RU2098785C1

RU2098785C1 - Pressure difference pickup

Info

Publication number: RU2098785C1
Application number: RU96102881A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Зарувинский; В.С. Коносов; А.А. Петров; О.В. Слюсарев; Г.С. Кочарянц; И.В. Орлеанский; В.М. Скопин; В.А. Ефремов; В.И. Каширин
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1997-12-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: pickup has body with two spaces 3, 4 filled with low-compression electric insulation liquid and with hermetically sealed profiled membranes 1, 2, semiconductor sensing element 5 and bellows 8. Compression spring 9 is positioned between moving cover of bellows and body. Use is made of auxiliary compression spring 12 and auxiliary bellows 11 secured tightly between spaces, and auxiliary compression spring 12 positioned between moving cover of auxiliary bellows 11 and body 10. In this case, crimps of bellows 9, 11 are compressed up to stop. EFFECT: higher measurement results. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению давления электрическими методами на основе тензорезисторного эффекта в полупроводниках. The invention relates to measuring technique, namely to measuring pressure by electrical methods based on the strain gauge effect in semiconductors.

При измерении разности давлений измеряемые давления действуют на полупроводниковой чувствительный элемент, например, мембранного типа, с планарной и противоположной ей стороны, что усложняе снятие электрического сигнала с тензорезисторов. When measuring the pressure difference, the measured pressures act on a semiconductor sensitive element, for example, of a membrane type, on the planar and opposite sides, which complicates the removal of the electrical signal from the strain gauges.

Еще более усложняется задача, если измеряемые давления создаются агрессивной средой, а также, если действуют перегрузочные давления как с обеих сторон чувствительного элемента, так и с любой одной стороны. The task becomes even more complicated if the measured pressures are created by an aggressive medium, and also if overload pressures are acting both on both sides of the sensing element, and on either one side.

В этом случае необходимо датчик снабжать устройством, предохраняющим чувствительный элемент от поломки при перегрузочном давлении. In this case, it is necessary to provide the sensor with a device that protects the sensitive element from breakage at overload pressure.

Известен датчик разности давлений (P₁-P₂) [1] содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Между полостями в корпусе закреплена мембрана и полупроводниковый чувствительный элемент, выводы которого электрически соединены с электрическими гермовыводами, закрепленными в корпусе. На внешней поверхности корпуса закреплены герметично с зазором от корпуса две профилированные мембраны, каждая из которых сообщена через отверстие с соответствующей полостью [1]
В известном датчике мембрана, закрепленная между полостями в корпусе, при повышении перепада давления перемещается, не позволяя тем самым перепаду давления превысить допустимый уровень и предотвращая таким образом разрушение чувствительного элемента.A known pressure difference sensor (P ₁ -P ₂ ) [1] comprising a housing in which there are two cavities filled with a low compressible insulating liquid. A membrane and a semiconductor sensing element are fixed between the cavities in the housing, the terminals of which are electrically connected to electrical pressure glands fixed in the housing. On the outer surface of the casing two profiled membranes are fixed hermetically with a gap from the casing, each of which is communicated through an opening with a corresponding cavity [1]
In the known sensor, the membrane, fixed between the cavities in the housing, moves with increasing pressure drop, thereby preventing the pressure drop from exceeding the allowable level and thus preventing the destruction of the sensing element.

Однако известный датчик разности давления имеет повышенную погрешность измерения, так как при измерении все три мембраны участвуют в работе. Все несовершенства упругих характеристик мембран при перемещении их во всем диапазоне измерения перепада давления суммируются. Кроме того, уменьшается чувствительность датчика, так как жесткостные характеристики всех мембран также складываются. However, the known pressure difference sensor has an increased measurement error, since when measuring all three membranes are involved in the work. All imperfections in the elastic characteristics of the membranes are summed up when moving them over the entire range of pressure differential measurements. In addition, the sensitivity of the sensor decreases, since the stiffness characteristics of all membranes also add up.

Частично эти недостатки устранены в датчике разности давлений [2]
Этот датчик является наиболее близким к предложенному и содержит корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Между полостями в корпусе закреплен полупроводниковый чувствительный элемент. На внешней поверхности корпуса закреплены герметично с зазором от корпуса две профилированные воспринимающие давление мембраны, каждая из которых сообщена через отверстие с соответствующей полостью. Между полостями в корпусе герметично закреплен также сильфон. При этом между подвижной крышкой сильфона и корпусом в одной из полостей размещена пружина сжатия.Partially these disadvantages are eliminated in the differential pressure sensor [2]
This sensor is the closest to the proposed one and contains a housing in which two cavities are made, filled with a low compressible insulating liquid. A semiconductor sensing element is fixed between the cavities in the housing. On the outer surface of the housing, two profiled pressure-sensitive membranes are fixed hermetically with a gap from the housing, each of which is communicated through an opening with a corresponding cavity. A bellows is also sealed between the cavities in the housing. In this case, between the movable bellows cover and the housing in one of the cavities there is a compression spring.

Однако такая конструкция датчика не решает полностью задачу увеличения точности измерения. However, such a sensor design does not completely solve the problem of increasing the measurement accuracy.

Это обусловлено следующим. This is due to the following.

Из-за необходимости перемещения подвижной крышки сильфона в противоположных направлениях (перегрузочные давления могут действовать как с одной, так и с другой стороны сильфона) между гофрами сильфона принципиально должны быть зазоры. Due to the need to move the movable bellows cover in opposite directions (overload pressures can act on either one or the other side of the bellows), there should essentially be gaps between the bellows corrugations.

При измерении давления, хотя подвижная крышка (дно) сильфона и не перемещается, гофры или отдельные элементы гофров сильфона деформируются измеряемым давлением, при этом происходит изменение объемов жидкости в полостях датчика, что приводит к изменению положений мембран, воспринимающих давление и имеющих несовершенные упругие характеристики и, как следствие, к изменению перепада давлений на чувствительном элементе в исходном состоянии и изменению выходного сигнала датчика, т.е. к увеличению погрешности. When measuring pressure, although the movable cover (bottom) of the bellows does not move, the corrugations or individual elements of the corrugations of the bellows are deformed by the measured pressure, while there is a change in the volume of fluid in the cavities of the sensor, which leads to a change in the position of the membranes that receive pressure and have imperfect elastic characteristics and as a consequence, to a change in the pressure drop across the sensor in the initial state and to a change in the output signal of the sensor, i.e. to increase the error.

Кроме того при воздействии высоких перегрузочных давлений происходит обжатие сильфона, т. е. изменение его геометрических размеров и эффективной площади, при этом гофры или отдельные элементы гофров сильфона деформируются (при этом возможны остаточные деформации) и, как следствие, происходит изменение объемов полостей. Изменение объемов полостей приводит к изменению положений мембран, воспринимающих давление, что приводит к изменению перепада давлений на чувствительном элементе в исходном состоянии и изменению нулевого выходного сигнала (изменение "0") т.е. к увеличению погрешности. In addition, under the influence of high overload pressures, the bellows are compressed, i.e., their geometrical dimensions and effective area are changed, while the corrugations or individual elements of the bellows corrugations are deformed (residual deformations are possible) and, as a result, the volume of the cavities changes. The change in the volume of the cavities leads to a change in the positions of the membranes that receive pressure, which leads to a change in the pressure drop across the sensing element in the initial state and to a change in the zero output signal (change "0") ie to increase the error.

Снизить эти погрешности можно упрочнением сильфона, т.е. увеличением его жесткости. В этом случае для перемещения подвижной крышки сильфона повышенной жесткости необходимо значительное давление, которое однако может стать перегрузочным для чувствительного элемента (ЧЭ). Поэтому сильфон повышенной жесткости нельзя устанавливать в датчик, измеряющий малые перепады давления, ЧЭ которого плохо держит перегрузочные давления. Таким образом, задача повышения точности измерения разности давлений в условиях воздействия высоких перегрузочных давлений остается актуальной. These errors can be reduced by strengthening the bellows, i.e. increase in its rigidity. In this case, to move the movable bellows cover of increased rigidity, significant pressure is necessary, which however can become overloading for the sensitive element (SE). Therefore, a bellows of increased rigidity cannot be installed in a sensor measuring small pressure drops, whose SE does not hold overload pressures well. Thus, the task of increasing the accuracy of measuring the pressure difference under the influence of high overload pressures remains relevant.

Предлагаемое изобретение направлено на решение указанной задачи. The present invention is directed to solving this problem.

Для этого в датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости первая и вторая, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление профилированной мембраной, расположенной с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично закреплены полупроводниковый чуствительный элемент с тензорезисторами и первый сильфон, причем между подвижной крышкой сильфона и корпусом во второй полости размещена первая пружина сжатия, введены вторая дополнительная пружина сжатия и второй дополнительный сильфон, который герметично закреплен между полостями корпуса, а дополнительная пружина сжатия размещена между подвижной крышкой дополнительно сильфона и корпусом в первой его полости, при этом гофры сильфонов сжаты до упора. For this purpose, a pressure difference sensor containing a housing in which two cavities are made, the first and second, filled with a low compressible insulating fluid, each cavity is sealed with a pressure-sensitive profiled membrane located with a gap relative to the housing, and a semiconductor sensitive element is sealed between the cavities in the housing with strain gauges and the first bellows, and between the movable bellows cover and the housing in the second cavity is placed the first compression spring, introducing us second additional compression spring and a second additional bellows which is sealed between body cavities, and the additional compression spring is arranged between the movable lid and the housing further bellows in its first cavity, the corrugations of the bellows are compressed until it stops.

Именно последнее обстоятельство позволяет свести до минимума изменение геометрических размеров и эффективной площади сильфона при воздействии как измерительного, так и перегрузочных давлений и таким образом избежать смещений "0" датчика и практически исключить влияние мембран на точность измерения. It is the latter circumstance that allows minimizing the change in the geometric dimensions and effective area of the bellows under the influence of both measuring and overload pressures and thus avoiding displacements of the sensor "0" and practically eliminating the influence of membranes on the measurement accuracy.

На чертеже изображен предложенный датчик. The drawing shows the proposed sensor.

Датчик разности давлений содержит мембраны 1, 2, воспринимающие давление, полости корпуса 3, 4, полупроводниковый чувствительный элемент 5 с тензорезисторами, проводники 6, гермовыводы 7, сильфон 8, пружину сжатия 9, корпус 10, дополнительный сильфон 11, дополнительную пружину сжатия 12. The differential pressure sensor contains membranes 1, 2, pressure receptors, body cavities 3, 4, a semiconductor sensing element 5 with strain gauges, conductors 6, pressure leads 7, bellows 8, compression spring 9, housing 10, additional bellows 11, additional compression spring 12.

Датчик разности давлений работает следующим образом. The differential pressure sensor operates as follows.

При подаче давления P₁ на мембрану 1 и давления P₂ на мембрану 2 из-за разности (P₁-P₂) мембрана 1 вызывает давление жидкости в полости 3 корпуса 10. Тензорезисторы полупроводникового чувствительного элемента 5 деформируются и вырабатывается выходной электрический сигнал, который через монтажные проводники 6 и гермовыводы 7 выводится на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).When applying pressure P ₁ to the membrane 1 and pressure P ₂ to the membrane 2 due to the difference (P ₁ -P ₂ ), the membrane 1 causes fluid pressure in the cavity 3 of the housing 10. The strain gages of the semiconductor sensor 5 are deformed and an electrical output signal is generated, which through the mounting conductors 6 and the pressure leads 7 is output to the secondary Converter (not shown).

Поскольку в процессе измерения гофры сильфона 8, подпружиненные пружиной 9, сжаты до упора, изменение геометрических размеров сильфона не происходит, эффективная площадь его остается постоянной и значит постоянным остается объем полостей 3 и 4, что увеличивает точность измерения (любое изменение объемов полостей 3 и 4 в процессе измерения приводит к изменению положения мембран 1, 2, воспринимающих давление, и потере точности измерения на полупроводниковом чувствительном элементе). Since in the process of measuring the bellows corrugations 8, spring-loaded with a spring 9, are compressed all the way, the geometrical dimensions of the bellows do not change, its effective area remains constant and therefore the volume of cavities 3 and 4 remains constant, which increases the measurement accuracy (any change in the volumes of cavities 3 and 4 in the process of measurement leads to a change in the position of the membranes 1, 2, perceiving pressure, and loss of measurement accuracy on the semiconductor sensitive element).

В то же время при воздействии перегрузочного давления, например, со стороны P₁ сильфон 7 начинает разжиматься и давление в объеме падает (предохраняется полупроводниковый чувствительный элемент от разрушения), а затем мембрана 1 ложится на профилированную поверхность корпуса и рост давления в объеме прекращается. Аналогичная картина происходит при воздействии перегрузочного давления со стороны P₂, где в работу вступает дополнительный сильфон 11 и дополнительная пружина 12.At the same time, under the influence of overload pressure, for example, from the side of P _{1, the} bellows 7 begins to expand and the pressure in the volume drops (the semiconductor sensitive element is protected from destruction), and then the membrane 1 rests on the profiled surface of the body and the pressure in the volume stops growing. A similar pattern occurs under the influence of overload pressure from the side of P ₂ , where an additional bellows 11 and an additional spring 12 come into operation.

В связи с тем, что гофры сильфонов в обеих полостях сжаты до упора, то при воздействии перегрузочных давлений изменение геометрических размеров и эффективной площади сильфона в соответствующей полости (где возникло перегрузочное давление) минимально, а значит минимально изменение объемов полостей. Due to the fact that the bellows corrugations in both cavities are compressed to the stop, then under the influence of overload pressures, the change in the geometric dimensions and effective area of the bellows in the corresponding cavity (where the overload pressure has arisen) is minimal, which means a minimum change in the volume of the cavities.

При этом в связи с тем, что пружины предварительно сжаты (чтобы сжать гофры сильфонов), диапазон измерительного давления лежит в области, когда усилие, развиваемое сильфоном от этого давления, недостаточно, чтобы преодолеть усилие пружин. Это обуславливает неподвижность системы "сильфон - пружина" в области измерения и отсутствия ее влияния на точность измерения разности давлений. Moreover, due to the fact that the springs are pre-compressed (to compress the bellows corrugations), the measuring pressure range lies in the region where the force developed by the bellows from this pressure is not enough to overcome the force of the springs. This leads to the immobility of the "bellows - spring" system in the measurement area and the absence of its influence on the accuracy of measuring the pressure difference.

Claims

A pressure difference sensor comprising a housing in which two cavities are made, the first and second, filled with a low compressible insulating fluid, each cavity being sealed with a pressure-sensitive profiled membrane located with a gap relative to the housing, and a semiconductor sensing element with strain gages and hermetic seals between the cavities the first bellows, and between the movable cover of the first bellows and the housing in the second cavity is placed the first compression spring, different schiysya in that it entered the second additional compression spring and a second additional bellows which is sealed between body cavities, and the additional compression spring is arranged between the movable lid additional bellows and the housing in its first cavity, the corrugations of the bellows are compressed until it stops.