Преобразователь давления
PRESSURE TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для преобразования изменения давления в различных средах в электрический сигнал в широком динамическом диапазоне работы и может быть использовано в технологических процессах, измерении напряжения в грунтах при ударных нагрузках, экспериментальных исследованиях.
Известен тензометрический датчик давления (а.с. СССР, SU 1755073 А1, МПК G01L 9/04, опубл. 15.08.1981), состоящий из корпуса, воспринимающей мембраны, соединительного штока, упругой балки и наклеенных на нее тензорезисторов, входящих в смежные плечи мостовой схемы.
Недостатками такого датчика являются:
а) большое энергопотребление мостовой схемы, требующее источника питания (5÷15 В);
б) ползучесть тензорезисторов, обусловленная вязкоупругими свойствами клея и изменением его характеристик с температурой и во времени.
Известен преобразователь давления (а.с. СССР SU 883680 А1, МПК G01L 9/04, опубл. 23.11.1981), принятый за прототип, состоящий из корпуса, воспринимающей мембраны, жестко связанной с передающим штоком, упругой консольной балки равного сопротивления изгибу, полупроводниковых тензорезисторов.
Недостатками такого датчика являются:
а) большое энергопотребление мостовой схемы;
б) снижение стабильности его метрологических характеристик при импульсных нагрузках, связанное с хрупкостью применяемых кремниевых тензорезисторов и стеклоприпоя, использованного для их крепления к упругой консольной балке.
Изобретение направлено на прямое преобразование деформации нескольких упругих консольных балок в электрический сигнал, при этом достигается технический результат, заключающийся в расширении динамического диапазона работы и снижении энергопотребления.
Технический результат достигается преобразователем давления, состоящим из корпуса, воспринимающей мембраны, жестко связанной с передающим штоком, упругой консольной балки равного сопротивления изгибу, при этом в корпусе установлен прямой полый толстостенный цилиндр из твердого электроизоляционного материала, в боковую внутреннюю стенку которого жестко защемлены своими основаниями несколько упругих консольных балок равного сопротивления изгибу, расположенных горизонтально по окружности в два ряда попарно друг над другом с зазорами, куда в места, примыкающие к защемлению, помещены корпуса электрохимических ячеек с электролитом в виде прямых полых цилиндров из упругого электроизоляционного материала, одно основание каждого цилиндра скреплено с нижней плоскостью верхней балки, а другое - с верхней плоскостью нижней балки каждой пары, в зазорах между свободными концами пары консольных балок закреплены вставки, а на конце передающего штока - диск из твердых электроизоляционных материалов, касающийся всех верхних балок, каждая верхняя балка, с первой до предпоследней пары, соединена металлическим проводником с нижней балкой соседней последующей пары, а металлический проводник, соединенный с нижней балкой первой пары, и металлический проводник, соединенный с верхней балкой последней пары, подсоединены к выходным клеммам преобразователя давления.
На фиг. 1 представлен преобразователь давления (в разрезе). На фиг. 2 - вид сверху. Преобразователь давления состоит из корпуса 1, воспринимающей мембраны 2, передающего штока 3, упругих консольных балок равного сопротивления изгибу 4, 5 прямого полого толстостенного цилиндра 6, корпусов электрохимических ячеек 7 с электролитом 8, вставок 9, диска 10, металлических проводников 11, выходных клемм 12. Прямой полый толстостенный цилиндр 6, вставки 9 и диск 10 выполнены из твердых, а корпуса электрохимических ячеек 7 из упругого электроизоляционных материалов. Упругие консольные балки равного сопротивления изгибу 4, 5 своими основаниями жестко защемлены горизонтально в боковую внутреннюю стенку прямого полого цилиндра 6 по окружности в два ряда попарно друг над другом с зазорами, куда в места, примыкающие к защемлению, помещены корпуса электрохимических ячеек 7 с электролитом 8 в виде прямых полых цилиндров. Одно основание каждого цилиндра 7 скреплено с нижней плоскостью верхней балки 4, а другое - с верхней плоскостью нижней балки 5 каждой пары. В зазорах между свободными концами пары консольных балок закреплены вставки 9, а на конце передающего штока 3 - диск 10, касающийся свободных концов всех верхних балок 4. Каждая верхняя балка 4, с первой до предпоследней пары, соединена металлическим проводником 11 с нижней балкой 5 соседней последующей пары, а металлический проводник 11, соединенный с нижней балкой 5 первой пары, и металлический проводник 11, соединенный с верхней балкой 4 последней пары, подсоединены к выходным клеммам 12 преобразователя давления.
Преобразователь давления работает следующим образом. При воздействии давления на воспринимающую мембрану 2 она прогибается, жестко связанный с ней шток 3 с диском 10 перемещаются и воздействуют на свободные концы упругих консольных балок 4, 5, которые деформируются, причем нижняя плоскость каждой верхней балки 4 сжимается, а верхняя плоскость каждой нижней балки 5 растягивается. Так как эти плоскости находятся в контакте с электролитом 8, то они будут представлять собой деформируемые электроды электрохимических ячеек. 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, а последовательное соединение таких ячеек (по аналогии с батарейками) позволяет получить достаточный для надежного измерения электрический сигнал.
Таким образом решается проблема повышения достоверности измерений при импульсных нагрузках, при этом технический результат, заключающийся в расширении динамического диапазона работы преобразователя, обеспечивается за счет прямого преобразования деформации нескольких упругих консольных балок непосредственно в электрический сигнал, а снижение электропотребления - за счет работы преобразователя в так называемом «генераторном режиме» без внешнего источника питания.