения давления в измеряемой системе мембрана, прикрепленная, например, к корпусу датчика по окружности основания измерительной ячейки, будет принимать выпуклую форму Зона поверхности выпуклой части, удаленная на расстояние толщины мембраны от

этой окружности, будет иметь деформацию растяжения, а наружная зона поверхности мембраны, расположенная в непосредственной близости к месту крепления, т.е. окружности основания ячейки, - деформацию сжатия. При сравнительно небольших деформациях мембраны, величины которой ограничиваются пределом упругой деформации решеток тензорезисторов, расстояние от места закрепления мембраны до зоны поверхности растяжения не превышает толщины мембраны и уменьшается с увеличением выпуклости мембраны.

С целью повышения прямолинейности выходного сигнала, точности измерений и чувствительности датчика к изменению избыточного давления в измеряемой системе периферийная часть решетки тензорезисто- ра, имеющая кольцевую форму (см. фиг.10), не должна попадать в зону знакопеременной деформации мембраны при изменении ее выпуклости. Зависимость между радиусами окружности основания ячейки, прилегающей к мембране, и окружности, описанной вокруг решетки мембранного тензорезистора, описывается выражением

г R -д,

где г - радиус окружности, описанный вокруг решетки мембранного тензорезистора;

R - радиус окружности большого основания конуса;

д - толщина мембраны.

Перед измерением давления жидкости в системе из датчика удаляют воздух. Для удаления воздуха из датчика его присоединяют к системе и придают продольной оси датчика горизонтальное положение. При горизонтальном положении датчика измерительную ячейку 7 с мембранным тензорезистором 13 ориентируют вниз. Откручивают винт 14 так, чтобы между уплотнительной прокладкой 18 и торцовой поверхностью расточки 3 был зазор.

При давлением воздуха вместе с жидкостью выходит через осевое 15 и радиальное 16 отверстия винта и через зазор между прокладкой и торцовой поверхностью расточки.

После выпуска воздуха утечка жидкости перекрывается путем поджатия винтом 14 прокладки 18

При измерениях давления газов в системе, в случае необходимости их отвода через датчик, выпускаемый газ проходит через осевое и радиальное отверстия винта, через зазоры резьбовой части 17 винта и резьбовой части 4 корпуса датчика и через зазор между прокладкой и торцовой поверхностью расточки. Регулировка скорости истечения отводимого газа производится винтом 14 путем изменения величины зазора между прокладкой и торцовой поверхностью расточки.

Датчик работает следующим образом.

При повышении измеряемого давления относительно окружающей среды мембрана 12 (26) прогибается, образуя выпуклую форму. Радиально расположенные периферий0 ные нити мембранного тензорезистора 13, удаленные от места контакта мембраны с корпусом на расстояние, не меньше толщины мембраны, растягиваются и их омическое сопротивление увеличивается. Нити

5 тензорезистора, расположенные ближе к его центру по дугам окружностей, практически не изменяют своего сопротивления. Мембранный тензорезистор может быть включен в мостовую или полумостовую из0 мерительную схему. С выхода измерительной системы снимается электрический сигнал, пропорциональный возрастанию измеряемого давления.

Датчик, изготовленный с эластичной

5 мембраной и предназначенный для измерений малых давлений, можно использовать как при повышении давления в системе, так и при понижении давления (при создании вакуума). В процессе понижения давления в

0 системе относительно окружающей среды мембрана прогибается внутрь измерительной ячейки, образуя вогнутую форму. При прогибании мембраны внутрь радиально расположенные периферийные нити мемб5 ранного тензорезистора растягиваются, а расположенные по дугам окружностей возле центра тензорезистора в начальный период деформации мембраны сжимаются. Затем в процессе увеличения вогнутости

0 длины дугообразных нитей достигают исходного (первоначального) значения и при дальнейшем прогибе внутрь длины и сопротивление дугообразных нитей, по сравнению с сопротивлением радиально расположен5 ных нитей, в рабочем диапазоне деформации тензорезистора увеличиваются незначительно, что позволяет снимать с измерительной схемы электрический сигнал, пропорциональный уменьшению давления.

0 Возможность удаления воздуха из корпуса датчика, повышение точности измерений, а также унификация корпусных деталей для датчиков малых и больших давлений позволяют расширить диапазон примене5 ния датчика.

Предлагаемый датчик может быть использован в автомобилестроении, станкостроении, в двигательных установках, в тяжелом машиностроении и других областях народного хозяйства.

Формула изобретения 1. Датчик давления, содержащий корпус в виде полого цилиндра, на одном конце которого выполнен штуцер, а на другом - заглушка в виде винта и чувствительный элемент с тензорезистором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, на цилиндре выполнены две диаметрально противоположные параллельные лыски, в центре одной из них выполнено отверстие в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщен с полостью цилиндра, а чувствительный элемент выполнен в виде оболочки, герметично закрывающей большое основание конуса отверстия, причем винт выполнен со сквозным каналом, соединяющим торцовую и цилиндрическую поверхности его резьбовой части.

Уг

v J

ESf

Б

18

14

Фиг.1

5

2.Датчик по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в нем оболочка выполнена в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания конуса отверстия, а тензорезистор выполнен в виде кольца, радиус которого меньше радиуса большого основания конуса на величину толщины мембраны.

3.Датчик по п.1,отличающийся тем, что в нем на цилиндре симметрично конусу отверстия по периферии поперечного сечения цилиндра с лысками выполнены канавки, а оболочка выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей соосно цилиндр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки, причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея.

20

А-А

Фиг.2

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности. На корпусе 1 в виде полого цилиндра выполнены две диаметрально противоположные параллельные лыски. В центре одной из них выполнено отверстие 7 в виде усеченного конуса, который малым основанием сообщен с полостью 2 цилиндра. Чувствительный элемент выполнен в виде оболочки 12, герметично закрывающей большое основание конуса отверстия 7. Выполняющий роль заглушки и расположенный на конце полого цилиндра винт 14 выполнен со сквозным отверстием, соединяющим торцовую и цилиндрическую поверхность его резьбовой части. Оболочка датчика может быть выполнена в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии большого основания корпуса отверстия. Оболочка может быть выполнена в виде эластичной трубки, охватывающей соосно цилиндр с канавками, в которые поверх эластичной трубки уложены стяжки 25. Причем эластичная трубка дополнительно скреплена с цилиндром с помощью клея. 1 с.п. ф-лы, 13 ил. Ё

1 24

Фиг. 4

д-гпф

L-гпф

дрпд

8219011

Фае.Ю

:Р Ч

Фие.11

Фиг. 11

D

а

Фие. 13