RU2086939C1

RU2086939C1 - Pressure transducer

Info

Publication number: RU2086939C1
Application number: RU93038621A
Authority: RU
Inventors: С.В. Белоусов; В.В. Голод; К.В. Кужутов
Original assignee: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1997-08-10

Abstract

FIELD: instrumentation engineering, measurement of pressure of gas and liquid media in test systems of gas and oil pipe-lines. SUBSTANCE: two pairs of resistance strain gauges are positioned on side wall of cylinder 1, one of them - pair 3 at certain angle to element of cylinder and the other pair - pair 4 - parallel to it at point of conjugation of wall with bottom part over certain length. Resistance strain gauges are intercoupled to form complete measurement bridge. EFFECT: maximal sensitivity of transducer. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления газовых и жидких сред, например, в системах контроля газовых и нефтяных трубопроводов. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the pressure of gas and liquid media, for example, in control systems for gas and oil pipelines.

Известен тензорезисторный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде тонкостенного цилиндра с основанием сферической формы и тензорезисторы, наклеенные вдоль образующей цилиндра /1/. Known strain gauge pressure sensor containing an elastic element in the form of a thin-walled cylinder with a spherical base and strain gauges glued along the generatrix of the cylinder / 1 /.

Недостатком этого датчика является малая чувствительность. The disadvantage of this sensor is its low sensitivity.

Наиболее близким техническим решением является датчик давления, содержащий упругий элемент в виде тонкостенного цилиндра с наклеенными на наружной поверхности вдоль образующих цилиндра тензорезисторами, из которых два активных и два компенсационные. Тензорезисторы электрически соединены в мостовую схему /2/. The closest technical solution is a pressure sensor containing an elastic element in the form of a thin-walled cylinder with strain gages glued on the outer surface along the cylinder forming, of which two are active and two are compensation. Strain gages are electrically connected to the bridge circuit / 2 /.

В датчиках этого типа не реализуется возможность максимального повышения чувствительности из-за нерационального размещения тензорезисторов. The sensors of this type do not realize the possibility of maximizing sensitivity due to the irrational placement of strain gages.

Задачей изобретения является повышение чувствительности датчика. The objective of the invention is to increase the sensitivity of the sensor.

Поставленная задача достигается благодаря использованию особенностей краевого эффекта пассивные компенсационные тензорезисторы становятся активными благодаря размещению их на наружной стенке цилиндра в месте сопряжения стенки с донной частью на определенной длине, где возникают изгибные и напряжения сжатия, причем продольные оси тензорезисторов параллельны образующей цилиндра, а растянутые терзорезисторы размещаются вдоль образующей вектора эквивалентного напряжения растяжения, т.е. под углом 63^o26' к образующей цилиндра.The task is achieved by using the features of the edge effect, passive compensation strain gages become active by placing them on the outer wall of the cylinder at the place where the wall meets the bottom part at a certain length, where bending and compression stresses arise, and the longitudinal axes of the strain gages are parallel to the cylinder generatrix, and the stretched resistance gages are placed along the generatrix of the equivalent tensile stress vector, i.e. at an angle of 63 ^o 26 'to the generatrix of the cylinder.

На чертеже представлена конструкция датчика давления. The drawing shows the design of the pressure sensor.

Датчик содержит упругий элемент в виде полого тонкостенного цилиндра 1 с жестким дном, выполненного заодно с присоединительным резьбовым штуцером 2. На наружной поверхности тонкой стенки наклеены две пары тензорезисторов, причем одна пара 3 расположена на трубчатом участке цилиндра под углом 63^o26' к образующей цилиндра, а другая пара тензорезисторов 4 расположена в месте сопряжения тонкой стенки с жестким дном. Обе пары тензорезисторов 3 и 4 являются активными и электрически соединены в полный измерительный мост с 4-мя активными плечами. Датчик имеет защитный кожух 5 с разъемом 6. Давление среды подается во внутреннюю полость упругого элемента.The sensor contains an elastic element in the form of a hollow thin-walled cylinder 1 with a rigid bottom, made integral with the connecting threaded fitting 2. Two pairs of strain gauges are glued on the outer surface of the thin wall, and one pair 3 is located on the tubular section of the cylinder at an angle of 63 ^o 26 'to the cylinder generatrix and the other pair of strain gages 4 is located at the interface between the thin wall and the hard bottom. Both pairs of strain gauges 3 and 4 are active and electrically connected to a full measuring bridge with 4 active arms. The sensor has a protective casing 5 with a connector 6. The pressure of the medium is supplied to the internal cavity of the elastic element.

Датчик давления работает следующим образом. The pressure sensor operates as follows.

Под воздействием давления среды на наружной поверхности тонкой стенки цилиндра возникает напряженное состояние растяжения в осевом направлении

и в тангенциальном

с эквивалентным значением

Направление вектора эквивалентного напряжения к образующей цилиндра

В то же время в области сопряжения тонкой стенки с жестким дном в силу особенности краевого эффекта изгибное напряжение сжатия вдоль образующей цилиндра. Длина сжатого участка определяется выражением:

где P давление среды;
R внутренний радиус цилиндра;
δ толщина стенки;
E модуль упругости материала;
m коэффициент Пуассона;
D жесткость стенки цилиндра при изгибе

μ коэффициент Пуассона.Under the influence of the pressure of the medium on the outer surface of the thin wall of the cylinder, a tensile stress state in the axial direction occurs

and tangential

with equivalent value

The direction of the equivalent voltage vector to the cylinder generatrix

At the same time, in the interface between a thin wall and a hard bottom, due to the peculiarity of the edge effect, the bending compression stress along the generatrix of the cylinder. The length of the compressed section is determined by the expression:

where P is the pressure of the medium;
R is the inner radius of the cylinder;
δ wall thickness;
E is the modulus of elasticity of the material;
m Poisson's ratio;
D bending rigidity of the cylinder wall

μ Poisson's ratio.

Максимальная величина изгибного напряжения сжатия в месте сопряжения тонкой стенки с жестким дном:

а среднее значение:

Таким образом, пары тензорезисторов, наклеенные по предлагаемой топологии, испытывают противоположные по знаку напряжения, соизмеримые по абсолютному значению.The maximum value of the flexural compression stress at the place of interfacing of a thin wall with a hard bottom:

and average value:

Thus, the pairs of strain gauges glued according to the proposed topology experience opposite stresses in sign, comparable in absolute value.

Рассчитав толщины стенок цилиндра на сжатом и растянутом участках, можно получить сбалансированный полный измерительный мост и повысить чувствительность датчика вдвое по сравнению с прототипом. By calculating the thickness of the cylinder walls in the compressed and stretched sections, you can get a balanced full measuring bridge and increase the sensitivity of the sensor by half compared with the prototype.

Claims

A pressure sensor containing an elastic element in the form of a hollow thin-walled cylinder with a rigid bottom, made integral with the connecting fitting, two pairs of strain gauges glued to the outer surface of the cylinder connected to a complete measuring bridge, characterized in that one pair of strain gauges is located at an angle of 63 ^o 26 'to the generatrix of the cylinder, and another pair of strain gauges is parallel to the generatrix of the cylinder in the area of conjugation of the cylinder wall with the bottom in a section of length

counting from the inner end of the hard bottom of the cylinder,
where E is the modulus of elasticity of the material;
δ is the wall thickness;
R is the average radius of the cylinder;
D the bending rigidity of the cylinder wall:

μ is the Poisson's ratio.