ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам давления.
Известны датчики абсолютного и избыточного давления, например типа «Сапфир-22», использующие тензорезистивный метод измерения [1].
Датчик давления имеет металлический корпус, внутри которого размещен тензопреобразователь, и мембранный блок, а на внешней стороне корпуса - электронное устройство. Тензопреобразователь и мембранный блок являются чувствительными элементами датчика давления. Тензопреобразователь имеет пластину из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, соединенными в виде измерительного моста. Мембранный блок представляет собой металлическую гофрированную мембрану, приваренную по наружному контуру к корпусу датчика.
Мембранный блок воспринимает измеряемое давление и передает механические напряжения тензопреобразователю.
Кремнийорганическая жидкость, расположенная в объеме, замкнутом между тензопреобразователем и мембранным блоком, выполняет практически жесткую передачу механических напряжений от мембранного блока к тензопреобразователю.
На фигуре 1 изображена конструктивная схема известного датчика давления [1].
Принцип действия известного датчика состоит в следующем. Измеряемое давление Р воздействует на металлическую гофрированную мембрану 1 и через жидкость 2 - на пластину 3 с тензорезисторами, соединенными в измерительный мост. Под действием механических напряжений, возникающих в пластине 3, происходит изменение сопротивления тензорезисторов в плечах моста и на выходе мостовой схемы появляется напряжение небаланса, которое преобразуется в выходной электрический сигнал, пропорциональный входной нагрузке. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается в электронное устройство 4.
Низкая надежность известных датчиков давления вызвана жесткостью передачи механических напряжений от мембранного блока к тензопреобразователю. В измеряемом объекте возможны гидродинамические удары и вибрации давлений, которые, вследствие жесткости передачи, непосредственно воспринимаются пластиной тензопреобразователя и способствуют ее разрушению.
Возникает также уязвимость пластины тензопреобразователя к превышению значения входной нагрузки по отношению к верхнему пределу измерений, к перегрузкам статического давления и создаются ограничения по нижнему порогу чувствительности.
Датчик, выполненный по предполагаемому изобретению, защищен от статических и динамических перегрузок, а также появляется возможность повысить чувствительность в нижнем диапазоне измерений. Для обеспечения этой возможности в конструкции датчика применен упругий элемент, связывающий мембранный блок с тензопреобразователем. В качестве упругого элемента предлагается применять пружину или сильфон. Кроме того, мембранный блок выполнен в виде двух идентичных соединенных между собой мембран, одна из которых закреплена в корпусе датчика, а другая имеет жесткий центр, воспринимающий давление.
На фигуре 2 изображена конструктивная схема датчика, выполненного по предполагаемому изобретению, с упругим элементом в виде пружины. Мембранный блок 1 связан с пластиной 3 тензопреобразователя вдоль оси нагрузки через упругий элемент 2 (пружину), закрепленный на жестких центрах пластины 3 и мембранного блока 1.
На фигуре 3 изображена конструктивная схема датчика, выполненного по предполагаемому изобретению, с упругим элементом в виде сильфона. Мембранный блок 1 связан с пластиной 3 тензопреобразователя вдоль оси нагрузки через упругий элемент 2 (сильфон), закрепленный на жестких центрах пластины 3 и мембранного блока 1.
При подаче давления Р на мембранный блок 1 передача усилия на пластину 3 тензопреобразователя происходит через упругий элемент 2 (пружину или сильфон). Под действием нагрузки перемещение мембранного блока 1 продолжается до упора его жесткого центра 4 в корпусную часть 5 тензопреобразователя, жестко закрепленного в корпусе датчика давления. При дальнейшем нарастании нагрузки перемещения жесткого центра 4 мембранного блока 1 не происходит, вследствие чего усилие на пластину 3 не передается.
Введение связи мембранного блока 1 и пластины 3 через упругий элемент 2 позволяет защитить пластину 3 тензопреобразователя от вибрационных и ударных нагрузок, и обеспечить получение необходимого выходного сигнала при соотношении жесткостей мембранного блока 1, упругого элемента 2 и пластины 3 для каждого диапазона измерения.
-3
Используя в датчиках давления одно исполнение тензопреобразователя с упругим элементом (пружиной или сильфоном), и применяя различные по размеру и жесткости мембранные блоки, можно обеспечить измерение давления в диапазонах от 6,3⋅10 до 4 МПа.
Положительный технический результат от применения предполагаемого изобретения состоит в:
- повышении надежности датчиков давления;
- возможности использования датчиков давления в условиях работы с вероятностью ударных нагрузок и при перегрузках статического давления;
- возможности повышения чувствительности датчиков давления за счет применения различных по размеру и жесткости мембранных блоков.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 Преобразователь измерительный «Сапфир-22». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 08919030 ТО.
Министерство приборостроения, средств автоматизации и систем управления, Москва, 1983 г.