RU220891U1

RU220891U1 - High Temperature Strain Resistive Smart Pressure Transmitter

Info

Publication number: RU220891U1
Application number: RU2023110112U
Authority: RU
Inventors: Елена Михайловна Балашова; Илья Игоревич Мельников
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Микротензор" (Ооо "Микротензор")
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2023-10-09

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения и контроля давления газовых и жидких сред в различных областях техники. Высокотемпературный тензорезистивный интеллектуальный преобразователь давления, содержащий корпус с крышкой и размещенным на ней разъемом, выполненным в виде цилиндрического электрического соединителя с винтовым креплением к крышке корпуса преобразователя и гаечным креплением выходного электрического кабеля электропитания и связи, встроенную в корпус мембрану с тензорезисторами, причем корпус дополнен штуцером с каналом подвода давления, имеющим ступенчатую наружную поверхность, верхняя ступень наружной поверхности цилиндрическая и имеет резьбу, а нижняя ступень наружной поверхности коническая, мембрана выполнена двухслойной, причем нижний слой мембраны является частью штуцера и изготовлен из титана, а верхний слой мембраны изготовлен из сапфира с нанесенными на него полупроводниковыми тензорезисторами, изготовленными из монокристаллического кремния, в корпусе преобразователя над верхним слоем мембраны размещена на подложке плата с тонкопленочным платиновым терморезистором, выполняющим функцию аппаратной компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал, а выводы тензорезисторов и тонкопленочного платинового терморезистора сваркой присоединены к контактной площадке, являющейся частью разъема, выполненного с возможностью соединения терморезистора и тензорезисторов при помощи кабеля с электронной платой, вынесенной за пределы корпуса преобразователя в отдельный электронный модуль, помещенный в корпус с соединителем для подключения кабеля, содержащего выводы тензорезисторов и терморезистора. Технический результат заключается в компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал. The utility model relates to measuring technology and can be used to measure and control the pressure of gas and liquid media in various fields of technology. High-temperature strain-resistive intelligent pressure transducer, containing a housing with a cover and a connector placed on it, made in the form of a cylindrical electrical connector with a screw fastening to the cover of the converter housing and a nut fastening of the output electrical cable for power supply and communication, a membrane with strain gauges built into the housing, and the housing is supplemented with a fitting with a pressure supply channel having a stepped outer surface, the upper step of the outer surface is cylindrical and has a thread, and the lower step of the outer surface is conical, the membrane is made of two layers, and the lower layer of the membrane is part of the fitting and is made of titanium, and the upper layer of the membrane is made of sapphire with semiconductor strain gauges made of monocrystalline silicon are applied to it; in the converter housing, above the upper layer of the membrane, a board with a thin-film platinum thermistor is placed on the substrate, which performs the function of hardware compensation for the temperature error in converting pressure into an electrical signal, and the leads of the strain gauges and the thin-film platinum thermistor are welded to the contact a platform that is part of a connector configured to connect the thermistor and strain gauges using a cable with an electronic board placed outside the converter housing into a separate electronic module placed in a housing with a connector for connecting a cable containing the leads of the strain gauges and the thermistor. The technical result consists in compensating for the temperature error in converting pressure into an electrical signal.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения и контроля давления газовых и жидких сред в различных областях техники.The utility model relates to measuring technology and can be used to measure and control the pressure of gas and liquid media in various fields of technology.

Известен тензорезистивный преобразователь давления, содержащий корпус с крышкой и размещенным на ней разъемом для подключения электрического кабеля электропитания и связи, встроенную в корпус мембрану с тензорезисторами, электронную плату для обработки сигнала, корпус дополнен штуцером с каналом подвода давления, имеющим ступенчатую наружную поверхность, причем верхняя ступень наружной поверхности цилиндрическая и имеет резьбу, а нижняя ступень наружной поверхности коническая, мембрана выполнена двухслойной, причем нижний слой мембраны является частью штуцера и изготовлен из титана, а верхний слой мембраны изготовлен из сапфира с нанесенными на него полупроводниковыми тензорезисторами, изготовленными из монокристаллического кремния, электронная плата представляет собой печатный блок измерительной цепи преобразователя, собранный на печатной плате и расположенный внутри корпуса между мембраной и крышкой, а выводы электронной платы подключены к разъему, выполненному в виде цилиндрического электрического соединителя с винтовым креплением к крышке корпуса преобразователя и гаечным креплением выходного электрического кабеля (см. патент РФ №212293, МПК G01L 9/04, опубл. 2022).A strain gauge pressure transducer is known, containing a housing with a cover and a connector placed on it for connecting an electrical cable for power supply and communication, a membrane with strain gauges built into the housing, an electronic board for signal processing, the housing is supplemented with a fitting with a pressure supply channel having a stepped outer surface, with the top the outer surface step is cylindrical and has a thread, and the lower outer surface step is conical, the membrane is made of two layers, and the lower layer of the membrane is part of the fitting and is made of titanium, and the upper layer of the membrane is made of sapphire with semiconductor strain gauges made of monocrystalline silicon applied to it, The electronic board is a printed block of the measuring circuit of the converter, assembled on a printed circuit board and located inside the housing between the membrane and the cover, and the terminals of the electronic board are connected to a connector made in the form of a cylindrical electrical connector with a screw fastening to the cover of the converter housing and a nut fastening of the output electrical cable (cm. RF patent No. 212293, IPC G01L 9/04, publ. 2022).

Основными недостатками данной конструкции является высокая вероятность влияния температуры жидких и газовых сред на точность преобразования давления в электрический сигнал и отсутствие аппаратных средств компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал.The main disadvantages of this design are the high probability of influence of the temperature of liquid and gas media on the accuracy of converting pressure into an electrical signal and the lack of hardware to compensate for the temperature error in converting pressure into an electrical signal.

Технической задачей является повышение степени защиты электронных компонентов от деструктивного воздействия температуры жидких и газовых сред, верхний предел которой может достигать 350°С, а также введение в структуру преобразователя аппаратных средств компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал.The technical challenge is to increase the degree of protection of electronic components from the destructive effects of the temperature of liquid and gaseous media, the upper limit of which can reach 350°C, as well as to introduce hardware into the structure of the converter to compensate for the temperature error in converting pressure into an electrical signal.

Техническая задача достигается тем, что высокотемпературный тензорезистивный интеллектуальный преобразователь давления, содержащий корпус с крышкой и размещенным на ней разъемом, выполненным в виде цилиндрического электрического соединителя с винтовым креплением к крышке корпуса преобразователя и гаечным креплением выходного электрического кабеля электропитания и связи, встроенную в корпус мембрану с тензорезисторами, причем корпус дополнен штуцером с каналом подвода давления, имеющим ступенчатую наружную поверхность, верхняя ступень наружной поверхности цилиндрическая и имеет резьбу, а нижняя ступень наружной поверхности коническая, мембрана выполнена двухслойной, причем нижний слой мембраны является частью штуцера и изготовлен из титана, а верхний слой мембраны изготовлен из сапфира с нанесенными на него полупроводниковыми тензорезисторами, изготовленными из монокристаллического кремния, в корпусе преобразователя над верхним слоем мембраны размещена на подложке плата с тонкопленочным платиновым терморезистором, выполняющим функцию аппаратной компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал, а выводы тензорезисторов и тонкопленочного платинового терморезистора сваркой присоединены к контактной площадке, являющейся частью разъема, выполненного с возможностью соединения терморезистора и тензорезисторов при помощи кабеля с электронной платой, вынесенной за пределы корпуса преобразователя в отдельный электронный модуль, помещенный в корпус с соединителем для подключения кабеля, содержащего выводы тензорезисторов и терморезистора.The technical problem is achieved by the fact that a high-temperature strain-resistive intelligent pressure transducer containing a housing with a cover and a connector placed on it, made in the form of a cylindrical electrical connector with a screw fastening to the cover of the converter housing and a nut fastening of the output electrical cable for power supply and communication, a membrane built into the housing with strain gauges, and the body is supplemented with a fitting with a pressure supply channel having a stepped outer surface, the upper step of the outer surface is cylindrical and has a thread, and the lower step of the outer surface is conical, the membrane is made of two layers, and the lower layer of the membrane is part of the fitting and is made of titanium, and the upper the membrane layer is made of sapphire with semiconductor strain gauges made of monocrystalline silicon applied to it; in the converter housing above the top layer of the membrane there is a board with a thin-film platinum thermistor placed on the substrate, which performs the function of hardware compensation for the temperature error of converting pressure into an electrical signal, and the leads of the strain gauges and thin-film platinum thermistor are welded to the contact pad, which is part of the connector, made with the ability to connect the thermistor and strain gauges using a cable with an electronic board placed outside the converter housing in a separate electronic module placed in a housing with a connector for connecting the cable containing the leads of the strain gauges and the thermistor .

Технический результат заключается в компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал.The technical result consists in compensating for the temperature error in converting pressure into an electrical signal.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен интеллектуальный преобразователь давления.The essence of the utility model is illustrated by a drawing that shows an intelligent pressure transducer.

Высокотемпературный тензорезистивный интеллектуальный преобразователь давления содержит корпус 1 с крышкой 2, соединенной с ним через уплотнение 3 и присоединительное утолщение 4, расположенный на крышке 2 разъем 5, выполненный в виде цилиндра и представляющий собой электрический соединитель с винтовым креплением к крышке 2 корпуса 1 и гаечным креплением 6 для размещения выходного электрического кабеля 7, что повышает уровень унификации выходного электрического интерфейса преобразователя. В корпус 1 встроена мембрана, состоящая из верхнего слоя 8, изготовленного из сапфира и нанесенных на него полупроводниковых тензорезисторов, изготовленных из монокристаллического кремния, и нижнего слоя 9, являющегося частью штуцера и изготовленного из титана. В корпусе 1 над верхним слоем 8 мембраны размещена на подложке 10 плата 11 с тонкопленочным платиновым терморезистором (на рисунке не показан) для аппаратной компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал. Корпус 1 имеет в своей верхней части штуцер 12 с каналом 13 для подвода давления, соединенный с корпусом 1 гайкой 14, причем штуцер 12 имеет ступенчатую наружную поверхность, верхняя ступень которой выполнена цилиндрической и имеет резьбу, а нижняя ступень выполнена конической, что обеспечивает более высокую прочность закрепления преобразователя в корпусе объекта измерения и контроля давления. Нижний слой 9 мембраны является частью штуцера 12 и изготовлен из титана, а верхний слой 8 мембраны изготовлен из сапфира с нанесенными на него полупроводниковыми тензорезисторами (на чертеже не показаны), изготовленными из монокристаллического кремния, что повышает безотказность работы преобразователя при измерении и контроле давления коррозионно-активных газовых и жидких сред. Выводы 15 полупроводниковых тензорезисторов и тонкопленочного платинового терморезистора сваркой присоединены к контактной площадке 16, являющейся частью разъема 5, соединяющего тензорезисторы через кабель 7 с электронной платой (на рисунке не показана), вынесенной за пределы преобразователя в размещенный в корпусе 17 отдельный электронный модуль 18, выполняющий функции преобразования цифрового электрического сигнала в измерительную информацию, компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал и беспроводной передачи измерительной информации, представляющий собой печатную плату с размещенными на ней электронным блоком преобразования избыточного давления в цифровой электрический сигнал, электронным блоком преобразования цифрового электрического сигнала в измерительную информацию и компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал, электронным блоком беспроводной передачи измерительной информации. Для подсоединения кабеля 7 к корпусу 17 предназначен электрический соединитель 19.A high-temperature strain-resistive intelligent pressure transducer contains a housing 1 with a cover 2 connected to it through a seal 3 and a connecting thickening 4, a connector 5 located on the cover 2, made in the form of a cylinder and representing an electrical connector with a screw fastening to the cover 2 of the housing 1 and a nut fastening 6 to accommodate the output electrical cable 7, which increases the level of unification of the output electrical interface of the converter. A membrane is built into the housing 1, consisting of an upper layer 8 made of sapphire and semiconductor strain gauges made of monocrystalline silicon applied to it, and a lower layer 9, which is part of the fitting and made of titanium. In housing 1, above the top layer 8 of the membrane, a board 11 with a thin-film platinum thermistor (not shown in the figure) is placed on the substrate 10 for hardware compensation of the temperature error in converting pressure into an electrical signal. The housing 1 has in its upper part a fitting 12 with a channel 13 for supplying pressure, connected to the housing 1 with a nut 14, and the fitting 12 has a stepped outer surface, the upper step of which is made cylindrical and has a thread, and the lower step is made conical, which provides a higher strength of fastening of the transducer in the body of the object for measuring and monitoring pressure. The bottom layer 9 of the membrane is part of the fitting 12 and is made of titanium, and the top layer 8 of the membrane is made of sapphire with semiconductor strain gauges (not shown in the drawing) made of monocrystalline silicon applied to it, which increases the reliability of the converter when measuring and monitoring pressure corrosively - active gas and liquid media. The terminals 15 of the semiconductor strain gauges and the thin-film platinum thermistor are welded to the contact pad 16, which is part of the connector 5 connecting the strain gauges via cable 7 with an electronic board (not shown in the figure), taken outside the converter into a separate electronic module 18 located in the housing 17, which performs functions of converting a digital electrical signal into measuring information, compensating for the temperature error of converting pressure into an electrical signal and wirelessly transmitting measuring information, which is a printed circuit board with an electronic unit for converting excess pressure into a digital electrical signal, an electronic unit for converting a digital electrical signal into measuring information placed on it and compensation for the temperature error in converting pressure into an electrical signal by an electronic unit for wireless transmission of measuring information. An electrical connector 19 is used to connect the cable 7 to the housing 17.

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

При подаче давления рабочей среды через штуцер 12 с каналом 13 подвода давления и нижним слоем 9 мембраны происходит деформация изготовленного из титана нижнего слоя 9 мембраны, деформация изготовленного из сапфира верхнего слоя 8 мембраны. Вследствие деформации электрическое сопротивление полупроводниковых тензорезисторов слоя 8 изменяется пропорционально изменению давления рабочей среды. Тонкопленочный платиновый терморезистор, установленный на плате 11, размещенной на подложке 10, не подвергается воздействию давления, но подвергается воздействию температуры среды, поэтому формирует электрический сигнал, необходимый для аппаратной компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал. Отдельный электронный модуль 18 выполняет функции преобразования цифрового электрического сигнала в измерительную информацию, компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал и беспроводной передачи измерительной информации, что расширяет его функциональные возможности в направлении интеллектуализации преобразователя, вводит в структуру преобразователя аппаратные средства компенсации температурной погрешности преобразования давления в электрический сигнал, а также за счет размещения цепи преобразования измерительной информации в отдельном электронном модуле 18 снижает степень влияния высоких температур объекта измерения на работоспособность электронных компонентов, при этом все электронные компоненты интеллектуального преобразователя давления вынесены за пределы корпуса 1, контактирующего с объектом измерения, который может иметь высокую температуру, что существенно снижает риск деструктивного воздействия повышенной температуры, верхний предел которой может достигать 350°С, на электронные компоненты преобразователя давления.When the pressure of the working medium is supplied through the fitting 12 with the pressure supply channel 13 and the lower layer 9 of the membrane, the lower layer 9 of the membrane made of titanium is deformed, and the upper layer 8 of the membrane made of sapphire is deformed. Due to deformation, the electrical resistance of the semiconductor strain gauges of layer 8 changes in proportion to the change in pressure of the working medium. A thin-film platinum thermistor installed on the board 11 placed on the substrate 10 is not exposed to pressure, but is exposed to the temperature of the environment, and therefore generates an electrical signal necessary for hardware compensation for the temperature error in converting pressure into an electrical signal. A separate electronic module 18 performs the functions of converting a digital electrical signal into measurement information, compensating for the temperature error in converting pressure into an electrical signal and wirelessly transmitting measurement information, which expands its functionality in the direction of intellectualizing the converter, introduces into the structure of the converter hardware compensation for the temperature error in converting pressure into electrical signal, and also by placing the measurement information conversion circuit in a separate electronic module 18, reduces the degree of influence of high temperatures of the measurement object on the performance of electronic components, while all electronic components of the intelligent pressure transducer are placed outside the housing 1, in contact with the measurement object, which can have a high temperature, which significantly reduces the risk of destructive effects of elevated temperature, the upper limit of which can reach 350°C, on the electronic components of the pressure transducer.

Claims

High-temperature strain-resistive intelligent pressure transducer, containing a housing with a cover and a connector placed on it, made in the form of a cylindrical electrical connector with a screw fastening to the cover of the converter housing and a nut fastening of the output electrical cable for power supply and communication, a membrane with strain gauges built into the housing, and the housing is supplemented with a fitting with a pressure supply channel having a stepped outer surface, the upper step of the outer surface is cylindrical and has a thread, and the lower step of the outer surface is conical, the membrane is made of two layers, and the lower layer of the membrane is part of the fitting and is made of titanium, and the upper layer of the membrane is made of sapphire with semiconductor strain gauges made of monocrystalline silicon applied to it, characterized in that in the converter housing above the top layer of the membrane a board with a thin-film platinum thermistor is placed on the substrate, which performs the function of hardware compensation for the temperature error in converting pressure into an electrical signal, and the leads of the strain gauges and a thin-film platinum thermistor welded to the contact pad, which is part of the connector, designed to connect the thermistor and strain gauges using a cable with an electronic board placed outside the converter housing in a separate electronic module placed in a housing with a connector for connecting a cable containing the leads of the strain gauges and the thermistor.