RU2235981C1

RU2235981C1 - Strain-gauge pressure transducer

Info

Publication number: RU2235981C1
Application number: RU2003122170/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Тихоненков (RU); В.А. Тихоненков; А.А. Новиков (RU); А.А. Новиков; Л.Л. Эйстрих (RU); Л.Л. Эйстрих
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2004-09-10
Also published as: RU2003122170A

Abstract

FIELD: testing and measurement technology; measurement of low pressures at varying temperatures.

SUBSTANCE: proposed pressure sensor has body with pressure-sensing flexible membrane mounted inside it and separated from it by heat-insulating partition; flexible sensing element with resistance strain-gauges is made in form of beam rigidly grounded on both sides and loaded with tensile-compressive force applied at off-center position relative to cross section of beam and transmitted through rod from pressure-sensing membrane through elastic center of beam. Rated thickness and width of beam of elastic member and its elastic center are determined depending on required sensitivity of strain-gauge transducer to pressure being measured due to respective mechanical treatment of solid bar of structural material. Displacement of elastic center of pressure-sensing elastic membrane to elastic center of elastic member is effected due to rod whose axis of symmetry is parallel to longitudinal axis of elastic member beam.

EFFECT: enhanced sensitivity at varying temperatures.

4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике давления и может быть использовано в датчиках для измерения низких давлений при работе в условиях воздействия нестационарных температур.The invention relates to a control and measuring technique of pressure and can be used in sensors for measuring low pressures when working in conditions of exposure to non-stationary temperatures.

Известен датчик давления, включающий воспринимающую давление гибкую мембрану, жесткий центр которой через шток соединен с жестким центром упругого элемента, выполненного из листового проката толщиной от 0,05 мм и более и представляющего собой жестко защемленную с двух сторон балку с закрепленными на ней тензорезисторами (авт. св. СССР № 1221512, кл. G 01 L 9/04, 1986). Расчетная схема упругого элемента с соответствующей эпюрой деформаций представлена на фиг.1.A pressure sensor is known, including a pressure-sensitive flexible membrane, the rigid center of which is connected through the rod to the rigid center of an elastic element made of sheet metal with a thickness of 0.05 mm or more and which is a beam rigidly clamped on both sides with strain gauges fixed to it (automatic St. USSR No. 1221512, class G 01 L 9/04, 1986). The design diagram of the elastic element with the corresponding diagram of deformations is presented in figure 1.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного датчика давления, относится то, что тепловые потоки при нестационарных тепловых режимах работы датчика распространяются от корпуса через массивную заделку на балку и от воспринимающей давление гибкой мембраны через шток на жесткий центр балки, то в силу симметрии установки тензорезисторов на балке они попарно R1, R4, а также R2, R3 будут находиться в одинаковых тепловых полях и полях температурных деформаций, но отличных между этими парами. А так как эти пары тензорезисторов включены в противолежащие плечи мостовой схемы, то температурное влияние и влияние температурных деформаций на тензорезисторы мостовой схемой будут увеличены в 4 раза и температурные погрешности датчика при работе в нестационарных тепловых режимах достигают недопустимо больших значений.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known pressure sensor include the fact that heat flows during non-stationary thermal operating conditions of the sensor propagate from the housing through a massive seal onto the beam and from the pressure-sensitive flexible membrane through the rod to the rigid center of the beam, then due to the symmetry of the installation of strain gages on the beam, they will be in pairs R1, R4, as well as R2, R3 in the same thermal fields and fields of thermal deformations, but different between these arams. And since these pairs of strain gages are included in the opposite shoulders of the bridge circuit, the temperature and the influence of temperature deformations on the strain gauges by the bridge circuit will be increased by 4 times and the temperature errors of the sensor when operating in unsteady thermal conditions reach unacceptably large values.

Экспериментальное исследование подобных конструкций при термоударе в 200°С (рабочая среда - жидкий азот) показали, что только аддитивная температурная погрешность при этом достигает 100% и более во всем температурном диапазоне и свидетельствуют о непригодности эксплуатации подобных конструкций датчиков при работе в нестационарных тепловых режимах.An experimental study of such structures with thermal shock at 200 ° C (the working medium is liquid nitrogen) showed that only the additive temperature error in this case reaches 100% or more in the entire temperature range and indicate the unsuitability of operation of such sensor designs when operating in unsteady thermal conditions.

Наиболее близким датчиком того же назначения к заявленному датчику давления по совокупности признаков является принятый за прототип датчик давления (авт. св. СССР № 1422031, кл. G 01 L 9/04), предназначенный для измерения давлений при работе в условиях действия нестационарных температур.The closest sensor of the same purpose to the claimed pressure sensor according to the totality of features is the pressure sensor adopted for the prototype (ed. St. USSR No. 1422031, class G 01 L 9/04), designed to measure pressures when operating under unsteady temperatures.

Расчетная схема упругого элемента с соответствующей эпюрой деформации представлена на фиг.2.The design diagram of the elastic element with the corresponding deformation diagram is presented in figure 2.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного датчика давления, принятого за прототип, относится то, что расположение передающего усилие штока эксцентрично относительно воспринимающей давление гибкой мембраны и использование в качестве рабочего передаваемого усилия усилия, развиваемого при прогибе воспринимающей гибкой мембраной за счет отклонения штока от оси, приводит к значительным потерям чувствительности датчика.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known pressure sensor adopted as a prototype, the location of the transmitting force of the rod is eccentric relative to the pressure-sensitive flexible membrane and the use of the force developed during deflection by the receptive flexible membrane due to deviation of the rod from the axis, leads to significant loss of sensitivity of the sensor.

Это объясняется тем, что, во-первых, жесткость воспринимающей гибкой мембраны должна быть такова, чтобы усилие, необходимое для создания требуемого изгибающего момента на упругой балке, не изменяло стрелу (форму) прогиба самой гибкой мембраны.This is because, firstly, the rigidity of the receptive flexible membrane must be such that the force required to create the required bending moment on the elastic beam does not change the arrow (shape) of the deflection of the flexible membrane itself.

Это требование достигается только при значительных толщинах самой гибкой мембраны, и влечет за собой увеличение жесткости гибкой мембраны и, следовательно, резко понижает чувствительность датчика. Во-вторых, в качестве рабочего усилия используется незначительная часть энергии, развиваемой измеряемым давлением, так как основная составляющая ее до 80% и более расходуется на прогиб жесткой мембраны и не участвует в процессе измерения, что также снижает чувствительность датчика. Поэтому данная конструкция может быть использована в датчиках средних и высоких давлений (от 10⁶ Па и выше). При использовании этого способа приложения усилия на жесткий центр балки воздействует изгибающий момент и тензорезисторы, установленные на ней, получают разного вида деформации:This requirement is achieved only with significant thicknesses of the flexible membrane itself, and entails an increase in the rigidity of the flexible membrane and, therefore, sharply reduces the sensitivity of the sensor. Secondly, a small part of the energy developed by the measured pressure is used as the working force, since its main component, up to 80% or more, is spent on the deflection of the rigid membrane and is not involved in the measurement process, which also reduces the sensitivity of the sensor. Therefore, this design can be used in medium and high pressure sensors (from 10 ⁶ Pa and above). When using this method of applying force, the bending moment acts on the rigid center of the beam and the strain gauges installed on it receive different types of deformations:

R₁ и R₃ - растяжение;R ₁ and R ₃ are tensile;

R₂ и R₄ - сжатие.R ₂ and R ₄ are compression.

Тогда, при соединении в мостовую цепь тензорезисторов попарно в противолежащие плечи с одинаковым знаком деформаций, на выходе измерительной цепи появляется выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. А так как тензорезисторы R₁ и R₄, а также R₂ и R₃ находятся в одинаковых температурных условиях, то их температурные изменения будут мостовой схемой компенсироваться (вычитанием). В этом случае при идеально идентичных физических характеристиках тензорезисторов влияние термоудара на выходной сигнал датчика будет исключено полностью. Однако наличие технологических разбросов при изготовлении и установке тензорезисторов (номинал, температурный коэффициент сопротивления, коэффициенты тензочувствительности и его температурный коэффициент чувствительности) не позволяют полностью исключить данные погрешности.Then, when the strain gauges are connected to the bridge circuit in pairs to opposite shoulders with the same sign of deformations, an output signal appears in the output of the measuring circuit proportional to the measured pressure. And since the strain gages R ₁ and R ₄ , as well as R ₂ and R ₃ are in the same temperature conditions, their temperature changes will be compensated by the bridge circuit (subtraction). In this case, with perfectly identical physical characteristics of the strain gages, the influence of thermal shock on the output signal of the sensor will be completely excluded. However, the presence of technological variations in the manufacture and installation of strain gages (nominal, temperature coefficient of resistance, coefficient of strain sensitivity and its temperature coefficient of sensitivity) does not allow to completely exclude these errors.

Экспериментальные исследования датчика по а.с. №1422031 при термоударе в 200°С показали, что аддитивная погрешность во всем температурном диапазоне не превышает 6%-8%, что позволяет его использовать при работе в нестационарных температурных режимах эксплуатации.Experimental studies of the sensor by AS No. 1422031 with thermal shock at 200 ° C showed that the additive error in the entire temperature range does not exceed 6% -8%, which allows it to be used when working in non-stationary temperature operating conditions.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности работоспособного в нестационарных температурных режимах датчика давления за счет изменения способа передачи перемещения воспринимающей давление гибкой мембраны на его чувствительный упругий элемент, конструкция которого имеет специальное исполнение.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of a pressure sensor that is operable in non-stationary temperature conditions by changing the method of transmitting the movement of a pressure-sensitive flexible membrane to its sensitive elastic element, the design of which has a special design.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном тензорезисторном датчике давления, включающем воспринимающую давление гибкую мембрану и корпус с установленными в нем теплоизоляционной перегородкой, а также упругим элементом с тензорезисторами, выполненным в виде балки, защемленной с двух сторон и нагруженной силой, передаваемой через шток, от воспринимающей давление мембраны, особенность датчика давления заключается в том, что жесткий центр балки нагружается растягивающе-сжимающей силой, приложенной внецентренно по отношению к поперечному сечению балки, для чего балка выполнена из цельного конструкционного материала путем формирования двух отверстий, оси которых параллельны и смещены к одной стороне бруска, образующих с ней жестко защемленную с двух сторон балку с расчетной толщиной и жестким центром, выполненным в виде перемычки между отверстиями, причем перемычка с противоположной стороны от балки отделена от несущего жесткого основания, образованного отверстиями и второй стороной бруска, а расчетная ширина балки выполнена за счет симметричного двустороннего фрезерования сторон бруска, образующих балку, на глубину не менее одной третьей радиуса отверстий, формирующих балку, при этом жесткий центр упругой балки имеет резьбовое отверстие, максимально удаленное от оси балки, в которое ввернут соединяющий упругий элемент с воспринимающей давление мембраной, и проходящий через отверстие, выполненное в торце бруска соосно с резьбовым отверстием жесткого центра упругой балки, шток, причем его ось симметрии параллельна продольной оси упругой балки.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known strain gauge pressure sensor, including a pressure-sensitive flexible membrane and a housing with a heat-insulating partition installed therein, as well as an elastic element with strain gauges made in the form of a beam clamped on both sides and loaded with force, transmitted through the rod, from the pressure-sensing membrane, a feature of the pressure sensor is that the rigid center of the beam is loaded with tensile-compressive forces d, applied eccentrically with respect to the cross section of the beam, for which the beam is made of integral structural material by forming two holes whose axes are parallel and offset to one side of the bar, forming with it a beam with a calculated thickness and a rigid center that is rigidly clamped on both sides, made in the form of a jumper between the holes, and the jumper on the opposite side of the beam is separated from the supporting rigid base formed by the holes and the second side of the bar, and the estimated width of the balcony made by symmetric two-sided milling of the sides of the bar forming the beam to a depth of at least one third of the radius of the holes forming the beam, while the rigid center of the elastic beam has a threaded hole as far as possible from the axis of the beam into which the connecting elastic element with the pressure-sensing membrane is screwed and passing through a hole made at the end of the bar coaxially with the threaded hole of the rigid center of the elastic beam, the rod, and its axis of symmetry parallel to the longitudinal axis of the elastic beam.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которыхThe invention is illustrated graphic materials on which

на фиг.3 показана конструкция датчика давления;figure 3 shows the design of the pressure sensor;

на фиг.4 - конструкция упругого элемента.figure 4 - design of the elastic element.

Датчик давления (фиг.3) содержит корпус 1, выполненную из листовой стали жестко защемленную воспринимающую давление гибкую мембрану 2, жесткий центр 3 которой с помощью штока 4 соединен с жестким центром 5 упругого элемента 6. Между мембраной 2 и упругим элементом 6 установлена теплоизоляционная перегородка 7, а на упругом элементе 6 размещены тензорезисторы 8, причем упругий элемент 6 закреплен с помощью винтов 9 на крепежном кольце 10, который фиксируется в корпусе 1 гайкой 11. Корпус 1 соединен с помощью резьбы со штуцером 12, между которыми размещена герметизирующая прокладка 13. Упругий элемент 6 (фиг.3) в виде жестко защемленной с двух сторон балки 14 (фиг.4) имеет основание 15, жесткий центр 5 и массивные заделки 16.The pressure sensor (figure 3) contains a housing 1 made of sheet steel, a rigidly clamped pressure-sensitive flexible membrane 2, the rigid center 3 of which is connected via a rod 4 to the rigid center 5 of the elastic element 6. A heat-insulating partition is installed between the membrane 2 and the elastic element 6 7, and strain gages 8 are placed on the elastic element 6, the elastic element 6 being fixed with screws 9 on a mounting ring 10, which is fixed in the housing 1 by a nut 11. The housing 1 is connected by a thread to the fitting 12, between which on the sealing gasket 13. The elastic element 6 (figure 3) in the form of a beam 14 which is rigidly clamped on both sides of the beam 14 (figure 4) has a base 15, a rigid center 5 and massive embedments 16.

Упругий элемент 6 в виде жестко защемленной с двух сторон балки 14 с жестким центром 5, представленный на фиг.4, выполняется из цельного бруска конструкционного материала. Балка 14 формируется за счет, например, сверления двух сквозных по ее ширине отверстий, смещенных к рабочей стороне бруска, на который предполагается установка тензорезисторов 8. При этом толщина перемычки между отверстиями и рабочей стороной бруска должна соответствовать расчетному значению толщины балки. Перемычка между двумя отверстиями представляет собой жесткий центр 5 балки 14, который отделяется от противоположной стороны бруска относительно рабочей стороны, например, фрезерованием. Отделение жесткого центра 5 производят по диаметру двух отверстий. Полученное жесткое основание 15, образованное противоположной стороной бруска относительно рабочей стороны и проточкой при отделении жесткого центра 5 балки 14, и массивные заделки 16, образованные отверстиями и торцами бруска, служат несущей конструкцией, обеспечивающей жесткое защемление балки 14. Расчетная ширина балки 14 формируется, например, за счет симметричного двустороннего фрезерования сторон бруска, образующих балку 14, на глубину не менее 1/3 радиуса отверстий, формирующих балку 14. Глубина фрезеровки определяется расчетной схемой и местом установки тензорезисторов 8, и с целью приближения эпюры деформации в зоне установки тензорезисторов к постоянной (приближение к балке равного сечения), для возможности увеличения деформаций и тем самым увеличения чувствительности датчика ее глубина должна быть не менее 1/3 радиуса отверстий. Жесткий центр 5 балки 14 снабжается резьбовым отверстием, максимально (как только позволяют конструктивные размеры) удаленным от упругой балки 14.The elastic element 6 in the form of a beam 14 with a rigid center 5 rigidly clamped on both sides, shown in FIG. 4, is made of a single bar of structural material. The beam 14 is formed by, for example, drilling two holes through its width that are offset to the working side of the bar, on which strain gauges 8 are supposed to be installed. In this case, the thickness of the bridge between the holes and the working side of the bar should correspond to the calculated value of the beam thickness. The jumper between the two holes is a rigid center 5 of the beam 14, which is separated from the opposite side of the bar relative to the working side, for example, by milling. The hard center 5 is separated by the diameter of two holes. The obtained rigid base 15, formed by the opposite side of the bar relative to the working side and the groove when separating the rigid center 5 of the beam 14, and massive seals 16 formed by the holes and ends of the bar, serve as a supporting structure that provides rigid jamming of the beam 14. The calculated width of the beam 14 is formed, for example due to the symmetrical two-sided milling of the sides of the bar forming the beam 14 to a depth of not less than 1/3 of the radius of the holes forming the beam 14. The milling depth is determined by the design scheme and the place of installation of the strain gages 8, and in order to approximate the strain diagram in the installation zone of the strain gages to a constant (approaching a beam of equal cross section), in order to increase the strain and thereby increase the sensitivity of the sensor, its depth should be at least 1/3 of the radius of the holes. The rigid center 5 of the beam 14 is provided with a threaded hole that is maximally (as soon as the structural dimensions allow) remote from the elastic beam 14.

Для свободного допуска передающего усилие штока 4 к жесткому центру 5 балки 14 в торцевой поверхности бруска формируют отверстие, соосное с резьбовым отверстием жесткого центра 5 балки 14.For free admission of the transmitting force of the rod 4 to the rigid center 5 of the beam 14 in the end surface of the bar to form a hole coaxial with the threaded hole of the rigid center 5 of the beam 14.

Для обеспечения технологичности сборки датчика (фиг.3) упругий элемент 6 можно предварительно установить, например, в крепежное кольцо 10, имеющее с внутренней стороны посадочное место для упругого элемента 6 и соединяющееся с ним, например, посредством винтов 9, а внешний диаметр кольца должен соответствовать посадочному месту в корпусе. Закрепление упругого элемента в корпусе 1 может, например, осуществляться с помощью крепежной гайки 11. Теплоизоляционная перегородка 7 играет роль теплового барьера для теплового излучения от мембраны во внутреннюю полость датчика.To ensure the adaptability of the sensor assembly (Fig. 3), the elastic element 6 can be pre-installed, for example, in the mounting ring 10, which has a seat on the inside for the elastic element 6 and is connected to it, for example, by means of screws 9, and the outer diameter of the ring should match the footprint in the housing. The fixing of the elastic element in the housing 1 can, for example, be carried out using a fixing nut 11. The heat-insulating partition 7 plays the role of a thermal barrier for thermal radiation from the membrane into the internal cavity of the sensor.

Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.

Измеряемое давление подается в воспринимающий штуцер 12 и воздействует на воспринимающую гибкую мембрану 2 с жестким центром 3.The measured pressure is supplied to the receiving nozzle 12 and acts on the receiving flexible membrane 2 with a rigid center 3.

Под действием давления гибкая мембрана 2 прогибается, что приводит к перемещению жесткого центра 3 и передающего штока 4, который, воздействуя на жесткий центр 5 балки 14, нагружает упругий элемент 6 растягивающе-сжимающей силой, приложенной внецентренно по отношению к поперечному сечению балки 14. При этом рабочая часть балки 14 деформируется таким образом, что тензорезисторы 8 получают разные по знаку деформации R1 и R3 - растяжение, a R2 и R4 - сжатие, которые будучи собранными в мостовую измерительную цепь попарно, в противолежащих плечах обеспечивают появление выходного сигнала моста при воздействии деформации. С другой стороны, при прогреве упругого элемента 6 тензорезисторы R1 и R4, а также R2 и R3 будут находиться в одинаковых тепловых полях, и они получат одинаковые температурные деформации, что приводит к одинаковым изменениям номиналов этих тензорезисторов от температуры при воздействии нестационарных тепловых потоков измеряемой и окружающей сред. И так как согласно собранной мостовой цепи тензорезисторы 8 находятся в попарно прилежащих плечах, то их изменение от температуры будет компенсироваться мостовой схемой и, таким образом происходит минимизация температурной погрешности датчика при нестационарных тепловых режимах его эксплуатации. Для уменьшения влияния теплового излучения со стороны гибкой мембраны 2 на упругий элемент 6 он отделен от нее теплоизоляционной перегородкой 7, выполненной из материала с низкой теплопроводностью.Under the action of pressure, the flexible membrane 2 bends, which leads to the displacement of the rigid center 3 and the transmitting rod 4, which, acting on the rigid center 5 of the beam 14, loads the elastic element 6 with a tensile-compressive force applied eccentrically with respect to the cross section of the beam 14. When In this case, the working part of the beam 14 is deformed in such a way that the strain gauges 8 receive strains of different sign R1 and R3 — tension, and R2 and R4 — compression, which, when assembled in a bridge measuring circuit in pairs, provide opposite arms The appearance of the output signal of the bridge under the action of deformation. On the other hand, when the elastic element 6 is heated, the strain gages R1 and R4, as well as R2 and R3 will be in the same thermal fields, and they will get the same temperature deformations, which leads to the same changes in the values of these strain gages from the temperature when exposed to unsteady heat fluxes measured and environmental And since, according to the assembled bridge circuit, the strain gauges 8 are in adjacent shoulders, their change in temperature will be compensated by the bridge circuit and, thus, the temperature error of the sensor will be minimized under unsteady thermal conditions of its operation. To reduce the effect of thermal radiation from the flexible membrane 2 on the elastic element 6, it is separated from it by a heat-insulating partition 7 made of a material with low thermal conductivity.

Claims

A strain gauge pressure sensor, comprising a housing, with a flexible membrane that receives pressure, and an elastic sensing element separated from it by a heat-insulating partition, with strain gauges made in the form of a beam clamped from both sides and loaded by a force transmitted through the rod from a membrane that receives pressure the fact that the rigid center of the beam is loaded with a tensile-compressive force applied eccentrically to the cross section of the beam, for which the beam is made of bar of structural material by forming two holes, the axes of which are parallel and offset to one side of the bar, forming with it a beam rigidly pinched on both sides with a calculated thickness and a rigid center made in the form of a bridge between the holes, and the bridge on the opposite side is separated from the beam from the bearing rigid base formed by the holes and the second side of the bar, and the calculated beam width is made by symmetric two-sided milling of the sides of the bar forming a bulk , to a depth of at least one third of the radius of the holes forming the beam, while the rigid center of the elastic beam has a threaded hole that is farthest from the axis of the beam, into which a connecting elastic element with a pressure-sensing membrane is screwed, and passing through the hole made in the end face of the bar coaxially with a threaded hole in the rigid center of the elastic beam, the rod, and its axis of symmetry parallel to the longitudinal axis of the elastic beam.