МЕМБРАНА ДВУХКАНАЛЬНОГО ТЕНЗОДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к технике полупроводниковых приборов, в частности к изготовлению тензодатчиков механических величин с использованием тензочувствительных полупроводниковых резисторов.
Известна мембрана тонкопленочного тензодатчика давления в виде круга - диска постоянной толщины, на которой размещены с различной топологией тензочувствительные полупроводниковые резисторы - чувствительные элементы давления. По периметру диска мембрана снабжена кольцевым средством соединения с основанием, с помощью которого мембрана закрепляют в корпусе датчика.
(RU 2344389 C1, G01L 9/04, опубл. 2009.01.20;
Наиболее близкой по технической сущности является мембрана тонкопленочного тензодатчика давления в виде круга, у которой со стороны действия давления центральный диск (жесткий центр) мембраны имеет толщину, которая больше, чем толщина кольцевой части мембраны по ее периферии. По периметру мембрана снабжена кольцевым средством соединения с основанием, с помощью которого мембрану закрепляют в корпусе датчика. Тензочувствительные полупроводниковые резисторы, соединенные в измерительные мосты, расположены над тонкой кольцевой частью мембраны по ее периферии.
(КГ 2345341 С1б П01Д 9.04б П01Д 7.08б опублю 2009.01.27)
Однако известная мембрана не может быть с достаточной степенью надежности использована для изготовления датчиков давления для топливных трубопроводных систем двигателей и силовых установок, в работе которых возможны значительные несанкционированные пульсации давления и/или кратковременные перегрузки. Пульсации и перегрузки могут привести к необратимым изменениям в системе тензочувствительных полупроводниковых резисторов датчика, т.е. выходу его из строя. Для повышения надежности работы датчика его выполняют двухканальным, т.е. в конструкцию датчика вводят дополнительный канал в виде идентичных измерительных мостов. Однако выполнение на известной мембране двух каналов не приводит к повышению надежности работы датчика, поскольку условия работа каждого из двух каналов измерения на известной мембране практически одинаковы, что в значительной степени обуславливает высокую вероятность их одновременного выхода из строя при пульсациях и перегрузках давления.
Задачей и техническим результатом полезной модели является создание мембраны двухканального датчика давления, обладающей повышенным временем работы в условиях возможной перегрузки по измеряемому давлению, перегрева, вибрации и т.д.
Технический результат достигается тем, что мембрана двухканального тензодатчика давления (1), выполнена в виде диска и снабжена по периметру соединением (2) с элементом конструкции тензодатчика (3), а со стороны действия давления на периферии диска - кольцевой полостью (4), причем мембрана в центральной части дополнительно снабжена цилиндрической полостью (5), которая отделена от кольцевой полости (4) кольцевым выступом (6), а отношение толщины мембраны в области кольцевой полости, относится к толщине мембраны в ее центральной части, как 1,8-2,2.
Кроме того, мембрана (1) выполнена из нержавеющей стали или титана; соединение (2) с элементами конструкции тензодатчика (3) выполнено сварным или резьбовым; на мембране (1) дополнительно расположены тензочувствительные полупроводниковые резисторы, причем тензочувствительные полупроводниковые резисторы одного из каналов расположены над цилиндрической полостью (5), а тензочувствительные полупроводниковые резисторы другого канала расположены над кольцевой полостью (4).
Полезная модель быть проиллюстрировано рисунком мембраны по полезной модели в составе двухканального датчика давления, представленным на фиг.1 (вид сбоку), где:
1 - мембрана двухканального датчика давления;
2 - сварное соединение мембраны с элементом конструкции датчика;
3 - элемент конструкции тензодатчика - опора и средство соединения с магистралью топлива, находящегося под избыточным давлением;
4 - кольцевая полость;
5 - цилиндрическая полость;
6 - кольцевой выступ;
7 - полупроводниковые тензочувствительные резисторы, соединенные в мосты Уинстона первого канала;
8 - полупроводниковые тензочувствительные резисторы, соединенные в мосты Уинстона второго канала.
Наличие в мембране двух участков с различной жесткостью: часть мембраны с большей толщиной над кольцевой полостью (4) и части мембраны с меньшей толщиной над цилиндрической полостью (5), обеспечивает достижение технического результата - повышение времени работы датчика давления, поскольку вероятность одновременного выхода из строя измерительных мостов разных каналов резко снижается.
Измерительные мосты полупроводниковых тензочувствительных резисторов (7) первого канала располагают над цилиндрической полостью (5) мембраны (1), а измерительные мосты полупроводниковых тензочувствительных резисторов (8) второго канала - над кольцевой полостью (4) мембраны (1)
Мембрану по полезной модели изготавливают преимущественно токарной обработкой из нержавеющей стали типа X18H9T или титанового сплава ВТ с высоким модулем упругости.
Пример 1. Была изготовлена мембрана по полезной модели из стали X18H9T токарной обработкой с внешним диаметром 15 мм, диаметром цилиндрической полости (5) 6 мм, толщиной стенок кольцевого выступа (6) 1 мм и шириной кольцевой полости (4) 2 мм. Толщина мембраны в области кольцевой полости (4) составила 0,3 мм, толщина мембраны в центральной части составила 0,15 мм, а из отношение 2,0. Соединение (2) с элементом конструкции тензодатчика (элементов опоры мембраны и соединения с топливной магистралью) было выполнено сварным.
Каждый из двух измерительных каналов датчика по полезной модели были сформированы из двух мостов Уинтстона, содержащих по 4 активных полупроводниковых тензочувствительных резисторов. Первый канал был сформирован над цилиндрической полостью (5) мембраны, второй - над кольцевой полостью (4). Полупроводниковые тензочувствительные резисторы измерительных каналов размерами 0,3×0,3×0,05-0,1 мм были получены с использованием тонкопленочной вакуумной технологии нанесения моносульфида самария.
Испытания мембраны по полезной модели в составе двухканального тензодатчика давления топлива при периодических пульсациях давления до 15-20 ати и температуры до 130°С показали, что время стабильной работы тензодатчика составило 7000 часов, что на 30% выше времени работы известной мембраны.