RU2329479C1

RU2329479C1 - Differential pressure sensor

Info

Publication number: RU2329479C1
Application number: RU2007127295/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Макаров (RU); Владимир Николаевич Макаров; шин Александр Васильевич Мит (RU); Александр Васильевич Митяшин
Original assignee: Владимир Николаевич Макаров
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2008-07-20

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: invention may be used in instruments for measuring minor pressure drops. Pressure sensor consists of body and membrane situated between body items. Plain ring-shaped body items with central opening are provided with circular projections along periphery, which are directed to membrane. Displacement transducers are installed in the central opening and connected with measuring circuit. Compressing body elements are represented with two flat rings tightened by external effort. Outer diameter of flat rings exceeds body diameter and inner diameter is equal to central opening diameter. Small rings with inner diameter equal to central opening diameter are located between plain rings and body items. Outer diameter of small rings is much less than inner diameter of body items end projections. To connect with pressure drop source, plain rings are provided with openings and plain ring-shaped body items are provided with pneumo-channels. Circular projections of body items are high enough to exclude membrane jamming with central opening edges of body items when they are compressed.

EFFECT: increase of operating membrane part and improvement of membrane tension evenness, simplification of sensor sealing, reduction of sensor sizing and preservation of metrological performance and design simplicity.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах измерения малых перепадов давления газовых сред с помощью гибкой диафрагмы.The invention relates to measuring equipment and can be used in devices for measuring small pressure drops of gaseous media using a flexible diaphragm.

В связи с необходимостью создания портативных микроманометров на сегодняшний день существует проблема миниатюризации дифференциальных датчиков давления.In connection with the need to create portable micromanometers, today there is a problem of miniaturization of differential pressure sensors.

Известен дифференциальный датчик давления, содержащий корпус, выполненный в виде двух деталей с центральным отверстием, стянутых с помощью крепежных элементов, и плоскую натянутую мембрану, установленную между деталями корпуса и закрепленную по периферии (А.с. СССР №537272, 1976 г., МКИ G01L 7/08). Зажимные кольца этого датчика, натягивающие мембрану, выполнены в виде тора, срезанного снаружи по конусу, а детали корпуса снабжены упорами. Во время стягивания деталей корпуса крепежными элементами точка контакта торовой поверхности зажимного кольца с мембраной перемещается по радиусу, вызывая равномерное натяжение мембраны, что обеспечивает стабильность упругих свойств натянутой мембраны.A differential pressure sensor is known, comprising a housing made in the form of two parts with a central hole tightened with fasteners and a flat tensioned membrane installed between the housing parts and secured around the periphery (AS USSR No. 537272, 1976, MKI G01L 7/08). The clamping rings of this sensor, tensioning the membrane, are made in the form of a torus, cut from the outside in a cone, and the body parts are equipped with stops. When the housing parts are pulled together with fasteners, the contact point of the torus surface of the clamping ring with the membrane moves along the radius, causing uniform tension of the membrane, which ensures the stability of the elastic properties of the tensioned membrane.

Недостатками конструкции этого датчика являются неповторяемость степени натяжения мембраны от датчика к датчику и неравномерность натяжения мембраны из-за возможного ее проскальзывания между двумя торовыми поверхностями зажимных колец в начальный момент стягивания, а также трудоемкость изготовления зажимных колец сложной формы и, следовательно, дороговизна датчика. Эти недостатки возрастают с уменьшением размеров датчика. Кроме того, место соединения двух корпусных деталей и мембраны требует герметизации.The design flaws of this sensor are the non-repeatability of the degree of membrane tension from the sensor to the sensor and the unevenness of the membrane tension due to its possible slipping between the two torus surfaces of the clamping rings at the initial moment of tightening, as well as the complexity of manufacturing clamping rings of complex shape and, therefore, the high cost of the sensor. These shortcomings increase with decreasing sensor size. In addition, the junction of two body parts and the membrane requires sealing.

Известен мембранный узел датчика давления, содержащий корпус с упругой мембраной, закрепленной внутри корпуса (патент РФ №2280242, 2006 г., МПК G01L 7/08). Он содержит регулировочное устройство для изменения жесткости мембраны. Сложность и громоздкость устройства исключают возможность миниатюризации такого датчика давления.Known membrane node pressure sensor containing a housing with an elastic membrane fixed inside the housing (RF patent No. 2280242, 2006, IPC G01L 7/08). It contains an adjustment device for changing the stiffness of the membrane. The complexity and bulkiness of the device eliminates the possibility of miniaturization of such a pressure sensor.

Известен дифференциальный датчик давления, содержащий мембрану и корпус, выполненный в виде двух плоских кольцеобразных деталей с центральным отверстием и кольцевыми выступами по периферии, обращенными к мембране, установленной между деталями корпуса, и сжимающие корпус элементы, в центральном отверстии корпуса установлены преобразователи перемещения, преобразующие отклонение мембраны в электрический сигнал и соединенные с измерительной схемой (патент РФ на полезную модель №29777, 2003 г., МПК G01L 7/08 - наиболее близкий аналог). В этом датчике простой конструкции за счет наличия плоских кольцевых выступов по периферии деталей корпуса при приложении сжимающего корпус усилия мембрана равномерно зажимается по окружности и натягивается. Натяжение мембраны происходит за счет эксцентриситета прилагаемой к крепежным элементам силы и реакции опоры в месте кольцевых выступов. Крепежные элементы расположены между кольцевыми выступами плоских кольцеобразных деталей корпуса и центральным отверстием корпуса, для чего в мембране и корпусе выполнены отверстия под крепежные элементы. За счет очень малой высоты (сотые доли мм) периферийных кольцевых выступов плоских кольцеобразных деталей корпуса натянутая мембрана под воздействием продолжающих сжимать корпус усилий оказывается защемленной краями центральных отверстий деталей корпуса, при этом фиксируется диаметр рабочей части мембраны, равный диаметру центрального отверстия корпуса.A differential pressure sensor is known, comprising a membrane and a housing made in the form of two flat annular parts with a central hole and annular protrusions on the periphery facing the membrane installed between the housing parts, and elements compressing the housing, displacement transducers are installed in the central opening of the housing, which transform the deviation membranes into an electrical signal and connected to a measuring circuit (RF patent for utility model No. 29777, 2003, IPC G01L 7/08 - the closest analogue). In this sensor of a simple design, due to the presence of flat annular protrusions around the periphery of the housing parts, when the force compresses the housing, the membrane is uniformly clamped around the circumference and stretched. The tension of the membrane occurs due to the eccentricity of the force applied to the fasteners and the reaction of the support in the place of the annular protrusions. The fasteners are located between the annular protrusions of the flat annular body parts and the central hole of the housing, for which holes in the membrane and the housing are made for the fasteners. Due to the very small height (hundredths of mm) of the peripheral annular protrusions of the flat annular body parts, the stretched membrane under the influence of forces continuing to compress the body is jammed by the edges of the central holes of the body parts, while the diameter of the working part of the membrane equal to the diameter of the central hole of the body is fixed.

Недостатки конструкции. В этом датчике рабочей является не вся площадь мембраны, а только ее центральная часть. При уменьшении размеров датчика уменьшается и рабочая часть мембраны, что ухудшает метрологические характеристики датчика. Наличие в мембране отверстий приводит к неравномерности натяжения рабочей части мембраны. Защемление мембраны краями центральных отверстий деталей корпуса происходит неравномерно, что требует дополнительной герметизации этих мест. Крепежные элементы, проходящие через корпус датчика и мембрану, при попытке пропорционального уменьшения их размеров и размеров корпуса датчика теряют свои прочностные свойства и не могут обеспечить необходимого сжимающего корпус усилия. Вследствие указанных недостатков невозможно уменьшение размеров датчика без потери его метрологических характеристик.Design flaws. In this sensor, the working area is not the entire membrane area, but only its central part. By reducing the size of the sensor, the working part of the membrane also decreases, which affects the metrological characteristics of the sensor. The presence of holes in the membrane leads to uneven tension in the working part of the membrane. The jamming of the membrane with the edges of the central holes of the body parts is uneven, which requires additional sealing of these places. Fasteners passing through the sensor housing and the membrane, when trying to proportionally reduce their size and the dimensions of the sensor housing, lose their strength properties and cannot provide the necessary compressive pressure on the housing. Due to these shortcomings, it is impossible to reduce the size of the sensor without losing its metrological characteristics.

Задача заявляемого изобретения - миниатюризация дифференциального датчика давления.The task of the invention is the miniaturization of a differential pressure sensor.

Технический результат - увеличение рабочей части мембраны и повышение равномерности ее натяжения, упрощение герметизации датчика; сохранение метрологических характеристик и простоты конструкции датчика при уменьшении его размеров.The technical result is an increase in the working part of the membrane and increasing the uniformity of its tension, simplifying the sealing of the sensor; preservation of metrological characteristics and simplicity of the sensor design while reducing its size.

Этот результат достигается тем, что в дифференциальном датчике давления, содержащем мембрану и корпус, выполненный в виде двух плоских кольцеобразных деталей с центральным отверстием и кольцевыми выступами по периферии, обращенными к мембране, установленной между деталями корпуса, и сжимающие корпус элементы, при этом в центральном отверстии корпуса установлены преобразователи перемещения, преобразующие отклонение мембраны в электрический сигнал и соединенные с измерительной схемой, авторы предлагают сжимающие корпус элементы выполнить в виде двух стягиваемых внешним усилием плоских колец, установленных с внешних плоских сторон деталей корпуса соосно с ними, для подключения к источнику перепада давления в плоских кольцах сжимающих корпус элементов выполнить отверстия, а в плоских кольцеобразных деталях корпуса - пневмоканалы, при этом наружный диаметр плоских колец превышает диаметр корпуса, а внутренний диаметр равен диаметру центрального отверстия корпуса, между плоскими кольцами и деталями корпуса соосно с ними установить колечки, внутренний диаметр которых равен диаметру центрального отверстия корпуса и наружный диаметр много меньше внутреннего диаметра кольцевых выступов деталей корпуса, кольцевые выступы деталей корпуса имеют высоту, исключающую защемление мембраны краями центральных отверстий деталей корпуса при его сжатии. Колечки могут быть выполнены за одно целое с деталями корпуса или с плоскими кольцами. Плоские кольца могут быть стянуты внешним кожухом или крепежными элементами, расположенными снаружи корпуса.This result is achieved by the fact that in the differential pressure sensor containing the membrane and the housing, made in the form of two flat annular parts with a Central hole and annular protrusions on the periphery, facing the membrane installed between the housing parts, and compressing the housing elements, while in the Central displacement transducers are installed in the housing openings, which convert the membrane deflection into an electrical signal and are connected to the measuring circuit; the authors propose the housing compressing elements a thread in the form of two flat rings contracted by external force mounted on the outer flat sides of the housing parts coaxially with them, to make holes in the flat rings of the elements compressing the housing to make holes, and pneumatic channels in the flat ring-shaped housing parts, while the outer diameter of the flat rings exceeds the diameter of the case, and the inner diameter is equal to the diameter of the central hole of the case, between the flat rings and parts of the case coaxially install rings, the inner diameter of which equal to the diameter of the central opening of the housing and the outer diameter is much smaller than the inner diameter of the annular protrusions of the housing parts, the annular protrusions of the housing parts have a height that prevents pinching of the membrane with the edges of the central holes of the housing parts during compression. The rings can be made in one piece with the body parts or with flat rings. Flat rings can be tightened with an outer casing or with fasteners located outside the housing.

Увеличение размера рабочей части мембраны и повышение равномерности ее натяжения по сравнению с прототипом достигается устранением крепежных элементов, проходящих через мембрану, и увеличением высоты кольцевых выступов. Отсутствие отверстий в мембране и исключение ее защемления краями центральных отверстий деталей корпуса при сжатии корпуса позволяют обеспечить равномерное натяжение мембраны и увеличить ее рабочую площадь, так как теперь она ограничена не внутренним диаметром центрального отверстия корпуса, как в прототипе, а внутренним диаметром кольцевого выступа детали корпуса. При этом отпала необходимость герметизации места контакта мембраны с деталями корпуса, так как усилие внешнего сжатия, действующее на мембрану, зажимает ее только по периферии, обеспечивая герметичность контактов.Increasing the size of the working part of the membrane and increasing the uniformity of its tension in comparison with the prototype is achieved by eliminating the fasteners passing through the membrane and increasing the height of the annular protrusions. The absence of holes in the membrane and the exclusion of it being pinched by the edges of the central holes of the housing parts during compression of the housing make it possible to ensure uniform tension of the membrane and increase its working area, since now it is limited not by the internal diameter of the central opening of the housing, as in the prototype, but by the internal diameter of the annular protrusion of the housing . At the same time, there was no need to seal the contact point of the membrane with the housing parts, since the external compression force acting on the membrane clamps it only at the periphery, ensuring the tightness of the contacts.

Для исключения крепежных элементов, стягивающих корпус и проходящих через корпус датчика и мембрану в прототипе, и сохранения радиального натяжения мембраны авторы предлагают установить с внешних плоских сторон деталей корпуса сжимающие корпус элементы, выполненные в виде стягиваемых внешним усилием плоских колец, установленных на колечки. Наличие колечек, расположенных между корпусом и плоскими кольцами соосно с ними, обеспечивает при стягивании плоских колец внешним усилием увеличение радиальной составляющей силы, воздействующей на мембрану, за счет большего эксцентриситета (по сравнению с прототипом) между прилагаемым усилием сжатия, воздействующим на корпус через колечки, и реакцией опоры, возникающей на кольцевых выступах деталей корпуса. Это позволяет обеспечить достаточное натяжение мембраны при уменьшении диаметра корпуса и мембраны, сохраняя простоту конструкции датчика и не ухудшая его рабочих характеристик.To exclude the fasteners that tighten the housing and passing through the sensor housing and the membrane in the prototype, and to preserve the radial tension of the membrane, the authors propose to install the housing compressing elements on the outer flat sides of the housing parts, made in the form of flat rings that are contracted by external force mounted on the rings. The presence of rings located between the body and the flat rings coaxially with them ensures that when the flat rings are pulled together by an external force, the radial component of the force acting on the membrane increases due to the greater eccentricity (compared with the prototype) between the applied compression force acting on the body through the rings, and the reaction of the support arising on the annular protrusions of the housing parts. This allows you to ensure sufficient membrane tension while reducing the diameter of the housing and membrane, while maintaining the simplicity of the sensor design and without compromising its performance.

Использование заявляемого решения позволило сократить диаметр дифференциального датчика давления по сравнению с прототипом в 4 раза и разместить датчик при сохранении его метрологических характеристик и простоты конструкции в ручке первичного преобразователя портативного микроманометра.Using the proposed solution allowed to reduce the diameter of the differential pressure sensor compared to the prototype by 4 times and place the sensor while maintaining its metrological characteristics and simplicity of design in the handle of the primary transducer of a portable micromanometer.

На чертежах изображены два варианта датчика дифференциального давления: фиг.1 - датчик со стягивающими корпус крепежными элементами; фиг.2 - датчик со стягивающим корпус внешним кожухом.The drawings depict two variants of a differential pressure sensor: figure 1 - a sensor with fastening elements that tighten the housing; figure 2 is a sensor with a casing tightening the outer casing.

Датчик дифференциального давления (фиг.1 и 2) содержит плоскую мембрану 1, размещенную между двумя плоскими кольцеобразными деталями 2 корпуса с центральным отверстием 3, в которое устанавливают преобразователи перемещения (например, индуктивные, емкостные и пр.) - на чертеже не показаны. Плоские кольцеобразные детали 2 корпуса со стороны мембраны 1 имеют по периферии плоские кольцевые выступы 4 (например, прямоугольного сечения), высота которых (например, более 0,5 мм) исключает защемление мембраны 1 краями центральных отверстий 3 плоских кольцеобразных деталей 2 корпуса при его стягивании. С наружных плоских сторон кольцеобразных деталей 2 корпуса на колечки 5, установленные соосно с ними, также соосно с ними установлены плоские кольца 6. Плоские кольца 6 могут иметь отверстия 7 (фиг.1) для установки снаружи корпуса крепежных элементов 8, стягивающих плоские кольца 6. Плоские кольца 6 могут быть стянуты внешним кожухом 9 (фиг.2). Для подключения к источнику перепада давления в плоских кольцеобразных деталях 2 корпуса выполнены пневмоканалы 10, а в плоских кольцах 6 - отверстия 11.The differential pressure sensor (Figs. 1 and 2) contains a flat membrane 1 located between two flat annular body parts 2 with a central hole 3, into which displacement transducers (for example, inductive, capacitive, etc.) are installed - not shown in the drawing. The flat annular body parts 2 from the side of the membrane 1 have peripheral flat annular protrusions 4 (for example, of rectangular cross section), the height of which (for example, more than 0.5 mm) prevents the membrane 1 from getting pinched by the edges of the central holes 3 of the flat annular body parts 2 when it is pulled together . On the outer flat sides of the ring-shaped parts 2 of the housing, the rings 5 mounted coaxially with them, flat rings 6 are also installed coaxially with them. Flat rings 6 may have holes 7 (Fig. 1) for mounting fasteners 8 from the outside of the housing that tighten the flat rings 6 Flat rings 6 can be tightened by the outer casing 9 (figure 2). To connect to the source of the differential pressure in the flat ring-shaped parts 2 of the casing, pneumatic channels 10 are made, and in the flat rings 6 - holes 11.

При сборке датчика крепежные элементы 8 (фиг.1) после их затягивании или внешний кожух 9 (фиг.2) после завальцовывания его краев стягивают плоские кольца 6, установленные на колечки 5. При этом возникают как усилие сжатия, действующее на плоские кольцеобразные детали 2 корпуса вблизи центрального отверстия 3 и выступов 4, зажимающих мембрану по периферии, так и реакция опоры в месте выступов 4 плоских кольцеобразных деталей 2. За счет эксцентриситета этих сил возникает радиальная составляющая, перемещающая кольцевые выступы 4 по радиусу и натягивающая мембрану 1 равномерно по окружности. После натяжения мембраны в центральное отверстие 3 устанавливают преобразователи перемещения, соединенные с измерительной схемой (не показаны), подключают к источнику перепада давления пневмоканалы 10 датчика, проходящие через отверстия 11 плоских колец 6.When assembling the sensor, the fastening elements 8 (Fig. 1) after tightening them or the outer casing 9 (Fig. 2) after rolling its edges are pulled together by flat rings 6 mounted on rings 5. In this case, a compression force acting on the flat annular parts 2 housing near the Central hole 3 and the protrusions 4, clamping the membrane around the periphery, and the reaction of the support in place of the protrusions 4 of the flat annular parts 2. Due to the eccentricity of these forces, a radial component arises, moving the annular protrusions 4 along the radius and interference 1 ayuschaya membrane evenly over the circumference. After tensioning the membrane, displacement transducers connected to a measuring circuit (not shown) are installed in the central hole 3, pneumatic channels 10 of the sensor passing through holes 11 of the flat rings 6 are connected to the source of the differential pressure.

Датчик дифференциального давления работает следующим образом. Измеряемое давление, подаваемое через пневмоканалы 10, воздействует на рабочую часть натянутой мембраны 1, вызывая ее отклонение от своего нейтрального положения. Это отклонение преобразователи перемещения преобразуют в электрический сигнал, по которому судят о величине перепада давления.The differential pressure sensor operates as follows. The measured pressure supplied through the pneumatic channels 10 acts on the working part of the stretched membrane 1, causing it to deviate from its neutral position. Displacement transducers convert this deviation into an electrical signal, which is used to judge the pressure drop.

Claims

1. A differential pressure sensor containing a membrane and a housing made in the form of two flat annular parts with a central hole and annular protrusions on the periphery facing the membrane installed between the housing parts, and elements compressing the housing, displacement transducers are installed in the central opening of the housing, converting the deflection of the membrane into an electrical signal and connected to a measuring circuit, characterized in that the housing compressing elements are made in the form of two external pullable we have flat rings installed coaxially with the external flat sides of the body parts for connecting to the differential pressure source in the flat rings compressing the housing of the elements, holes are made, and pneumatic channels are made in the flat ring-shaped body parts, while the outer diameter of the flat rings exceeds the diameter of the body and the inner diameter is equal to the diameter of the central hole of the housing, between the flat rings and the parts of the housing coaxially mounted rings, the inner diameter of which is equal to the diameter of the central hole orpusa and an outer diameter much smaller than the inner diameter of the annular projections body parts, body parts annular projections have a height, excludes jamming of the edges of the membrane enclosures central hole at its compression.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the rings are made in one piece with the housing parts or with flat rings.

3. The sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the flat rings are pulled together by an outer casing or fasteners located outside the housing.