ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, для использования в авиационной технике высотомеров.
Принцип действия используемых в авиационной и ракетно-космической технике высотомеров основан на измерении атмосферного давления воздуха. В судостроении контроль герметичности больших замкнутых полостей в основном осуществляется по результатам изменения давления воздуха, накаченного в контролируемый объем. Датчики давления, применяемые для данных областей техники, должны обладать высокой точностью. Небольшое изменение атмосферного давления воздуха соответствует значительному повышению (понижению) высоты полета летательного аппарата (особенно это важно в слоях атмосферы, близких к земной поверхности).
В настоящее время известны различные конструкции чувствительных элементов датчика давления, обеспечивающих измерение абсолютного давления воздушной среды. Однако они не обеспечивают с требуемой надежностью и точностью непрерывное измерение абсолютного давления внешней воздушной среды во всем возможном диапазоне высот нахождения летательного аппарата.
Известен чувствительный элемент абсолютного давления исполнительного коммутирующего устройства [патент РФ №2367050, МПК Н01Н 35/14, опубл. 10.09.2009], состоящий из двух мембран, припаянных по периферии к кольцу, выполненному из непроводящего ток материала (керамики) с образованием герметичной полости (анероидной коробки).
Данный чувствительный элемент абсолютного давления может использоваться как в пороговых, так и в измерительных приборах с измерением (преобразованием) внешнего давления, например емкостного типа. Однако в измерительных приборах чувствительность элемента абсолютного давления, определяемая отношением изменения выходного сигнала - емкости - к вызывающему его изменению измеряемой величины - абсолютному давлению, будет невысокой из-за разного осевого перемещения разных зон упругих мембран при действии давления. Перемещение центра мембран будет наибольшим, с уменьшением величины осевого перемещения других зон мембраны вплоть до нуля у границы заделки мембран. По этой причине даже использование двух мембран не существенно повысит чувствительность известного элемента абсолютного давления. Кроме того, расстояние между мембранами у известного чувствительного элемента давления выполнить небольшим технологически сложно. По этой причине емкость конденсатора и изменение емкости на единицу давления образованного мембранами конденсатора будут также небольшими, что снизит чувствительность элемента абсолютного давления.
Известен чувствительный элемент порогового датчика перепада давления из состава исполнительного коммутирующего устройства, принятый за прототип [патент РФ №2617708, МПК Н01Н 35/14, опубл. 26.04.2017], содержащий установленную и жестко закрепленную на кронштейне, присоединенном к объекту измерения, упругую мембрану с образованием герметичной внутренней полости. Данный чувствительный элемент датчика давления работоспособен при давлении в диапазоне до 1 атмосферы и может использоваться как в пороговых, так и в измерительных приборах.
Однако в измерительных приборах, например емкостного типа, чувствительность известного элемента давления также будет, как и в предыдущем аналоге, невысокой из-за разного осевого перемещения разных зон упругой мембраны при действии давления. Перемещение центра мембраны будет наибольшим с уменьшением величины осевого перемещения других зон мембраны вплоть до нуля у границы заделки мембраны.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение чувствительности датчика давления.
Указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент датчика давления содержит упругую мембрану, закрепленную на кронштейне, присоединенном к объекту измерения, с образованием герметичной внутренней полости, согласно полезной модели во внутреннюю полость введены два электропроводящих диска, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальным зазором а друг к другу, при этом первый диск закреплен в центре мембраны, а второй диск закреплен на торце токовывода, установленного по оси симметрии кронштейна и герметично изолированного от него, причем, по крайней мере, на первом диске со стороны, обращенной ко второму диску, нанесено электроизоляционное покрытие, при этом величина зазора а превышает ход центра мембраны при максимальном внешнем давлении воздушной среды.
Введение в конструкцию чувствительного элемента давления двух электропроводящих дисков, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальным зазором а друг к другу, с закреплением первого диска в центре мембраны, а второго - на торце токовывода, установленного по оси симметрии кронштейна и герметично изолированного от него, обеспечивает повышение чувствительности элемента давления за счет плоскопараллельного перемещения первого диска по всей его площади с величиной, соответствующей перемещению центра мембраны. Минимальный зазор между дисками увеличивает емкость и изменение емкости на единицу давления образованного дисками конденсатора.
Нанесение, по крайней мере, на первом диске со стороны, обращенной ко второму диску, электроизоляционного покрытия обеспечивает надежную работу образованного дисками конденсатора, даже при значительной взаимной непараллельности дисков вплоть до их касания вследствие этого.
Назначение зазора а превышающим ход центра мембраны при максимальном внешнем давлении воздушной среды исключает потерю работоспособности из-за возможного соприкосновения дисков по всей площади в диапазоне измерений давления.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения повышения чувствительности датчика давления.
Также для обеспечения надежного измерения давления внешней воздушной среды на значительных высотах и обеспечения снижения температурной погрешности чувствительного элемента давления внутренняя полость накачана остаточным давлением, которое ниже наименьшего внешнего давления воздушной среды.
Также для возможности обеспечения технологичной настройки оптимального минимального зазора между образующими обкладки конденсатора дисками токовывод установлен с возможностью осевого перемещения относительно кронштейна и герметичной фиксации в отрегулированном положении.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующим условию «новизны».
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен осевой разрез чувствительного элемента датчика давления при минимальном давлении внешней воздушной среды;
на фиг. 2 - взаимное расположение первого и второго диска с максимальным зазором а при минимальном давлении внешней воздушной среды (увеличено);
на фиг. 3 - осевой разрез чувствительного элемента датчика давления при максимальном давлении внешней воздушной среды;
на фиг. 4 - взаимное расположение первого и второго дисков с минимальным зазором а при максимальном давлении внешней воздушной среды (увеличено).
На указанных чертежах принимаются следующие обозначения:
1 - кронштейн;
2 - упругая мембрана;
3 - внутренняя полость датчика;
4 - первый диск;
5 - второй диск;
6 - токовывод;
7 - изолятор;
8 - втулка;
9 - накладка;
10 - припой;
11 - отверстие для заполнения внутренней полости датчика.
Чувствительный элемент датчика давления выполнен следующим образом.
Чувствительный элемент датчика давления (фиг. 1-4) содержит кронштейн 1, присоединенный к объекту измерения (не показано). На кронштейне 1 закреплена, например, электродуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов, упругая мембрана 2 с образованием герметичной внутренней полости 3. Высокая герметичность сварного шва обеспечивается применением накладки 9, выполненной из того же материала, что и кронштейн 1, и исключающей прожоги упругой мембраны 2 из-за разной толщины кромок и материала свариваемых деталей. В кронштейне 1 через изолятор 7 и втулку 8 установлен токовывод 6. Во внутреннюю полость 3 введены два электропроводящих диска 4, 5, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальный зазором а друг к другу. В центре мембраны 2 сваркой закреплен первый диск 4, на торце токовывода 5 - второй диск 5. Оба диска электропроводящие. На смежные поверхности дисков 4, 5 или, по крайней мере, на поверхности одного из них нанесено изоляционное покрытие, например Хим. Фос. хр. для исключения взаимного электрического контакта дисков 4, 5 при ударных и вибрационных воздействиях, а также при неизбежной непараллельности диска 4 вследствие отличий в упругой деформации различных зон мембраны 2. Такое конструктивное исполнение даже при местном касании дисков 4, 5 обеспечивает работоспособность образованного дисками 4, 5 конденсатора, а закрепление первого диска 4 в центре упругой мембраны 2 обеспечивает наибольшее возможное перемещение всего диска 4.
Величина зазора а обеспечивается установленным во втулке 8 с возможностью осевого перемещения относительно кронштейна 1 токовывода 6. При максимальном внешнем давлении воздушной среды величина зазора а превышает ход центра упругой мембраны 2, а следовательно и диска 4, в диапазоне измерения давления, но в то же время величина зазора должна быть минимальной для обеспечения наибольшей емкости и наибольшего изменения емкости на единицу измеряемого давления, образованного дисками 4, 5 конденсатора, а следовательно и чувствительности элемента давления.
После выставки зазора а в отрегулированном положении токовывод 6 и втулку 8 взаимно герметично сваривают по окружности для исключения изменения давления во внутренней полости 3, а следовательно обеспечения надежной работы элемента давления в течение длительного срока эксплуатации. В полости 3 через отверстие 11 создают разрежение, не превышающее наименьшее давление в требуемом диапазоне измерения и составляющее, например, 10-20 мм рт.ст. После создания указанного разряжения полость 3 герметизируют припоем 10, предварительно нанесенным на мембрану 2. Отверстие 11 выполняют одновременно в припое 10, мембране 2 и диске 4, например, непосредственно при сборке элемента датчика давления. Создание разряжения в полости 3, не превышающего наименьшее давление в диапазоне измерения, обеспечивает измерение давления на значительной высоте, а также снижает температурную погрешность чувствительного элемента давления в широком диапазоне температур эксплуатации.
Чувствительный элемент датчика давления работает следующим образом.
При действии давления внешней воздушной среды на внешнюю поверхность мембраны 2, она упруго прогибается, отслеживая это давление с наибольшим прогибом в центре мембраны 2. Диск 4, закрепленный в центре мембраны 2 с ее внутренней стороны, повторяет этот прогиб, изменяя зазор а, а следовательно и емкость образованного дисками 4, 5 конденсатора. По значению этой емкости электронная схема (на фигурах не показана) выдает значение действующего внешнего давления. Чувствительный элемент датчика давления обеспечивает преобразование внешнего давления воздушной среды в выходное значение емкости образованного дисками 4, 5 конденсатора. При использовании чувствительного элемента датчика давления в баровысотомере может обеспечиваться контроль высоты в диапазоне от 0 до 20 км.
Кроме того, заявляемый чувствительный элемент датчика давления может быть использован (подключен к измерительной схеме) совместно с подсоединенным к объекту измерения вторым аналогичным чувствительным элементом для измерения давления по разности емкостей на заявляемом и втором чувствительном элементе, причем внутренний объем второго чувствительного элемента должен быть негерметичен, что обеспечивает снижение температурной погрешности элемента давления в широком диапазоне температур эксплуатации, а также погрешности от воздействия линейных ускорений и вибрации, например, на траектории полета в составе летательного аппарата. Указанные преимущества значительно расширяют эксплуатационные возможности и область применения заявляемого чувствительного элемента датчика давления.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения повышения чувствительности заявляемого чувствительного элемента датчика давления.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее заявляемую полезную модель, при его осуществлении относится к области приборостроения, в частности, для использования в авиационной технике высотомеров;
средство, воплощающее заявляемую полезную модель, при его осуществлении предназначено для повышения чувствительности датчика давления;
для заявляемого чувствительного элемента датчика давления в том виде, в котором он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный чувствительный элемент датчика давления соответствует условию «промышленная применимость».