АВТОНОМНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
AUTONOMOUS PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для преобразования изменения давления в различных средах в электрический сигнал в широком динамическом диапазоне работы и может быть использовано в технологических процессах, экспериментальных исследованиях.
Известен измеритель давления (а.с. СССР №277332 А1), выполненный в виде трехзвенной плоской рамки, рабочий стержень которой с приклеенными тензорезисторами изготовлен с постоянным сечением и нагружен по схеме чистого изгиба, а два других стержня выполнены жесткими, один из которых соединен с воспринимающей мембраной, а второй - с корпусом измерителя.
Недостатком такого измерителя является многоступенчатость преобразования измеряемого давления в электрический сигнал: при воздействии давления на мембрану она прогибается, ее перемещение воспринимается жестким стержнем, который, в сою очередь, деформирует рабочий стержень, а он наклеенные тензорезисторы.
Такой недостаток присущ датчику давления (а.с. СССР SU 1157373 А1), имеющему корпус с мембраной и преобразователь перемещения в виде трехзвенной прямоугольной скобы, среднее звено которой с тензоэлементами расположено перпендикулярно плоскости мембраны и соединено одним концом через передаточное звено и упор с центром мембраны.
Наиболее близким по конструктивному исполнению является тензометрический датчик давления (а.с. СССР SU 1281940 А1), принятый за прототип, состоящий из пологого цилиндрического корпуса с закрепленной к основанию мембраной, крышки, упругого элемента, выполненного в виде полукруглой металлической пластины с прямолинейными участками на концах, расположенной параллельно плоскости мембраны, один из прямолинейных участков закреплен на мембране, а другой сопряжен с концом упругой консольной балки, с наклеенными на нее тензорезисторами, соединенными токовыводами с контактным узлом.
Недостатком датчика является снижение точности измерения изменений давления, вызванное применением последовательно расположенных упругих элементов (полукруглой металлической пластины и консольной балки), а также большое энергопотребление мостовой схемы, требующее источника питания напряжением 5÷15 В.
Изобретение направлено на прямое преобразование деформации упругих элементов в электрический сигнал, при этом достигается технический результат, заключающийся в устранении источника питания датчика.
Технический результат достигается датчиком давления, состоящим из полого цилиндрического корпуса с закрепленной к открытому основанию мембраной, крышки, упругого элемента, выполненного в виде полукруглой металлической пластины с прямолинейными участками на концах, расположенной параллельно плоскости мембраны, токовыводов с контактным узлом, при этом второе основание цилиндрического корпуса имеет дно с отверстиями, один из прямолинейных участков упругого элемента закреплен на диске, а другой - на планке, выполненных из жесткого электроизоляционного материала, диск крепится в центре мембраны, а планка к дну корпуса, аналогично крепится второй идентичный упругий элемент, расположенный за первым с зазором, куда в середину полукруглых пластин помещен цилиндрический корпус электрохимической ячейки из эластичного электроизоляционного материала, одно из открытых оснований цилиндра прикреплено к выпуклой поверхности первого упругого элемента, а другое открытое основание цилиндра прикреплено к вогнутой поверхности второго упругого элемента, внутренняя полость цилиндра заполнена электролитом, один токовывод контактного узла соединен с прямолинейным участком первого упругого элемента, а другой токовывод с прямолинейным участком второго упругого элемента.
На фиг.1 представлен датчик давления. Датчик давления состоит из корпуса 1, мембраны 2, упругих элементов 3, 4, диска 5, планки 6, корпуса электрохимической ячейки 7, электролита 8, токовыводов 9, 10, контактного узла 11, крышки 12. Упругие элементы 3, 4 выполнены в виде полукруглых металлических пластин с прямоугольными участками на концах, расположенных параллельно плоскости мембраны 2, закрепленной к открытому основанию полого цилиндрического корпуса 1; диск 5 и планка 6 выполнены из жесткого, а корпус электрохимической ячейки 7 из эластичного электроизоляционных материалов.
Диск 5 крепится в центре мембраны 2, а планка 6 к дну корпуса 1; один из прямолинейных участков упругого элемента 3 закреплен на диске 5, а другой на планке 6. Аналогично крепится упругий элемент 4. Одно открытое основание электрохимической ячейки 7 крепится к середине выпуклой поверхности упругого элемента 3, а другое открытое основание к середине вогнутой поверхности упругого элемента 4; электрохимическая ячейка 7 заполнена электролитом 8. Токовывод 9 контактного узла 11 соединен с прямолинейным участком упругого элемента 3, а токовывод 10 с прямолинейным участком упругого элемента 4. Крышка 12 крепится к дну корпуса 1, в котором два отверстия необходимы для удобства крепления планки 6.
Датчик давления работает следующим образом. При воздействии давления на мембрану 2 она прогибается и деформирует полукруглые металлические пластины упругих элементов 3, 4, при этом, поверхность упругого элемента 3, находящаяся в контакте с электролитом 8, растягивается, а элемента 4 сжимается, т.е. элементы 3, 4 представляют собой деформируемые электроды электрохимической ячейке. Известно [А.Я. Гохштейн. Поверхностное натяжение тел и адсорбция. Под ред. А.Н.Фрумкина. - М., Наука, 1976. - С.33], что если при деформации электрода, находящегося в контакте с электролитом, изменяется его площадь, то возникает «эффект упругого заряжения межфазного слоя на границе раздела электрод - электролит». При этом, если заряд электрода поддерживается постоянным, например, путем введения демпфирующего сопротивления в цепь электрода, то меняется потенциал электрода (уменьшается при растяжении и увеличивается при сжатии). Причем, если в электрохимической ячейке один электрод сжимается, а другой растягивается, то на них возникает разность потенциалов.
Таким образом, заявленный технический результат обеспечивается за счет прямого преобразования одновременной деформации двух упругих элементов в электрический сигнал, т.е. работы датчика давления, в так называемом, «генераторном режиме» - без источника питания.