RU157276U1

RU157276U1 - TWO-MEMBRANE PRESSURE PRESSURE TRANSDUCER

Info

Publication number: RU157276U1
Application number: RU2015129048/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Зарувинский; Олег Валерьевич Индришенок; Елена Михайловна Николайчик
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2015-11-27

Abstract

Двухмембранный тензопреобразователь давления, содержащий цилиндрическое основание со штуцером и каналом подвода давления, образующих камеру, основную металлическую мембрану, на которой размещен тензочувствительный элемент на основе структуры "кремний на сапфире" в виде резистивной мостовой схемы, дополнительную усилительную металлическую мембрану, установленную между основанием и основной мембраной, имеющей шток, один конец которого выполнен за одно целое с основной мембраной, а другой жестко соединен с металлической усилительной мембраной, и упоры, отличающийся тем, что металлическая усилительная мембрана жестко связана с проходящим через центр толстой нерабочей части мембраны штоком и через расположенную со стороны основной мембраны и одетой на шток переходной втулкой, выполненной с плоским кольцевым буртом, служащим упором, ограничивающим перемещение штока в пределах зазора между упором и опорной плоскостью зафиксированного в корпусе основной металлической мембраны диска, имеющего выполненный за одно целое с ним кольцевой упор, размещенный по другую сторону его опорной поверхности с зазором между ним и плоскостью утолщенной части усилительной мембраны.A two-membrane pressure transducer containing a cylindrical base with a fitting and a pressure supply channel forming a chamber, a main metal membrane on which a strain-sensitive element based on a silicon on sapphire structure is placed in the form of a resistive bridge circuit, an additional reinforcing metal membrane installed between the base and the main a membrane having a rod, one end of which is integral with the main membrane, and the other is rigidly connected to a metal reinforcing a hollow membrane, and stops, characterized in that the metal reinforcing membrane is rigidly connected to the rod passing through the center of the thick non-working part of the membrane and through the adapter sleeve located on the side of the main membrane and dressed on the rod, made with a flat annular collar serving as a stop restricting the movement of the rod in the gap between the stop and the reference plane fixed in the body of the main metal membrane of the disk having a ring stop made in one piece with it, placed on the other sides its bearing surface with a clearance between it and the plane of the thicker portion of the reinforcement of the membrane.

Description

Область техники.The field of technology.

Полезная модель относится к измерительной техники и может быть использовано для регистрации избыточных и разности давлений в газовых и жидких средах в различных областях техники.The utility model relates to measuring equipment and can be used to register excess and differential pressures in gas and liquid media in various fields of technology.

Уровень техники.The level of technology.

Наиболее близким аналогом является двухмембранный тензопреобразователь давления (патент РФ №2101688, G01L 9/04, публикация 10.01.1998, прототип). В нем на основной металлической мембране, выполненной за одно целое с корпусной частью, напаян тензочувствительный элемент (например, на основе «кремний на сапфире»), имеется шток, расположенный в центре этой мембраны по другую сторону относительно тензочувсвительного элемента, кольцевой упорThe closest analogue is a dual-membrane pressure transducer (RF patent No. 2101688, G01L 9/04, publication 01/10/1998, prototype). In it, on the main metal membrane, made in one piece with the body part, a strain-sensitive element is soldered (for example, based on "silicon on sapphire"), there is a rod located in the center of this membrane on the other side relative to the strain-sensing element, an annular stop

расположенный на торцевой части корпуса основной мембраны для ограничения деформации (перемещения) этого элемента при перегрузочном давлении. Дополнительная усилительная металлическая мембрана выполнена за одно целое с наружным толстым кольцом, не являющимся рабочей частью этой мембраны, имеющим две параллельные плоскости, причем одна плоскость совпадает с плоскостью усилительной мембраны. В центральной части мембрана имеет утолщение, в котором имеется отверстие для герметичного, жесткого соединения со штоком основной мембраны. По наружному диаметру кольца, с одной ее стороны, которая совпадает с поверхностью мембраны, эта мембрана жестко соединена с корпусной частью основной мембраны, а с другой стороны - с основанием со штуцером и каналом приема рабочего давления.located on the end of the main membrane housing to limit deformation (displacement) of this element at overload pressure. An additional reinforcing metal membrane is made in one piece with the outer thick ring, which is not the working part of this membrane, having two parallel planes, and one plane coincides with the plane of the reinforcing membrane. In the central part, the membrane has a thickening in which there is an opening for a tight, rigid connection with the stem of the main membrane. According to the outer diameter of the ring, on one side, which coincides with the surface of the membrane, this membrane is rigidly connected to the body part of the main membrane, and on the other hand, to the base with a fitting and a working pressure receiving channel.

За одно целое с центральным утолщением усилительной мембраны на стороне, находящейся в камере приема измеряемого давления рабочей среды, выполнены упоры, ограничивающие перемещение мембран на величину зазора между этими упорами и внутренней плоскостью основания.In one piece with the central thickening of the reinforcing membrane on the side located in the receiving chamber of the measured pressure of the working medium, stops are made, restricting the movement of the membranes by the amount of clearance between these stops and the inner plane of the base.

Основание имеет штуцер и канал подвода давления, плоскость, служащая ограничением перемещения упоров расположенных на усилительной мембране. Особенностью такой конструкции является то, что благодаря упорам, их определенному размещению, эти упоры не действуют непосредственно на тонкую рабочую часть дополнительной усилительной и основную мембраны, и не влияют, соответственно, на процесс преобразования давления в силу и распределения деформаций в основной мембране. Это позволяет сохранить метрологические характеристики преобразователя в рабочем диапазоне давлений после воздействия давления выше предельно допустимого.The base has a fitting and a pressure supply channel, a plane that serves as a restriction on the movement of the stops located on the reinforcing membrane. A feature of this design is that due to the stops, their specific placement, these stops do not act directly on the thin working part of the additional reinforcing and main membranes, and do not affect, respectively, the process of converting pressure into force and the distribution of deformations in the main membrane. This allows you to save the metrological characteristics of the Converter in the operating pressure range after exposure to pressure above the maximum permissible.

Недостатком этой конструкции преобразователя давления является то, что в камеру приема давления вместе с измеряемой средой (газ, жидкость) могут попасть содержащиеся в ней загрязнители, попадание которых в зазоры между упорами и опорными поверхностями, находящимися в этой же камере, приведут к искажению результатов измерения давления, т.е. к отказу прибора.The disadvantage of this design of the pressure transducer is that contaminants contained in it can enter the pressure receiving chamber along with the medium being measured (gas, liquid), the ingress of which into the gaps between the stops and the supporting surfaces located in the same chamber will lead to distortion of the measurement results pressure i.e. to device failure.

Полость между усилительной и основной мембранами, и за ней является полостью опорного давления и заполняется фильтрованным газом (воздухом) или жидкостью. В приборах разности давления, в которых применяются такие преобразователи с эпитаксиальными структурами, например, «кремний на сапфире» и т.п., эта полость должна быть заполнена специальной жидкостью. Рабочее давление внешней среды должно подаваться в нее через разделитель сред и, следовательно, загрязнения не попадут под упоры, находящиеся в этой полости.The cavity between the amplifying and the main membranes, and behind it is the reference pressure cavity and is filled with filtered gas (air) or liquid. In pressure difference devices that use such transducers with epitaxial structures, for example, “silicon on sapphire”, etc., this cavity must be filled with a special liquid. The working pressure of the external environment must be supplied to it through a media separator and, therefore, pollution will not fall under the stops located in this cavity.

Организация фильтрации или разделителей рабочих сред со стороны штуцерной части преобразователя давления требует увеличения его габаритных размеров, что не всегда возможно.The organization of filtration or separators of the working media from the fitting of the pressure transducer requires an increase in its overall dimensions, which is not always possible.

Техническим результатом является повышение надежности при подаче давления рабочей среды содержащей загрязнения.The technical result is to increase the reliability when applying pressure of the working medium containing pollution.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Технический результат достигается за счет того, что двухмембранный тензопреобразователь давления, содержит цилиндрическое основание со штуцером и каналом подвода давления, образующих камеру, основную металлическую мембрану, на которой размещен тензочувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» в виде резистивной мостовой схемы, дополнительную усилительную металлическую мембрану, установленную между основанием и основной мембраной, имеющей шток, один конец которого выполнен за одно целое с основной мембраной, а другой жестко соединен с металлической усилительной мембраной. Двухмембранный тензопреобразователь давления содержит также упоры. Металлическая усилительная мембрана жестко связана с проходящим через центр толстой нерабочей части мембраны штоком и через расположенную со стороны основной мембраны и одетой на шток переходной втулкой. Переходная втулка выполнена с плоским кольцевым буртом, служащим упором, ограничивающим перемещение штока в пределах расчетного зазора H₁ между упором и опорной плоскостью зафиксированного в корпусе основной металлической мембраны диска, имеющего выполненный за одно целое с ним кольцевой упор, размещенный по другую сторону его опорной поверхности с необходимым зазором H₂ между ним и плоскостью утолщенной части усилительной мембраны.The technical result is achieved due to the fact that the two-membrane pressure transducer contains a cylindrical base with a fitting and a pressure supply channel forming a chamber, a main metal membrane, on which a strain-sensitive element based on a silicon on sapphire structure is placed in the form of a resistive bridge circuit, an additional amplifying a metal membrane installed between the base and the main membrane having a rod, one end of which is made in one piece with the main membrane, and others goy rigidly connected with the metal reinforcing membrane. The dual-membrane pressure transducer also contains stops. The metal reinforcing membrane is rigidly connected with the rod passing through the center of the thick non-working part of the membrane and through the adapter sleeve located on the side of the main membrane and dressed on the rod. The adapter sleeve is made with a flat annular collar that serves as an abutment restricting the movement of the rod within the design gap H ₁ between the abutment and the reference plane of the disk fixed in the main metal membrane body having an annular abutment made integrally with it and placed on the other side of its abutment surface with the necessary gap H ₂ between it and the plane of the thickened part of the reinforcing membrane.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлен двухмембранный тензопреобразователь давления.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, which shows a two-membrane pressure transducer.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

В двухмембранном преобразователе, содержащем цилиндрическое основание 1 со штуцером и каналом подвода давления 2, основную металлическую мембрану 3, на которой размещен тензочувствительный элемент 4 на основе структуры «кремний на сапфире» в виде резистивной мостовой схемы. Дополнительная усилительная металлическая мембрана 5, установлена между основанием и основной мембраной, имеющей шток 6, один конец которого выполнен за одно целое с основной мембраной и является ее жестким центром, а другой конец жестко соединен с переходной втулкой 7, которая имеет плоский кольцевой бурт 8, служащий упором, ограничивающим перемещение штока в пределах расчетного зазора H₁ между этим упором и опорной плоскостью диска 9, жестко закрепленного в корпусе основной мембраны 10. На этом же диске, по другую сторону его опорной поверхности имеется кольцевой упор 11, выполненный за одно целое с этим диском. Между этим упором и плоскостью утолщенной части усилительной мембраны имеется зазор H₂. Втулка также жестко связана с утолщенной частью усилительной мембраны. Под жестким закреплением элементов в конструкции преобразователя понимается герметичное соединение этих элементов с помощью, например, электродуговой, лазерной или электронной сварки поз. 12 для обеспечения необходимой прочности и герметичности.In a two-membrane transducer containing a cylindrical base 1 with a fitting and a pressure supply channel 2, a main metal membrane 3, on which a strain-sensitive element 4 based on a silicon on sapphire structure is placed in the form of a resistive bridge circuit. An additional reinforcing metal membrane 5 is installed between the base and the main membrane having a stem 6, one end of which is integral with the main membrane and is its rigid center, and the other end is rigidly connected to the adapter sleeve 7, which has a flat annular collar 8, serving as a stop restricting the movement of the rod within the design gap H ₁ between this stop and the supporting plane of the disk 9, rigidly fixed in the housing of the main membrane 10. On the same disk, on the other side of its supporting surface In fact, there is an annular stop 11, made in one piece with this disk. Between this stop and the plane of the thickened part of the reinforcing membrane there is a gap H ₂ . The sleeve is also rigidly connected to the thickened part of the reinforcing membrane. Rigid fastening of elements in the design of the converter is understood as a hermetic connection of these elements using, for example, electric arc, laser or electronic welding pos. 12 to provide the necessary strength and tightness.

Расположение упоров, ограничивающих перемещения штока, с которым жестко связаны усилительная и основная мембраны при преобразовании перегрузочного давления в силу, не оказывают непосредственное влияние на тонкую часть усилительной мембраны, напряжения в ней определяются разностью давлений по ее обе стороны и перемещениями в пределах заданных зазоров H₁ и H₂, а напряжения в основной мембране и, соответственно, в тензоэлементе определяются только их деформацией в пределах тех же перемещений. Максимальные величины зазоров задаются исходя из допустимых напряжений в основной мембране и тензоэлементе, и должны быть больше деформации, которая определяется рабочим диапазоном измеряемого давления. Обычно эти деформации не превышают более чем в 1,5-2,0 раза деформацию вызванную воздействием максимального измеряемого давления, хотя в некоторых случаях по каким либо причинам эти величины могут быть иными. Выполнение этих условий обеспечивает сохранение заданных метрологических характеристик тензопреобразователя после воздействия на него перегрузочных давлений, существенно, многократно превышающее рабочее давление (порядка 5-10 раз).The location of the stops restricting the movement of the rod, to which the reinforcing and the main membranes are rigidly connected when converting the overload pressure to force, do not directly affect the thin part of the reinforcing membrane, the stresses in it are determined by the pressure difference on both sides and displacements within the specified gaps H ₁ and H ₂ , and the stresses in the main membrane and, accordingly, in the strain element are determined only by their deformation within the same displacements. The maximum values of the gaps are set based on the permissible stresses in the main membrane and strain element, and should be greater than the deformation, which is determined by the working range of the measured pressure. Typically, these deformations do not exceed more than 1.5-2.0 times the deformation caused by the influence of the maximum measured pressure, although in some cases, for some reason, these values may be different. The fulfillment of these conditions ensures the preservation of the specified metrological characteristics of the strain gauge after exposure to overload pressures, significantly, many times higher than the working pressure (about 5-10 times).

Такое размещение упоров в зоне опорного давления повышает надежность работы прибора за счет исключения контакта рабочих измеряемых сред, могущих иметь различные механические загрязнители, поступающих через штуцер приема давления, с системой защитных упоров.This placement of the stops in the zone of reference pressure increases the reliability of the device by eliminating the contact of the working measured media, which may have various mechanical contaminants coming through the pressure receiving nozzle, with a system of protective stops.

Таким образом, предлагаемое техническое решение отличается от прототипа наличием новых признаков, взаимным расположением и формой выполнения, которые придают объекту новые свойства, проявляющиеся в техническом результате.Thus, the proposed technical solution differs from the prototype in the presence of new features, mutual arrangement and form of execution, which give the object new properties that are manifested in the technical result.

Работа полезной модели осуществляется следующим образом.The utility model is as follows.

При подаче давления рабочей среды в полость под усилительной мембраной 5 через канал подачи давления 2 усилительная мембрана 5 воздействует на шток 6 и деформирует основную мембрану 3 и кристалл 4, при этом зазор H₂ уменьшается, усилительная металлическая мембрана 5 толстой нерабочей частью ложится на кольцевой упор 11 и перемещение штока 6 прекращается. При дальнейшем повышении давления не происходит перемещения штока 6, а, следовательно, не деформируются основная мембрана 3 и кристалл 4. При подаче давления со стороны основной мембраны 3 происходит заполнение полости, расположенной над усилительной мембраной 5, через радиальные отверстия, имеющиеся в корпусе основной мембраны 10, ив диске 9. Под воздействием этого давления шток 6 начинает перемещаться, деформируя основную мембрану 3, и уменьшая зазора H₁. При достижении заданного значения давления шток 6, жестко соединенный с переходной втулкой 7, садится на плоский кольцевой бурт 8, служащий упором.When applying the pressure of the working medium into the cavity under the amplifying membrane 5 through the pressure supply channel 2, the amplifying membrane 5 acts on the rod 6 and deforms the main membrane 3 and the crystal 4, while the gap H ₂ decreases, the reinforcing metal membrane 5 with a thick inoperative part lies on the ring stop 11 and the movement of the stem 6 stops. With a further increase in pressure, the rod 6 does not move, and, therefore, the main membrane 3 and crystal 4 are not deformed. When pressure is applied from the side of the main membrane 3, the cavity located above the amplifying membrane 5 is filled through the radial holes in the main membrane body 10, willow disk 9. Under the influence of this pressure, the rod 6 begins to move, deforming the main membrane 3, and reducing the gap H ₁ . Upon reaching the set pressure value, the stem 6, rigidly connected to the adapter sleeve 7, sits on a flat annular collar 8, which serves as a stop.

Claims

A two-membrane pressure transducer containing a cylindrical base with a fitting and a pressure supply channel forming a chamber, a main metal membrane on which a strain-sensitive element based on a silicon on sapphire structure is placed in the form of a resistive bridge circuit, an additional reinforcing metal membrane installed between the base and the main a membrane having a rod, one end of which is integral with the main membrane, and the other is rigidly connected to a metal reinforcing a hollow membrane, and stops, characterized in that the metal reinforcing membrane is rigidly connected to the rod passing through the center of the thick non-working part of the membrane and through the adapter sleeve located on the side of the main membrane and dressed on the rod, made with a flat annular collar serving as a stop restricting the movement of the rod in the gap between the stop and the reference plane fixed in the body of the main metal membrane of the disk having a ring stop made in one piece with it, placed on the other sides its bearing surface with a clearance between it and the plane of the thicker portion of the reinforcement of the membrane.