УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ИЛИ СИЛЫ
PRESSURE OR FORCE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред или механической силы в электронных системах контроля, защиты и управления.
Известен тензорезисторный датчик давления, содержащий корпус, размещенный в нем упругий элемент, выполненный в виде мембраны или полого цилиндра, тензорезисторы, прикрепленные (приклеенные) через изолирующие прокладки к поверхности упругого элемента, и электронное устройство, содержащее усилитель и источник питания [1].
По аналогичному принципу реализован тензометрический датчик силы, содержащий тензомост, образованный тензорезисторами, наклеенными на упругий элемент и подключенными к тензометрическому усилителю [2].
Недостатки этих устройств обусловлены применением в них клеевого соединения тензорезисторов с упругим элементом, испытывающим деформацию при воздействии на него измеряемого давления или силы. Как известно, качество клеевого соединения является одним из решающих факторов, определяющих поведение наклеенных тензорезисторов и их свойства. «Ползучесть», линейность, гистерезис, «дрейф нуля» и срок службы устройства для измерения давления или силы в значительной степени определяются качеством клеевого соединения тензорезисторов с упругим элементом. (Шушкевич В.А. Основы тензометрии. - Минск: Высшая школа, 1975, стр.46).
Недостатков, обусловленных наличием клеевого соединения тензорезисторов с упругим элементом, не имеют емкостные датчики давления и силы.
Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий манометрический чувствительный элемент и емкостный преобразователь деформаций. Его подвижный электрод прикреплен к чувствительному элементу, а неподвижные электроды закреплены на корпусе с использованием диэлектрической втулки (держателя электродов) [3].
Известен также емкостный датчик силы, содержащий упругий элемент, выполненный в виде двух мембран, соединенных по периферии, и емкостный преобразователь перемещения с двумя электродами и защитным кольцом, подключенный к электронному блоку, причем каждый электрод жестко связан с соответствующей изоляционной втулкой [4].
В этих устройствах для измерения давления или силы используется жесткое крепление неподвижного электрода (электродов) к корпусу устройства через несущие изоляторы. При этом материал корпуса и электродов (металл) и материал изолятора (диэлектрик) имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения. Причем несущие изоляторы не могут иметь малую толщину, поскольку необходимо обеспечить небольшую паразитную емкость между подвижным и неподвижным электродами.
Жесткое крепление изолятора (диэлектрического держателя электродов) к корпусу устройства либо к подвижному электроду приводит к возникновению в них механических напряжений за счет различия температурных коэффициентов линейного расширения металла и диэлектрика при изменении рабочей температуры устройства. Это приводит к возникновению неконтролируемых перемещений диэлектрического держателя и подвижного электрода, к изменению их формы (короблению) и к соответствующему изменению эффективного расстояния между электродами и емкости преобразователя. Их следствием являются гистерезис и пониженная температурная стабильность результатов измерения силы или давления.
Известные устройства обладают также пониженной стойкостью к воздействию термоударов, что обусловлено возможностью расслоения жестко скрепленной структуры «корпус-изолятор-электрод» вследствие различных температурных коэффициентов расширения материалов, из которых они выполнены. Возможность этого расслоения приводит также к пониженной устойчивости устройства к воздействию перегрузок по измеряемому параметру.
Кроме того, жесткое крепление электродов приводит к повреждению устройства под воздействием перегрузок, превышающих величину давления или силы, при которой происходит сближение электродов до их полного смыкания.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявленное изобретение, является:
- повышение перегрузочной способности устройства по измеряемому параметру;
- повышение стойкости устройства к воздействию термоударов;
- повышение температурной стабильности устройства;
- уменьшение величины гистерезиса.
В устройстве для измерения давления или силы, содержащем упругий элемент, выполненный с возможностью деформации под воздействием измеряемого давления или измеряемой силы и закрепленный в несущем основании или в корпусе, или выполненный с этим основанием или корпусом в виде одной детали, емкостный преобразователь с подвижным и с неподвижным электродами, причем подвижный электрод непосредственно или через промежуточный элемент прикреплен к деформируемой части упругого элемента или эта часть упругого элемента используется в качестве подвижного электрода, а неподвижный электрод с помощью диэлектрического держателя прикреплен к несущему основанию или к корпусу, а также электронное устройство, выполненное с возможностью преобразования емкости в выходной сигнал устройства, указанные технические результаты достигаются за счет того, что диэлектрический держатель или его часть выполнен/выполнена с возможностью его/ее перемещения относительно несущего основания, корпуса или неподвижного электрода в направлении, перпендикулярном направлению перемещения подвижного электрода.
При этом, в частности:
- устройство выполнено с возможностью указанного перемещения на величину, определяемую разностью линейных температурных расширений сопрягаемых деталей устройства, а также содержит упоры, ограничивающие это перемещение;
- подвижный электрод выполнен в виде металлической пленки или фольги, напыленной на поверхность диэлектрического держателя или приклеенной к ней, а диэлектрический держатель с использованием механического приспособления, например упругого прижима (резинового кольца или пружины), зафиксирован на опорной поверхности несущего основания или корпуса;
- диэлектрический держатель дополнительно в одной точке жестко закреплен на опорной поверхности несущего основания или корпуса;
- упругий прижим выполнен с возможностью создания усилия прижима, определяемого из условия отсутствия перемещения диэлектрического держателя с размещенным на нем подвижным электродом, прижимаемого к опорной поверхности, под воздействием ускорений;
- диэлектрический держатель выполнен из антифрикционного материала либо на прижимаемые поверхности диэлектрического держателя, несущего основания, корпуса или подвижного электрода, нанесено антифрикционное покрытие.
Устройство в любом варианте его исполнения для достижения указанных технических результатов может содержать два или более неподвижных электрода с соответствующей дифференциальной схемой преобразования емкостей этих электродов в электрический сигнал, а также датчик температуры и соединенный с ним микроконтроллер, реализующий функции температурной компенсации выходного сигнала устройства.
В электронной схеме устройства может быть установлен трансивер или драйвер последовательного проводного или беспроводного интерфейса LIN (Local Interconnect Network), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C, RS-485, «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Wi-Fi, Zig-Bee, Bluetooth, GSM, CDMA или любой их комбинации.
Благодаря этим отличительным признакам, при изменении температуры окружающей среды, а также при воздействии иных дестабилизирующих факторов, в устройстве осуществляется относительное перемещение подвижного и неподвижного электродов в направлении, перпендикулярном направлению деформации упругого элемента под воздействием измеряемого давления или измеряемой силы. Величина емкости преобразователя при таком перемещении остается неизменной. Это обеспечивает повышение термостабильности, стойкости устройства к воздействию термоударов и к уменьшению величины гистерезиса при измерении давления или силы. Применение упругого прижима обеспечивает также повышение перегрузочной способности устройства по измеряемому параметру за счет исключения повреждения электродов и их крепления после смыкания этих электродов.
На чертеже приведен пример реализации устройства.
Устройство для измерения давления или силы содержит упругий элемент 1, воспринимающий измеряемое давление Р или измеряемую силу F и электронное устройство 2. Упругий элемент выполнен из металлического сплава с заданными свойствами упругости (например, сплава 36НХТЮ) в виде мембраны, полого цилиндра, сильфона и т.д. и закреплен (приварен, завальцован и т.п.) в несущем основании или в корпусе 3 или выполнен с ним в виде одной детали (показано на чертеже). При измерении давления устройство, в случае необходимости, снабжается присоединительным штуцером, а при измерении силы - дополнительными силопередающими элементами.
Емкостный преобразователь содержит подвижный электрод 4, который непосредственно или через промежуточный элемент прикреплен к деформируемой части упругого элемента 1, и неподвижный электрод 5, который с помощью диэлектрического держателя (держателей) 6 прикреплен к несущему основанию или к корпусу 3. В качестве подвижного электрода 4 (перемещающегося под воздействием измеряемого давления или измеряемой силы вследствие деформации упругого элемента 1) может использоваться часть этого металлического упругого элемента 1.
Электронное устройство 2 содержит, в частности, последовательно соединенные преобразователь емкости в электрическое напряжение 7, микроконтроллер 8 и трансивер или драйвер 9, формирующий выходной сигнал в виде тока, напряжения и/или последовательного проводного или беспроводного интерфейса LIN (Local Interconnect Network), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C, RS-485, «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Wi-Fi, Zig-Bee, Bluetooth, GSM, CDMA или любой их комбинации.
Диэлектрический держатель 6 либо его часть не имеет жесткого крепления во всех плоскостях и, с целью исключения влияния различных линейных температурных расширений элементов устройства, выполнен с возможностью его перемещения относительно несущего основания (корпуса) 3 или неподвижного электрода 5 в направлении, перпендикулярном направлению перемещения подвижного электрода 4 на величину, соответствующую разности линейных температурных расширений сопрягаемых деталей. Это перемещение ограничено упорами 10.
Неподвижный электрод 5 может быть выполнен в виде металлической пленки или фольги, напыленной на поверхность диэлектрического держателя, например стеклянной пластины 6 или приклеенной к этому держателю.
Диэлектрический держатель 6 с использованием механического приспособления 11, выполненого в виде упругого прижима, зафиксирован на опорной поверхности 12 несущего основания или корпуса 3. Этот держатель может быть дополнительно в одной точке жестко закреплен на опорной поверхности 12 несущего основания или корпуса. Например, с помощью винта или штифта 13.
Упругий прижим 11 реализован на основе резинового кольца или винтовой, волнистой, лепестковой, пластинчатой или тарельчатой пружины сжатия, зафиксированной с помощью гайки или стопорного кольца 14.
Величина усилия, создаваемого упругим прижимом 11, определяется из условия отсутствия перемещения диэлектрического держателя 6 с размещенным на нем подвижным электродом 5, прижимаемого к опорной поверхности 12 несущего основания или корпуса 3 в вертикальном направлении (по чертежу) с учетом массы прижимаемых элементов и воздействующего на них ускорения.
Для снижения силы трения прижимаемых элементов при их взаимном перемещении при изменении температуры окружающей среды, по меньшей мере, один из этих элементов выполнен из антифрикционного материала либо на него нанесено антифрикционное покрытие.
Емкостный преобразователь, в общем случае, содержит два или более неподвижных электрода. В этом случае преобразователь емкости в напряжение 7 электронного устройства 2 реализует дифференциальное преобразование разности емкостей этих неподвижных электродов относительно одного или нескольких неподвижных электродов в выходной сигнал.
Для повышения температурной стабильности устройство может дополнительно содержать датчик температуры 15, соединенный с микроконтроллером 8. В этом случае микроконтроллер 8 программно реализует известный алгоритм температурной компенсации статических характеристик емкостного преобразователя и изменения чувствительности устройства в целом, в том числе вследствие температурных изменений характеристик сплава, из которого изготовлен упругий элемент 1.
При работе описываемого устройства измеряемое давление или измеряемая сила воздействует на упругий элемент 1, что приводит к его деформации и к изменению расстояния между подвижным 4 и неподвижным 5 электродами. Соответствующее изменение емкости электронной схемой 2 преобразуется в выходной сигнал устройства.
При изменении температуры окружающей среды происходят различные линейные температурные расширения сопрягаемых элементов устройства. В предложенном устройстве, в отличие от известных, они жестко не закреплены (не приклеены, не приварены и т.п.), а прижаты друг к другу с помощью упругого приспособления. Дополнительно реализованы меры по снижению сил трения на поверхностях этого прижатия. В частности, путем применения антифрикционных материалов или антифрикционных покрытий.
Благодаря этому элементы устройства не испытывают напряжений, коробления и т.п., что и обеспечивает повышение термостабильности, стойкости устройства к воздействию термоударов и к уменьшению величины гистерезиса при осуществлении измерений.
Диэлектрический держатель 6 может быть закреплен в одной точке 13. В этом случае остальные части этого держателя имеют возможность свободно перемещаться, что также позволяет исключить возникновению напряжений в сопрягаемых деталях устройства.
При воздействии перегрузок давления или силы до величины, превышающей верхний предел измерений, происходит смыкание электродов. Дальнейшее увеличение давления или силы приводит к перемещению неподвижного электрода за счет деформации упругого прижима 11. Это предотвращает выход устройства из строя и соответственно приводит к повышению его перегрузочной способности.
В данном описании схематично приведены лишь частный вариант реализации предложенного устройства для измерения давления или силы. Изобретение охватывает другие возможные варианты его исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.
Источники информации
1. RU 2227277 C2, G01L 9/04, 20.04.2004.
2. RU 2308010 C1, G01L 1/22, 10.10.2007.
3. RU 2010201 C1, G01L 9/12, 30.03.1994.
4. RU 2065588 C1, G01L 1/14, 20.08.1996.