Способ изготовления струнного датчика Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

Фиг 1

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления, усилий и других механических величин.

Известен способ изготовления струнного датчика, заключающийся в формировании упругого элемента с выступами, выполнении в них отверстий, расположении в отвфстиях втулок, электрической изоляции концов струны и жестком закреплении струны во втулках при помощи винтов.

Недостатком известного способа изготовления струнного датчика является невысокая технологичность, которая проявляется в необходимости множества ручных операций, характер которых делает их автоматизацию экономически нерентабельной. Кроме того, закрепление струны при помощи винтов существенно ухудшает надежность и стабильность натяжения струны вследствие принципиальной ненадежности винтового закрепления. Особенно существенно проявляете ненадежность винтового закрепление при длительном времени эксплуатации. Ненадежность натяжения струмы является основой ненадежности датчике в целом, т.к. метяжвмие струны определяет вян««ш«е херэктермстюви струнного датчика.

Известен способ изготовления струимого датчика, заключающийся в формировании упругого элемента с выступами, вплавлеиии а них изоляционного материала, нагревании струны пропусканием через нее электрического тока, внедрении струны в изоляционный материал и прекращение ее нагрева.

Недостатком известного способа изготовления струнного датчика является недостаточная технологичность, связанная с трудностью выявления и отбраковки узлов с пониженной надежностью непосредственно после внедрения струны. В известном способе изготовления качество присоединения струны к упругому элементу возможно определить только после сравнительно длительных испытаний на сохраняемость упругого элемента со струной или датчика в целом, В противном случае остаточные температурные напряжения спая изолятор- струна, которые могут иметь довольно значительные величины у отдельных экземпляров узлов, изготовленных по известному способу приводят к существенной нестабильности аддитивной и мультипликативной чувствительностей датчика в процессе эксплуатации. Кроме того, недостатком известного способа изготовления струнного

датчика является недостаточная надежность, также связанная с наличием неравно- мерности остаточных термических напряжений в изоляторе у некоторых экземпляров узлов. Наличие неравномерности остаточных напряжений приводит к потенциальной ненадежности струнных датчиков давления, изготовленных по известному способу, проявляющейся в нарушении ме0 ханической целостности изолятора, особенно в области криогенных температур.

Целью изобретения является повышение технологичности, надежности и стабильности за счет выявления на ранних

5 стадиях изготовления потенциально нена- / дежных узлов и за счет уменьшения неравномерности термических напряжений изолятора и струны, возникающих во время присоединения струны.

0 Указанная цель достигается тем. что в способе изготовления струнного датчика,, заключающемся в формировании упругого элемента с выступами, вплаалении в них изоляционного материала, нагревании

5 струны пропусканием через нее электрического тока, внедрении струны в изоляционный материал л прекращении ее нагрева, в соответствии с предполагаемым изобретением располагают упругий элемент со стру0 ной над поверхностью инертного сжиженного газа а зоне его интенсивного испарения, нагревают струну до температуры не менее максимальной рабочей температуры, но не превышающей темпеовтуры,

5 после которой следует рэзмягчение изоля- ционного материала, перемещают упругий элемент со струной в направлении сжиженного газа, прекращают нагрев струны в момент соприкосновения струны с

0 поверхностью сжиженного газа, погружают упругий элемент со струной в сжиженный газ, а затем извлекают его из сжиженного газа.

Сопоставительный анализ с прототи5 пом показывает, что заявляемый способ изготовления отличается тем, что располагают упругий элемент со струной над поверхностью инертного сжиженного газа в зоне его интенсивного испарения, нагревают струну

0 до температуры не менее максимальной рабочей температуры, но не превышающей температуры, после которой следует размягчение изоляционного материала, перемещают упругий элемент со струной в

5 направлении сжиженного газа, прекращают нагрев струны в момент соприкосновения струны с поверхностью сжиженного газа, погружают упругий элемент со струной в сжиженный газ, а затем извлекают его из сжиженного газа.

Таким образом, заявляемый способ изготовления соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

На фиг. 1, 2 изображены отдельные этапы процесса изготовления струнного датчика.

Предлагаемый способ изготовления реализуется следующим образом. Формируют упругий элемент 1 с выступами 2. Выполняют струну 4 из электропроводного тугоплавкого материала, например, из вольфрамо-рениевого сплава ВР-20. Формируют в выступах пазы Формирование пазов может проводиться любым известным методом, например, фрезерованием. Формирование пазов может проводиться и в одном цикле с изготовлением упругого элемента и выступов. Вплавляют в пазы изоляционный материал 3 с меньшей температурой размягчения, по сравнению с температурой рекристаллизации материала струны. В качестве этого материала может использоваться стекло С52-1, имеющее температуру размягчения 585°С. Температура рекристаллизации сплава ВР-20 равна 1500°С. Для обеспечения работоспособности струнного датчика в широком диапазоне температур дополнительно необходимо обеспечить близость температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материала струны и изоляционного материала. В качестве изоляционного материала и материала струны могут быть использованы и другие сочетания материалов, имеющих близкие температурные коэффициенты линейного расширения и необходимые соотношения температур размягчения и температур рекристаллизации. При этом с целью уменьшения температурных погрешностей при эксплуатации упругий элемент с выступами изготавливают из материала с аналогичным или близким ТКЛР. Помещают струну и упругий элемент в защитную среду, В качестве защитной среды используется инертный газ или вакуум. Нагревают струну 4 пропусканием электрического тока через нее при помощи токопроводов 5. Величину электрического тока подбирают экспериментальным путем. Температура нагрева струны превышает температуру размягчения изоляционного материала, но меньше температуры рекристаллизации струны.

Внедряют струну в изоляционный материал. Внедрение струны осуществляется параллельным перемещением струны в направлении упругого элемента. Переме- 5 щение осуществляется с помощью манипулятора. После достижения необходимого положения струны прекращают нагрев струны, уменьшив ток, протекающий через струну, до нуля. При достижении струной

0 температуры отверждения изоляционного материала происходит жесткое закрепление струны в выступах упругого элемента. После полного охлаждения струны автоматически получается натяг струны, связан5 ный с тем, что при внедрении нагретой струны упругий элемент практически не нагревается и его линейные размеры неизменны, а длина струны увеличилась вследствие ее термического расширения. Располагают

0 упругий элемент со струной а зоне интенсивного испарения инертного сжиженного газа (см. фиг. 1). В качестве этого газа целесообразно использовать азот. Жидкий азот невзрывоопасен, сравнительно дешев, име5 ет температуру минус 196°С. Нагревают струну пропусканием через нее электрического тока до температуры не превышающей температуры размягчения изоляционного материала. Учитывая, что в

0 нашем случае температура размягчения изоляционного материала равна 585°С, а максимальная рабочая температура струнного датчика равна 300°С, температура нагрева струны выбрана равной 400°С.

5 Прекращают нагрев струны, уменьшив ток. протекающий через струну, до нуля. Погружают упругий элемент соструной в сжиженный газ (см. фиг. 2). При этом в связи с тем, что теплоемкость сжиженного газа сущест0 венно больше теплоемкости его паров, происходит сравнительно быстрее охлаждение струны и упругого элемента. Извлекают упругий элемент из сжиженного газа. Контролируют внешний вид упругого элемента со

5 струной, обращая особое внимание на состояние узла изолятор-струна. При обнаружении повреждений, растрескивания стекла, деформаций струны и т.п. узлы бракуются. Кроме того, возможно контролиро0 еание электрических параметров, например сопротивления изоляции. В случае, если сопротивление изоляции между струной и упругим элементом меньше допустимой величины, то узлы бракуются. Расположе5 ние упругого элемента со струной над поверхностью инертного сжиженного газа позволяет существенно увеличить скорость изменения температуры среды окружающей упругий элемент со струной, так как в этом случае в силу минимальности расстояния до сжиженного газа обеспечивается минимальность времени от момента прекращения разогрева струны до момента погружения струны в сжиженный газ. В то же время вследствие существенно меньшей теплоемкости паров сжиженного газа по сравнению со сжиженным газом расположение упругого элемента со струной в зоне интенсивного испарения сжиженного газа не вносит серьезных трудностей в нагрев узла изолятор-струна до требуемой температуры. Помещение упругого элемента со струной в зону интенсивного испарения кроме того, позволяет устранить окислительные процессы при нагревании струны вследствие инертности применяемого газа. Увеличение скорости изменения температуры среды окружающей упругий элемент позволяет, во-первых, более качественно выявлять потенциально ненадежные узлы а во-вторых, существенно улучшить равномерность распределения остаточных термо- деформаций узла изолятор-струна. Нагревание струны пропусканием через нее электрического тока позволяет свести до минимума время от момента разогрева струны до момента погружения струны в сжиженный газ и, следовательно, максимально увеличить скорость изменения температуры окружающей среды. Температура разогрева струны, с одной стороны, не должна превышать температуру размягчения изоляционного материала для того, чтобы существенно не изменить натяжение струны, а с другой стороны, температура разогрева струны должна быть не менее максимальной рабочей температуры датчика для обеспечения выявления потенциальной ненадежности и повышения равномерности остаточных термодеформаций узла изолятор-струна во всем температурном диапазоне датчика. Прекращение нагрева струны перед погружением узла в сжиженный газ позволяет устранить излишнее испарение жидкого азота, т.е. повышает технологичность. Погружение упругого элемента со струной в сжиженный газ обеспечивает максимальную скорость изменения температуры окружающей среды и как следствие качественное выявление потенциаль- ных ненадежностей и максимальное выравнивание неравномерностей остаточных термонапряжений. Извлечение упругого элемента, удаление упругого элемента со струной от поверхности сжиженного газа и выдержка упругого элемента со струной на воздухе до восприятия температуры нормальных климатических условий обеспечивают постепенное снижение и достаточно плавное выравнивание температурных напряжений в узле изолятор-струна Контроль внешнего вида и других характеристик упругого элемента со струной после проведения всех операций необходим для выявления

неравномерности распределения остаточных термодеформаций, скрытых дефектов материалов и т.п.

Заявляемый способ изготовления струнных датчиков позволяет обеспечить

изготовление датчиков с надежным креплением струны без применения ручного труда. Заявляемый способ хорошо реализуется на современных роботизированных комплексах, роторно-конвейерных линиях. Таким

образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемого способа изготовления струнных датчиков по сравнению с прототипом является повышение технологичности за счет устранения ручных операций и возможности автоматизации на современных роботизированных комплексах и роторно-конвейерных линиях. Технологичность заявляемого способа повышается также за счет выявления на

ранних стадиях потенциально ненадежных элементов. Другим преимуществом заявляемого способа изготовления является повышение надежности за счет уменьшения неравномерности термических напряжений

изолятора и струны, возникающих во время присоединения струны Вероятность безотказной работы датчика, изготовленного в соответствии с заявляемым решением, 0,995 при рисках поставщика и заказчика

a-fi 0,2, Вероятность безотказной работы датчика Вт 1201, изготовленного в соответствии с прототипом, составляет 0,98 при рисках поставщика и заказчика a j3 0,2 . Преимуществом заявляемого

решения является также повышение стабильности за счет выявления на ранних стадиях изготовления потенциально ненадежных узлов и зз счет уменьшения неравномерности термических напряжений, которые могут привести к изменению технических характеристик в процессе эксплуатации. Временная погрешность, обусловленная нестабильностью, у струнного датчика Вт 1201, изготовленного в соответствии с прототипом составляет 1,5%, а временная погрешность.у струнного датчика, изготовленного в соответствии с заявляемым решением, не превышает 1,0%.

Формула изобретения

Способ изготовления струнного датчика, заключающийся в формировании упругого элемента с выступами, вплавлении в них

изоляционного материала, нагревании струны пропусканием через нее электрического тока, внедрении струны в изоляци- онный материал и прекращении ее нагрева, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, располагают упругий элемент со струной над поверхностью инертного сжиженного газа в зоне его интенсивного испарения, нагревают струну до температуры не менее макси0

мальной рабочей температуры, но не превышающей температуры, после которой следует размягчение изоляционного материала, перемещают упругий элемент со струной в направлении сжиженного газа, прекращают нагрев струны в момент соприкосновения струны с поверхностью сжиженного газа, погружают упругий элемент со струной в сжиженный газ, а затем его извлекают оттуда.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления, усилий и других механических величин. Целью изобретения является повышение технологичности. Сущность изобретения: в способе изготовления струнного датчика, заключающемся в формировании упругого элемента 1 с выступами 2. вплавлении в них изоляционного материала 3, нагревании струны 4 пропусканием через нее электрического тока, внедрении струны в изоляционный материал и прекращении ее нагрева, располагают упругий элемент 1 со струной 4 над поверхностью инертного сжиженного газа в зоне его интенсивного испарения, нагревают струну до температуры не менее максимальной рабочей температуры, но не превышающей температуры, после которой следует размягчение изоляционного материала, перемещают упругий элемент со струной в направлении сжиженного газа до момента соприкосновения струны с поверхностью сжиженного газа, прекращают нагрев струны, погружают упругий элемент со струной в сжиженный газ, а затем извлекают его из сжиженного газа. 2 ил. сл с 4 VI О vj Ю

- -иШмтшш&%

х

Фиг.1