Преобразователь давления Советский патент 1981 года по МПК G01L9/04 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

I

Изобретение относится к тензомет рии и может dHTb использовано для измерения давлений.

Известны датчики давления, содержащие мембрану, связанную с бгшочкой, на которой укреплены тензорезисторы 1.

Ниболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь давления, содержащий цилиндрический корпус, тонкую плоскую круглую мембрану, воспринимающую давление, продольный шток, который находится в фрикционном зацеплении с мембраной и передает таким образом прогиб мембраны консольной балке с вырезом, один конец которой закреплен в корпусе преобразователя (зажат между фланцем и проводящим кольцом), а свободный конец балки с помощью связующего (зпоксидного клея) прикреплён к другому концу штока. Поперек выреза консольной балки установлены с помощью связующего полупроводниковые пьезорезистивиые элементы, выполненные из кремния р-типа, которые изменяют свое сопротивление под действием приложенного к мембране давления- 2 .

2 ,

Недостатками известного устройства являются нелинейность выходной характеристики, ограниченный динами ческий диапазон частот, невозможность получения воспроизводимых и стабильных метрологических характеристик, сравнительно узкий температурный диапазон работы. Фрикционное зацепление штока с воспринимающей

10 мембранойi приводит к уменьшению собственной частоты преобразователя, следовательно, к ограничению динамического диапазона преобразователя.

Цель Изобретения - уменьшение не15линейности выходной характеристики, расширение динамического диапазона работы преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе дав20{Ления, содержащем корпус с мембраной, передающий шток и консольную бгшку с полупроводниковыми тензорезисторами, передающий шток жестко соединен с мембраной и консольной бгилкой и вы25полнен с упругим шарниром, расстояние которого до места крепления штока к балке не менее длины упругого шарнира.

На фиг.1 представлен тензометрический преобразователь давлений (в

30 разрезе); на фиг.2 - зависимости вы ходного сигнала преобразователя от давления при различных температурах в диапазоне: от 20 до . Преобразователь состоит из цилиндрического корпуса 1, на котором закреплена мембрана 2, изготовленная из материала с высокими упругими свойствами, например сплава 44НХТЮ. Мембрана жестко соединена с штоком 3 с выполненным на нем упругим шарниром 4. Другим концом шток жестко соединен с консольной балкой 5, изготовленной из коварового сплава, например сплава 29НК, на которой стеклоприпоем закреплены по лупроводниковые тензорезисторы 6, представляющие собой нить кремния р-типа с ориентацией (III с платиновыми контактами и токовыводами. Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление воспринимается мембраной 2. Прогиб мембраны под действием давления передается посредством штока 3 с упру гим шарниром 4 на консольную балку с полупроводниковыми тензорезистора ми б. Прогиб консольной балки приводит к изменению сопротивления закрепленных на ней тензореэисторов, причем изменение сопротивления, а следовательно, выходного сигнала преобразователя пропорционально измеряемому давлению. Основными преимуществс1ми предлагаемого устройства являются расшире ние динамического диапазона работы, улучшение метрологических характеристик и значительное расширение температурного диапазона работы пре образователя. Улучшение метрологических характеристик предлагаемого устройства достигается жестким сварным соедине нием штока с мембраной и консольной баночкой с помощью лазерной сварки. Это позволяет повысить его собствен ную частоту и расширить динамически диапазон работы преобразователя, а также улучшить воспроизводимость метрологических хара1(стеристик предлагаемого преобразователя. Кроме то го, улучшение метрологических харак теристик преобразователя достигается -Выполнением штока с упругим шарниром, имеющим малую изгибную жестKOCTfy, что позволяет исключить пара зитную составляющую нагрузки консольнс балки с тензорезисторами,кото рая приводит к нелинейности градуир вочных характеристик преобразователя. Размеры упругого шарнира опреде ляются из условия прочности упругог шарнира на изгиб. При заданной относительной дефор мации упругого элемента - балки положение упругого шарнира по высоте штока, позволяющее осуществить линеаризацию градуировочных характеристик преобразователя, можно определить из выражения, входящего в формулу для определения деформации балочки. (Т1 где 0; и 3 моменты инерции площади сечения упругого шарнира и консольноД балки соответственно;длина упругого шарнира; L- расстояние от места закрепления балки к месту крепления штока к балке; а - расстояние от упругого шарнира до места крепления штока к балке; f - прогиб балки. При выполнении условия-j- 7/ 1 обеспечивается минимальная нелинейность градуировочных характеристик преобразователя. Возможность расширения рабочего диапазона температур устройства представлены на фиг,2, где приведены градуировочные характеристики предлагаемого преобразователя давления при различных температурах в диапазоне от 20 до 315°С, В предлагаемом устройстве консольная балка выполнена из сплава коваровой группы 29НК-материала, имеющего коэффициент линейного расширения (КЛР), близкий к КЛР кремния. Для крепления кремниевых тензорезисторов к балке использовался стеклоприпой, например типа C52-I, с КЛР, близким к кремнию и ковару, обладающий высокими упругими свойствами вплоть до +400 С. Стеклоприпой обеспечивает механически прочное соединение кремниевого тензорезистора с коваровой балкой. В качестве тензорезисторов использованы миниатюрные кремниевые тензорезисторы типа Кремнистор с платиновыми токовыводами и контактами, позволяющие проводить термообработку до температуды оплавления стеклоприпоя . Использование коваровых сплавов для изготовления балки и стеклоприпоя для крепления кремниевых тензорезисторов на балках позволяет значительно расширить температурный диапазон работы преобразователя в сторону высоких температур до +400°С и существенно улучшить воспроизводимость и -стабильность . метрологических характеристик, так как при этом сводится к минимуму ползучесть тензорезисторов, обусловленная вязкоупругими свойствами связующих и их изменением с температурой и во времени. Такое выполнение устройства позволяет значительно расширить рабочий диапазон частот, улучшить воспроизводимость и линейность метрологических характеристик преобра эователя, а также значительно расширить рабочий диапазон температур от -60° до +400С.

Предлагаемое устройство может использоваться для измерения давлений жидких и газообразных сред в широком динамическом диапазоне при повышенных и высоких температурах. Возможны области применения - контроль технологических процессов, измерение давления при глубинном бурении нефтяных скважин, исследование параметров двигателей внутреннего сгорания.

Формула изобретения

Преобразователь давления, содержащий корпус с мембраной, связанной

через шток с консольной балкой с полупроводниковыми тензорезисторами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейности выходной характеристики и расширения динамического диапазона работы, в нем щток жестко соединен с мембраной и консольной балкой и выполнен с упругим шарниром, расстояние от которого до места крепления штока к балке не менее длины упругого шарнира.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

(., мВ

го

п

IS

rt

12 10

б

S

ц г

10 15 20 фиг. 2