Тензорезисторный датчик давления

 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к конструкциям тензорезисторных датчиков давления. Заявляемый датчик давления содержит корпус, размещенный в нем упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра с герметично закрытым концом, свободный торец которого снабжен подводящим штуцером, тензорезисторы, размещенные на поверхности полого цилиндра, и стакан, установленный с внешней стороны упругого элемента соосно с ним, при этом основание стакана жестко закреплено на свободном торце цилиндра, а на поверхности стакана размещены нормирующие и компенсационные резисторы, соединенные в электрическую мостовую схему, при этом упругий элемент и стакан выполнены с одинаковой теплопроводностью, а их площади поперечного сечения равны. Соосное расположение упругого элемента и стакана в сочетании с вышеуказанным их выполнением позволяет использовать датчик для измерений давления в условиях термоудара, так как активные тензоризисторы и нормирующие и компенсационные резисторы находятся в равных тепловых условиях при любой скорости измерения температуры вдоль оси датчика. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к конструкциям тензорезисторных датчиков давления, и может быть использовано при конструировании датчиков давления.

Из уровня техники известны тензорезисторные датчики давления (ТДД), содержащие упругий элемент (УЭ) с наклеенными на него рабочими тензорезисторами и резисторами нормирования и термокомпенсации, соединенными в мостовую схему (см. Е.П.Осадчий и др. Проектирование датчиков для измерения механических величин. М. изд. Машиностроение. 1979 г.). Нормирование и термокомпенсацию осуществляют в этих датчиках включением в мостовую схему проволочных или фольговых резисторов, например так называемых преобразователей нормирующих фольговых (ПНФ).

Недостатками известных ТДД являются большие размеры УЭ и датчика в целом, ограниченность собственной частоты за счет габаритно-весовых параметров УЭ и возможность появления брака при настройке мостовой схемы ТДД по причине замыкания на массу уже наклеенных подстроечных (нормирующих и компенсационных) резисторов. Указанные недостатки обусловлены тем, что необходимо применять значительные по величине (12х16 мм) и количеству (до 6 штук) подстроечные резисторы ПНФ и увеличивать размеры УЭ для обеспечения места их расположения. Например, конструкция норморяда ТДД типа 001ДДТ (черт. АП 19344.000) включает в себя УЭ, совмещенный с присоединительным штуцером и имеющий зону упругой деформации и недеформируемую зону. В зоне упругой деформации наклеиваются два активных тензорезистора типа КФ5П (или КФ4П), а два других тензорезистора мостовой схемы и резисторы нормирования и термокомпенсации типа ПНФ располагаются (наклеиваются) на недеформируемой зоне УЭ, выполненной в виде шестигранника с размерами под величину ПНФ. В торцевой части шестигранника крепится монтажная плата, на которой распаяна мостовая схема датчика, и кабель, который выводится через корпус датчика, предохраняющий УЭ и мостовую схему от внешних воздействий. Недостатком этого датчика, кроме указанных, является то, что резисторы нормирования и термокомпенсации расположены непосредственно на УЭ в специально предусмотренной зоне отсутствия упругих деформаций, однако наличие температурного градиента вдоль оси датчика при измерениях давления в условиях термоудара ухудшает условия термокомпенсации и, как следствие, увеличивается погрешность измерений.

В качестве прототипа взята конструкция датчика давления по а.с.N 1649318 (по кл. G 01 L 9/04, так как она имеет наибольшее количество общих признаков с предлагаемой. Конструкция содержит упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра с герметично закрытым концом, свободный торец которого снабжен подводящим штуцером, тензорезисторы, размещенные на поверхности полого цилиндра, и стакан, установленный с внешней стороны упругого элемента соосно с ним, при этом основание стакана жестко закреплено на свободном торце цилиндра, конструкция также содержит две стойки и дополнительные тензорезисторы, размещенные по обе стороны каждой из стоек, причем полый цилиндр выполнен толстостенным, а стойки с одного конца закреплены на закрытом конце цилиндра, а с другого контактируют с дном стакана, при этом стойки расположены по обе стороны от плоскости симметрии на равном расстоянии от нее. Этот датчик обладает хорошими габаритно-весовыми характеристиками, повышенной чувствительностью и большим диапазоном измерений.

Недостатком конструкции являются ограниченные зксплуатационные возможности, связанные с тем, что датчик невозможно использовать для измерения давления в условиях термоудара. Отсутствие в составе конструкции резисторов нормирования и термокомпенсации существенно влияет на погрешность измерений при наличии градиента температуры вдоль оси датчика.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции тензорезисторного датчика давления с расширенными эксплуатационными возможностями, позволяющей эффективно использовать датчик для измерения в большом диапазоне в условиях термоудара одновременно с сохранением высоких показателей по габаритно-весовым характеристикам и чувствительности.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией тензорезисторного датчика давления. Он содержит корпус, размещенный в нем упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра с герметично закрытым концом, свободный торец которого снабжен подводящим штуцером, тензорезисторы, размещенные на поверхности полого цилиндра, и стакан, установленный с внешней стороны упругого элемента соосно с ним, при этом основание стакана жестко закреплено на свободном торце цилиндра, а на поверхности стакана размещены нормирующие и компенсационные резисторы, соединенные в электрическую мостовую схему, при этом упругий элемент и стакан выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью, а их площади поперечного сечения равны.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором приняты следующие обозначения: 1 - корпус датчика; 1' - подводящий штуцер; 2 - упругий элемент; 3 - тензорезисторы; 4 - стакан; 5 - нормирующие и компенсационные резисторы; 6 - монтажная плата; 7 - кабель с информационными и питающими проводами; 8 - гермоуплотнение.

Предложенная конструкция работает следующим образом. Датчик закрепляется на объекте измерения при помощи подводящего штуцера - 1'. При воздействии давления на внутреннюю полость упругого элемента - 2 он деформируется, что вызывает деформацию наклеенных на его поверхность активных тензорезисторов - 3, которая преобразуется в измерительный сигнал мостовой измерительной схемы датчика. В процессе проведения измерений датчик может подвергаться температурным воздействиям, которые могут вносить значительные изменения в результат измерений, в частности, измерение давления при взрыве, испытаниях топлив и т.д. сопровождается термоударом. Для компенсации указанных воздействий на поверхность стакана - 4, который в предлагаемой конструкции датчика является недеформируемой зоной, наклеиваются нормирующие и компенсационные резисторы - 5. Причем в случае быстрой смены температурных режимов важно, чтобы активные тензорезисторы - 3 и нормирующие и компенсационные резисторы - 5 в каждый момент времени находились в равных температурных условиях, поэтому в предлагаемой конструкции датчика упругий элемент - 2 и стакан - 4 выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью, а их площади поперечного сечения равны.

Градиент температуры при измерениях, как правило, направлен вдоль оси датчика, поэтому соосное расположение упругого элемента и стакана в сочетании с вышеуказанным их выполнением позволяет сказать, что активные тензорезисторы и нормирующие и компенсационные резисторы находятся в равных тепловых условиях при любой скорости изменения температуры вдоль оси датчика. Дополнительно предлагаемая конструкция обладает хорошими габаритно- весовыми характеристиками, что дает преимущество по сравнению с аналогом (конструкция норморяда ТДД типа 001ДДТ (черт. АП 19344.000)).

Предлагаемый датчик отличается от прототипа тем, что на поверхности стакана размещены нормирующие и компенсационные резисторы, соединенные в электрическую мостовую схему, при этом упругий элемент и стакан выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью, а их площади поперечного сечения равны. Конструкция с такой совокупностью и выполнением элементов неизвестна, следовательно, предложение обладает новизной.

В существующих конструкциях датчиков давления задача устранения влияния температурной составляющей на результат измерений решена путем введения дополнительного элемента, выполняющего роль недеформируемой зоны, для размещения на ней резисторов нормирования и компенсации, использование поверхности стакана, расположенного соосно с упругим элементом, в качестве недеформируемой зоны для размещения на ней элементов, обеспечивающих температурную компенсацию, не было очевидным для специалистов. Это видно из того, что при всем многообразии конструкций аналогичного назначения конструкция в данном виде предложена впервые. Но именно такая конструкция тензорезисторного датчика давления позволяет значительно улучшить его эксплуатационные возможности. Конструкция одновременно проста и позволяет эффективно решить задачи использования датчика для измерений в условиях термоудара наряду с сохранением высоких показателей по габаритно-весовым характеристикам, диапазону измерений и чувствительности. Таким образом, сказанное дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Большинство элементов, входящих в конструкцию датчика, изготавливаются промышленностью, например резисторы типа КФ5П (КФ4П), ПНФ-Т и т.д. Изготовление остальных элементов не представляет трудности. Высокая категория точности (0,1-0,15) по сравнению с серийно выпускаемыми датчиками ЛХ-412 и ВТ-206 (0,6-0,8) дает право предполагать, что потребность в таких датчиках очевидна. Таким образом, предложение обладает промышленной применимостью.

В настоящее время отработана технология изготовления датчика, изготовлены опытные образцы и проведена метрологическая аттестация.

Формула изобретения

Тензорезисторный датчик давления, содержащий корпус, размещенный в нем упругий элемент, выполненный в виде полого цилиндра с герметично закрытым концом, свободный торец которого снабжен подводящим штуцером, тензорезисторы, размещенные на поверхности полого цилиндра, и стакан, установленный с внешней стороны упругого элемента соосно с ним, при этом основание стакана жестко закреплено на свободном торце цилиндра, отличающийся тем, что на поверхности стакана размещены нормирующие и компенсационные резисторы, соединенные в электрическую мостовую схему, при этом упругий элемент и стакан выполнены из материалов с одинаковой теплопроводностью, а их площади поперечного сечения равны.

РИСУНКИ

Рисунок 1