ДАТЧИК

Заявляемое устройство предназначено для измерения физической величины, например, избыточного давления, температуры или угла наклона, и ее преобразования в унифицированный сигнал.
Известно устройство для измерения давления (патент на изобретение RU 2166741, МПК G01L 9/04, опубл. 2001.05.10). Оно содержит корпус со штуцером, мембрану, связанную штоком со средней частью, закрепленной на основании концами упругой балки. Упругая балка выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы. В боковых гранях упругой балки выполнены сквозные отверстия, перпендикулярные его продольной оси и образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов. Кроме того, в боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, образующие перемычку и соединяющие концы балок между собой. В центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие, размеры которого превышают поперечные размеры штока. Шток частично размещен в отверстии перемычки.
Недостатком данного устройства является хрупкость конструкции, а также необходимость в дополнительных вычислительных устройствах для преобразования выходного сигнала.
Наиболее близким к заявляемому датчику является устройство для измерения температуры (патент на полезную модель RU 57896, МПК
G01K 7/16, опубл. 2006.10.27), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит закрепленный в трубопроводе с помощью установочной головки корпус с наружной резьбой. Корпус закрыт в верхней части крышкой и соединен в нижней части с металлической защитной гильзой. В защитной гильзе закреплен термочувствительный элемент, представляющий собой кварцевый резонатор. Выводы термочувствительного элемента посредством проводов включены в цепь преобразователя сигнала. Преобразователь сигнала выполнен в виде генератора частоты, собранного на печатной плате, и размещен в корпусе. Установочная головка, корпус и гильза выполнены в виде функционально последовательной цельной, полой внутри металлической конструкции. При этом гильза выполнена с переменным по ее длине термосопротивлением - минимальным в месте съема теплопотока и максимальным - в месте отвода тепла к преобразователю, а печатная плата с кварцевым генератором размещена под крышкой и отделена от головки корпуса неметаллической втулкой-стаканом.
Недостатком устройства является низкая виброустойчивость, а следовательно, невозможность надежной работы устройства на вибрирующих объектах.
Задачей заявляемого решения является создание датчика, конструкция которого обладала бы высокой прочностью, компактностью, устойчивостью к вибрациям.
Техническими результатами являются виброустойчивость, надежное соединение элементов, компактные размеры датчика, а также неподверженность чувствительного элемента влиянию температурной погрешности.
Указанные технические результаты достигаются осуществлением совокупности существенных признаков решения.
Датчик содержит корпус, кожух, чувствительный элемент, электронную плату, внешние выводы, элементы крепления и изоляции. Чувствительный элемент и электронная плата электрически соединены между собой, размещены на корпусе и закрыты кожухом. При этом внутренние полости датчика заполнены наполнителями.
Кроме того, заявлены дополнительные решения, обладающие вышеуказанной совокупностью признаков, и при этом характеризующие конкретные варианты исполнения датчика.
В датчике избыточного давления в качестве чувствительного элемента применяется тензомодуль, при этом наполнители выполнены на основе эпоксидного компаунда.
В датчике наклона в качестве чувствительного элемента применяется микро-акселерометр, при этом наполнители выполнены на основе эпоксидного компаунда.
В датчике температуры в качестве чувствительного элемента применяется терморезистор, при этом в качестве герметика вокруг терморезистора применяется теплопроводная паста, а остальные полости датчика заполнены наполнителями на основе эпоксидного компаунда.
Конструкция датчика в трех функциональных вариантах исполнения представлена на чертежах: на Фиг.1 - датчик избыточного давления, на Фиг.2 - датчик наклона и на Фиг.3 - датчик температуры.
Позициями на чертежах показаны:
1 - чувствительный элемент;
2 - корпус;
3 - электронная плата;
4 - кожух;
5 - теплоизолирующее основание;
6 - герметик;
7 - наполнитель;
8 - провод.
Датчик содержит следующие основные части: чувствительный элемент 1, корпус 2, электронная плата 3, кожух 4, провода 8.
В качестве чувствительного элемента в датчиках избыточного давления применяется тензомодуль, в датчике температуры - терморезистор, в датчике наклона - микро-акселерометр.
Чувствительный элемент 1 и электронная плата 3 размещены на корпусе 2 с помощью элементов крепления (стойки, винты) и закрыты кожухом 4. Выводы чувствительного элемента 1 соединены с электронной платой 3. Выводы платы 3 соединены с проводами 8. Изоляция для предотвращения попадания внутрь датчика частиц масла, пыли и влаги обеспечивается уплотнителями и герметиком 6.
Все внутреннее пространство датчика, ограниченное корпусом 2 и кожухом 4, заполнено эпоксидным компаундом для надежной фиксации элементов датчика и придания датчику вибропрочности.
В датчике температуры (Фиг.3), кроме того, для термоизоляции применяется теплоизолирующее основание 5. В качестве герметика вокруг терморезистора применяется теплопроводная паста, а остальные полости датчика заполнены наполнителями на основе эпоксидного компаунда.
Устройство работает следующим образом. В нормальных условиях на выходах чувствительного элемента 1 присутствует начальное значение напряжения, поступающее на вход электронной платы 3. При изменении значения измеряемой величины значение выходного напряжения, поступающего на вход электронной платы 3, изменяется.
В частности, в датчике избыточного давления в нормальных условиях (атмосферное давления на входе датчика) мостовая схема, на базе которой реализован тензомодуль чувствительного элемента 1, находится в сбалансированном состоянии, т.е. с двух ее выходов на входы электронной платы 3 поступает одинаковое напряжение. При изменении давления со стороны чувствительного элемента 1 происходит разбаланс мостовой схемы, в результате которого с выходов чувствительного элемента 1 на входы платы 3 поступает разное напряжение.
В датчике наклона в нормальных условиях (минимальный измеряемый угол наклона) на выходах чувствительного элемента 1, реализованного на базе микро-акселерометра, присутствует начальное значение напряжения, поступающее на входы платы 3. При изменении положения чувствительного элемента 1 (и самого датчика, поскольку чувствительный элемент 1 жестко закреплен на корпусе 2 датчика) в пространстве (в рабочей плоскости) изменяется значение выходных напряжений микро-акселерометра, поступающих на входы электронной платы 3.
В датчике температуры в нормальных условиях (нижний предел диапазона рабочих температур) сопротивление терморезистора, на базе которого реализован чувствительный элемент 1, имеет минимальное значение. Падение напряжения на терморезисторе определяется путем измерения напряжения в цепи до и после сопротивления. Эти два значения поступают на входы электронной платы 3. При изменении температуры изменяется значение сопротивления чувствительного элемента 1, что приводит к изменению значений напряжения, поступающих на входы платы 3. В электронной плате 3 происходит сравнение между собой двух значений напряжений, полученных с чувствительного элемента 1. Полученное в результате сравнения значение напряжения, учитывающее
влияние температурной погрешности элементов схемы на показания датчика, преобразуется в унифицированный сигнал - потребляемый ток.
Вся схема датчика, включенная в измерительную цепь, потребляет от 4 до 20 мА в зависимости от значения измерения (поданного давления, угла наклона датчика или температуры среды).