Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/10 

Изобретение относится к авиационному приборостроению, а именно к датчикам давления, используемым на борту летательных аппаратов.

К приборам, монтируемым на авиационных бортовых системах, и, в первую очередь, на двигателях, предъявляются весьма жесткие требования надежной работоспособности при постоянно действующих вибрационных и температурных нагрузках, являющихся обычными рабочими режимами этих систем, с сохранением заданной точности в течение длительного срока эксплуатации, Часто для этих целей используют датчики давления с индуктивными преобразователями. Они наиболее отработаны и их характеристики ближе других удовлетворяют многим требованиям зкс- - плуатации.

Однако одной из проблем конструирования современных датчиков является обеспечение стабильности их показаний а течение длительного срока, соответствующего, обычно, ресурсу работы двигателя. Эта проблема является наиболее трудно- разрешимой.Требуется создание жесткой, монолитной конструкции датчика без подвижных элементов, винтовых и резьбовых соединений и особенно в креплении чувствительных элементов и магнитопроводов, так как в этих соединениях в результате релаксации напряжений происходит ослабление затяжек, появление люфтов, приводящих к изменению характеристик датчиков.

В датчиках со сварными соединениями элементов достигнута жесткость конструкции, исключены люфты, но обеспечение временной стабильности достигается применением специальных дифференциальных узлов и схем.

Известен индуктивный датчик, в котором обеспечение стабильности решается введением дополнительного дифференциально-трансформаторного преобразователя и дополнительного электронного преобразователя. Его принцип действия основан на одновременном и одинаковом изменении характеристик обоих преобразователей во времени и вычитании изменения показаний дополнительного преобразователя из результатов измерений.

Однако, недостатком этого принципа компенсации является то, что дополнительные преобразователи увеличивают габариты и массу датчика, снижают надежность его в работе.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик давления, содержащий мембрану Ь-образной формы, по обе стороны

которой установлены обоймы с катушками.

Такая конструкция обладает высокой

жесткостью, в ней отсутствуют винтовые и

резьбовые соединения, и компенсация температурной погрешности достигается выбором материалов, однако ее погрешности будут определяться изменением характеристик элементов магнитной цепи от темпера0 туры и времени.

Кроме того, этот датчик не обладает достаточной помехозащищенностью ввиду того, что рабочие магнитные поля проходят по наружной поверхности корпуса. По той же

5 причине, в результате воздействия температуры окружающей среды,влажности и окисления (старения) наружной поверхности корпуса дополнительные погрешности и временная нестабильность будут значи0 тельными.

Существенным недостатком конструкции этого датчика является то, что неравенство температур обеих половин в процессе эксплуатации при изменениях температуры

5 окружающей среды приводит к дополнительной температурной погрешности.

Цель изобретения - повышение точности и стабильности показаний индуктивных датчиков давления.

0 Поставленная цель достигается тем, что в датчик введен корпус, выполненный из двух чашеобразных половин, между которыми с зазорами установлена мембрана с утолщенной периферийной частью, дватон5 костейных экрана, выполненных в виде ста- канов из немагнитного материала и расположенных в чашеобразных половинах корпусов, в которых установлены магни- топроводы с катушками. При этом корпус,

0 мембрана и магнитопроводы выполнены из одинакового материала, и материал экранов имеет одинаковый температурный коэффициент материала, и материал экранов имеет одинаковый температурный коэффициент

5 линейного расширения с материалом корпуса и магнитопроводов, а твердость материала магнитопроводоа меньше твердости материала мембраны.

На фиг. 1 приведена конструктивная

0 схема предлагаемого датчика давления, разрез А-А; на фиг. 2 - график зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного Поля сплава ВУС-12,

Мембрана 1 имеет плоскую рабочую по5 верхность и утолщенную периферийную часть, придающую мембране Н-образную форму. В корпусах 2 и 3 плотно установлены экраны 4 и 5, в них - магнитопроводы 6 и 7. В магнитопроводах запрессованы каркасы 8 и 9 с обмотками 10 и 11.

Каркасы 8 и 9 выполнены из немагнитного металла (например, титана) с покрытием поверхностей под обмоткой высокотемпературным лаком, напрессованы на магнитол роводы и со стороны мембранызакрытытонкимипластинами-диафрагмами 12 и 13, приваренными по наружным диаметрам к корпусам 2 и 3, в центре - к полюсам магнитопроводов 6 и 7.

Диафрагмы 12 и 13 выполнены из немагнитного вакуумнойлотного материала и обеспечивают герметизацию подмембран- ной (надмембранной) полости и защиту катушек от воздействия измеряемой среды. В периферийной части мембраны 1 выполнены отверстия, расположены по разные стороны от ее рабочей плоскости и снаружи приварены штуцера 14 и 15 для подвода давлений. На наружной утолщенной части мембраны выполнен тонкий фланец, расположенный в одной плоскости с рабочей поверхностью мембраны. На этом фланце выполнены лапки 16 с отверстиями, через которые осуществляется крепление датчика на объекте. Корпуса с экранами, магнито- проводами, катушками и диафрагмами свариваются с мембраной по ее утолщенной части и закрываются кожухами 17 и 18, выполненными из пермаллоя, с образованием воздушного зазора между элементами 2, 3 и 17, 18. Воздушные зазоры заполняются пенополиуретаном 19 и 20, имеющим коэффициент теплопроводности значительно ниже, чем воздух.

Мембрана, магнитопроводы и корпуса выполнены из одинакового элинварного сплава, в частности ВУС-12, но имеют раз личные прочностные (упругие) и различные магнитные характеристики. Эти свойства (фиг. 2) обеспечиваются соответствующими режимами термообработки (кривая 1 - после закалки и двойного дисперсионного твердения; кривая 2 - после закалки и при температуре +105, +25 и -70°С.

В таблице приведены материалы элементов датчика и их основные характеристики.

Как видно из таблицы, мембрана имеет наибольшую твердость. Это достигнуто благодари двойному дисперсионному твердению под нагрузкой и необходимо для снижения упругого последействия и гистерезиса мембраны и, в конечном итоге, обеспечения наибольшего совпадения ее упругих характеристик при первом и последующих нагружениях, что является существенным для повышения точности мембранных датчиков давления. Однако после закалки и двойного дисперсионного

твердения магнитная проницаемость мембраны снижается (кривая 1, фиг. 2), и влияние на нее температуры увеличивается. Для компенсации этих изменений введен магни- 5 топровод из того же,элинварного сплава, но не подвергнутый дисперсионному твердению и имеющий низкую твердость, а в результате этого обладающий большим значением начальной магнитной проницае0 мости и меньшим значением температурногокоэффициентамагнитнойпроницаемости.

Предлагаемая конструкция датчика является высокоуниверсальной. При сохра5 нении одних и тех же деталей она позволяет разрабатывать три варианта датчиков: для измерения избыточного давления, абсолютного давления и разности давлений.

0 В датчике избыточного давления штуцер 14 соединяют с трубопроводом измеряемой магистрали давления, а трубопровод штуцера 15 оставляют открытым. В датчике абсолютного давления трубопровод штуце5 ра 15 заварен, а полость между мембраной 1 и корпусом 2 вакуумирована. В датчике разности давлений штуцера 14 и 15 соединяются с трубопроводами измеряемых давлений.

0 Датчик работает следующим образом.

Измеряемое давление через штуцер 14 подводится к мембране 1 и деформирует ее, что приводит к перераспределению воздушных зазоров между мембраной и магнито5 проводами. При включенном питании обмоток это приводит к перераспределению магнитных сопротивлений (индуктив- ностей) цепей, которое на выходе преобразуется в изменение напряжения,

0 пропорционального измеряемому давлению.

Так как элементами магнитной цепи являются магнитопровод, воздушный зазор и мембрана, то за счет того, что в материале

5 магнитопровода достигнуто наибольшее значение начальной магнитной проницаемости и наименьшее значение ее температурного коэффициента, температурная погрешность и временная нестабильность

0 магнитной системы существенно снижаются и определяются, в основном, изменением магнитных свойств мембраны.

Кроме того, дополнительными факторами, влияющими на точность, является следу5 ющее.

Введение кожуха из пермаллоя, являющегося вторым экраном, позволяет обеспечить дополнительную помехозащищенность магнитной системы, а двойное экранированив - осуществить работу магнитной системы в режиме слабых магнитных полей, т.е. на начальном линейном участке кривой намагничивания, и обеспечить более высокую линейность выходной характеристики дат- чика. Крепление датчика через лапки, выполненные на тонком наружном фланце, обеспечивают симметричное и равномерное распределение тепла, подводимого через тепловой контакт фланца между обеими половинами датчика. Крепление за лапки снимает передачу на мембрану и магнито- проводы деформации от крепления датчика к объекту и тем более влияние изменения этого крепления в эксплуатации со време- нем.

Введение воздушного зазора между кожухом и корпусом и заполнение его пенопо- . лиуретаном (коэффициент теплопроводности пенополиуретана значительно меньше, чем воздуха) позволяет снизить влияние колебаний температуры на корпус, магнитопровод и мембрану, а введение металлических каркасов катушек, напрессованных на магнито- проводы, обеспечивает уменьшение температурной инерционности между корпусными металлическими деталями и обмоткой из медного провода. Введение раздельных магнитопроводов, расположенных в корпусах под магнитными экранами и не имеющих непосредственного контакта с окружающей и измеряемой средами, позволяет исключить влияние этих сред на магни- топроводы. б случае питания датчика импульсным или высокочастотным напря-

жением изменение влажности оказывает существенное влияние на работу датчика.

Использование упомянутых признаков позволяет разработать датчики абсолютного, избыточного и разности давлений, предназначенные для прецизионных систем измерения давлений по тракту газотурбинного двигателя и выдачи сигналов в электронную систему управления двигателем. Опытные образцы датчиков давления предлагаемой конструкции обеспечивают точность измерения +1% от текущего значения измеряемого давления.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, выполненный из двух чашеобразных поло- вин, между которыми с зазором установлена мембрана с утолщенным периферийным основанием, два магнитопровода с установленными в них катушками, размещенных в полостях чаш, и подводящие штуцеры, при этом корпус, мембрана и магнитопроводы выполнены из одинакового материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности, в него введены два тонкостенных экрана, выполненных в виде стаканов из немагнитного материала, имеющего одинаковый температурный коэффициент линейного расширения с материалом корпуса и магнитопроводов, при этом стаканы расположены в полостях чаш между их стенками и магнитопроводами, имеющими твердость меньше твердости мембраны.

JI,omH

1000

Фаг. 2

1500 Н(ф)

Изобретение относится к индуктивным датчикам давления и позволяет повысить точность и стабильность датчика давления. Датчик содержит мембрану 1, по обе стороны которой расположены магнитные системы, состоящие из одинаковых элёментфв-обмоток 10 и 11, установленных в маг нитопроводах 6 и 7. На магнитопроводы надеты немагнитные экраны 4 и 5. Материал немагнитных экранов имеет одинаковый температурный коэффициент линейного расширения с материалом маг- нитопроводов и корпуса. Магнитопроводы, корпус и мембрана выполнены из одного и того же элинварного сп/1ава-ВУС-12, но за счет различной термообработки материал магнитопроводов 6 и 7 имеет меньшую твердость, чем материал мембраны. Это позволяет уменьшить температурную погрешность и повысить помехозащищенность. Датчик обладает высокой точностью измерений ± 1 % от текущего значения измеряемого давления и предназначен для работы в комплекте с электронными системами управления газотурбинными двигателями. 2 ил. 1 табл. к-А 3 ig 17 п -8 L (Л С § %1 со ся