RU2786382C1

RU2786382C1 - Pressure transducer

Info

Publication number: RU2786382C1
Application number: RU2021137193A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Евтушенко; Тимофей Александрович Крахмальный; Виктория Анатольевна Лепихова; Надежда Владимировна Ляшенко; Евгений Геннадьевич Скибин
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-12-20

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment, is intended for converting the pressure changes in various media into an electrical signal in a broad dynamic range of operation, and can be used in industrial processes, when measuring the pressure in soils under shock loads, and in experimental studies. The apparatus consists of a body, a perceiving membrane, a transmitting rod, elastic cantilever beams of equal bend resistance, a rectilinear hollow thick-walled cylinder, bodies of electrochemical cells with electrolyte, inserts, a disk, metal conductors, and output terminals. The rectilinear hollow thick-walled cylinder, inserts, and disk are made of solid materials, and the bodies of electrochemical cells are made of an elastic electrical insulation material. The elastic cantilever beams of equal bend resistance are rigidly clamped by the bases horizontally into the inner side wall of the rectilinear hollow cylinder around the circumference in two rows in pairs above each other with gaps, wherein bodies of electrochemical cells with electrolyte in the form of rectilinear hollow cylinders are placed at the points adjacent to the clamp points. One base of each cylinder is secured to the lower plane of the upper beam, and the other base is secured to the upper plane of the lower beam in each pair. Inserts are secured in the gaps between the free ends of each pair of cantilever beams, and the disk is secured at the end of the transmitting rod, wherein the disk is in contact with the free ends of all the upper beams. Each upper beam, starting from the first to the second to last pair, is connected via a metal conductor with the lower beam of the subsequent adjacent pair; and the metal conductor connected with the lower beam of the first pair and the metal conductor connected with the upper beam of the last pair are connected to the output terminals of the pressure transducer.

EFFECT: expansion in the dynamic range of operation and reduction in power consumption.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для преобразования изменения давления в различных средах в электрический сигнал в широком динамическом диапазоне работы и может быть использовано в технологических процессах, измерении напряжения в грунтах при ударных нагрузках, экспериментальных исследованиях.SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment and is intended for converting pressure changes in various media into an electrical signal in a wide dynamic range of operation and can be used in technological processes, measuring stress in soils under shock loads, and experimental studies.

Известен тензометрический датчик давления (а.с. СССР, SU 1755073 А1, МПК G01L 9/04, опубл. 15.08.1981), состоящий из корпуса, воспринимающей мембраны, соединительного штока, упругой балки и наклеенных на нее тензорезисторов, входящих в смежные плечи мостовой схемы.A strain gauge pressure sensor is known (AS USSR, SU 1755073 A1, IPC G01L 9/04, publ. 08/15/1981), consisting of a housing, a sensing membrane, a connecting rod, an elastic beam and strain gauges glued to it, included in adjacent shoulders bridge diagram.

Недостатками такого датчика являются:The disadvantages of such a sensor are:

а) большое энергопотребление мостовой схемы, требующее источника питания (5÷15 В);a) high power consumption of the bridge circuit, requiring a power source (5÷15 V);

б) ползучесть тензорезисторов, обусловленная вязкоупругими свойствами клея и изменением его характеристик с температурой и во времени.b) creep of strain gauges, due to the viscoelastic properties of the adhesive and the change in its characteristics with temperature and time.

Известен преобразователь давления (а.с. СССР SU 883680 А1, МПК G01L 9/04, опубл. 23.11.1981), принятый за прототип, состоящий из корпуса, воспринимающей мембраны, жестко связанной с передающим штоком, упругой консольной балки равного сопротивления изгибу, полупроводниковых тензорезисторов.A pressure transducer is known (AS USSR SU 883680 A1, IPC G01L 9/04, publ. 11/23/1981), adopted as a prototype, consisting of a housing, a sensing membrane rigidly connected to the transmission rod, an elastic cantilever beam of equal resistance to bending, semiconductor strain gauges.

а) большое энергопотребление мостовой схемы;a) high power consumption of the bridge circuit;

б) снижение стабильности его метрологических характеристик при импульсных нагрузках, связанное с хрупкостью применяемых кремниевых тензорезисторов и стеклоприпоя, использованного для их крепления к упругой консольной балке.b) a decrease in the stability of its metrological characteristics under impulse loads, due to the fragility of the silicon strain gauges used and the solder glass used for their attachment to the elastic cantilever beam.

Изобретение направлено на прямое преобразование деформации нескольких упругих консольных балок в электрический сигнал, при этом достигается технический результат, заключающийся в расширении динамического диапазона работы и снижении энергопотребления.The invention is aimed at direct conversion of the deformation of several elastic cantilever beams into an electrical signal, while achieving the technical result of expanding the dynamic range of operation and reducing power consumption.

Технический результат достигается преобразователем давления, состоящим из корпуса, воспринимающей мембраны, жестко связанной с передающим штоком, упругой консольной балки равного сопротивления изгибу, при этом в корпусе установлен прямой полый толстостенный цилиндр из твердого электроизоляционного материала, в боковую внутреннюю стенку которого жестко защемлены своими основаниями несколько упругих консольных балок равного сопротивления изгибу, расположенных горизонтально по окружности в два ряда попарно друг над другом с зазорами, куда в места, примыкающие к защемлению, помещены корпуса электрохимических ячеек с электролитом в виде прямых полых цилиндров из упругого электроизоляционного материала, одно основание каждого цилиндра скреплено с нижней плоскостью верхней балки, а другое - с верхней плоскостью нижней балки каждой пары, в зазорах между свободными концами пары консольных балок закреплены вставки, а на конце передающего штока - диск из твердых электроизоляционных материалов, касающийся всех верхних балок, каждая верхняя балка, с первой до предпоследней пары, соединена металлическим проводником с нижней балкой соседней последующей пары, а металлический проводник, соединенный с нижней балкой первой пары, и металлический проводник, соединенный с верхней балкой последней пары, подсоединены к выходным клеммам преобразователя давления.The technical result is achieved by a pressure transducer consisting of a body, a receiving membrane rigidly connected to the transmission rod, an elastic cantilever beam of equal resistance to bending, while a straight hollow thick-walled cylinder made of solid electrical insulating material is installed in the body, into the side inner wall of which several elastic cantilever beams of equal resistance to bending, arranged horizontally along the circumference in two rows in pairs one above the other with gaps, where the bodies of electrochemical cells with electrolyte in the form of straight hollow cylinders made of elastic insulating material are placed in places adjacent to the pinching, one base of each cylinder is fastened with the lower plane of the upper beam, and the other - with the upper plane of the lower beam of each pair, inserts are fixed in the gaps between the free ends of a pair of cantilever beams, and at the end of the transmitting rod - a disk of solid electrical insulating materials, which connecting all upper beams, each upper beam, from the first to the penultimate pair, is connected by a metal conductor to the lower beam of the next next pair, and the metal conductor connected to the lower beam of the first pair, and the metal conductor connected to the upper beam of the last pair, are connected to the output pressure transmitter terminals.

На фиг. 1 представлен преобразователь давления (в разрезе). На фиг. 2 - вид сверху. Преобразователь давления состоит из корпуса 1, воспринимающей мембраны 2, передающего штока 3, упругих консольных балок равного сопротивления изгибу 4, 5 прямого полого толстостенного цилиндра 6, корпусов электрохимических ячеек 7 с электролитом 8, вставок 9, диска 10, металлических проводников 11, выходных клемм 12. Прямой полый толстостенный цилиндр 6, вставки 9 и диск 10 выполнены из твердых, а корпуса электрохимических ячеек 7 из упругого электроизоляционных материалов. Упругие консольные балки равного сопротивления изгибу 4, 5 своими основаниями жестко защемлены горизонтально в боковую внутреннюю стенку прямого полого цилиндра 6 по окружности в два ряда попарно друг над другом с зазорами, куда в места, примыкающие к защемлению, помещены корпуса электрохимических ячеек 7 с электролитом 8 в виде прямых полых цилиндров. Одно основание каждого цилиндра 7 скреплено с нижней плоскостью верхней балки 4, а другое - с верхней плоскостью нижней балки 5 каждой пары. В зазорах между свободными концами пары консольных балок закреплены вставки 9, а на конце передающего штока 3 - диск 10, касающийся свободных концов всех верхних балок 4. Каждая верхняя балка 4, с первой до предпоследней пары, соединена металлическим проводником 11 с нижней балкой 5 соседней последующей пары, а металлический проводник 11, соединенный с нижней балкой 5 первой пары, и металлический проводник 11, соединенный с верхней балкой 4 последней пары, подсоединены к выходным клеммам 12 преобразователя давления.In FIG. 1 shows a pressure transducer (in section). In FIG. 2 - top view. The pressure transducer consists of a body 1, a receiving membrane 2, a transmission rod 3, elastic cantilever beams of equal resistance to bending 4, 5 a straight hollow thick-walled cylinder 6, cases of electrochemical cells 7 with electrolyte 8, inserts 9, disk 10, metal conductors 11, output terminals 12. Straight hollow thick-walled cylinder 6, inserts 9 and disk 10 are made of solid, and the housings of electrochemical cells 7 are made of elastic insulating materials. Elastic cantilever beams of equal resistance to bending 4, 5 are rigidly clamped by their bases horizontally into the side inner wall of a straight hollow cylinder 6 along the circumference in two rows in pairs one above the other with gaps, where the cases of electrochemical cells 7 with electrolyte 8 are placed in places adjacent to the clamping in the form of straight hollow cylinders. One base of each cylinder 7 is fastened to the lower plane of the upper beam 4, and the other - to the upper plane of the lower beam 5 of each pair. Inserts 9 are fixed in the gaps between the free ends of a pair of cantilever beams, and at the end of the transmission rod 3 there is a disk 10 that touches the free ends of all upper beams 4. Each upper beam 4, from the first to the penultimate pair, is connected by a metal conductor 11 to the lower beam 5 adjacent the next pair, and the metal conductor 11, connected to the bottom beam 5 of the first pair, and the metal conductor 11, connected to the top beam 4 of the last pair, are connected to the output terminals 12 of the pressure converter.

Преобразователь давления работает следующим образом. При воздействии давления на воспринимающую мембрану 2 она прогибается, жестко связанный с ней шток 3 с диском 10 перемещаются и воздействуют на свободные концы упругих консольных балок 4, 5, которые деформируются, причем нижняя плоскость каждой верхней балки 4 сжимается, а верхняя плоскость каждой нижней балки 5 растягивается. Так как эти плоскости находятся в контакте с электролитом 8, то они будут представлять собой деформируемые электроды электрохимических ячеек. Известно [А.Я. Гохштейн. Поверхностное натяжение тел и адсорбция. Под ред. А.Н. Фрумкина. - М., Наука, 1976. - С. 33], что если при деформации электрода, находящегося в контакте с электролитом, изменяется его площадь, то возникает «эффект упругого заряжения межфазного слоя на границе раздела электрод-электролит». При этом, если заряд электрода поддерживается постоянным, например, путем введения демпфирующего сопротивления в цепь электрода, то меняется потенциал электрода (уменьшается при растяжении и увеличивается при сжатии). Причем, если в электрохимической ячейке один электрод сжимается, а другой растягивается, то на них возникает разность потенциалов, а последовательное соединение таких ячеек (по аналогии с батарейками) позволяет получить достаточный для надежного измерения электрический сигнал.The pressure converter works as follows. When pressure is applied to the receiving membrane 2, it bends, the rod 3 rigidly connected to it with the disk 10 move and act on the free ends of the elastic cantilever beams 4, 5, which are deformed, and the lower plane of each upper beam 4 is compressed, and the upper plane of each lower beam 5 is stretched. Since these planes are in contact with electrolyte 8, they will be deformable electrodes of electrochemical cells. It is known [A.Ya. Gokhshtein. Surface tension of bodies and adsorption. Ed. A.N. Frumkin. - M., Nauka, 1976. - S. 33], that if the deformation of the electrode in contact with the electrolyte changes its area, then there is an "effect of elastic charging of the interfacial layer at the electrode-electrolyte interface". In this case, if the electrode charge is maintained constant, for example, by introducing a damping resistance into the electrode circuit, then the electrode potential changes (it decreases with tension and increases with compression). Moreover, if in an electrochemical cell one electrode is compressed and the other is stretched, then a potential difference arises on them, and the series connection of such cells (by analogy with batteries) allows one to obtain an electrical signal sufficient for reliable measurement.

Таким образом решается проблема повышения достоверности измерений при импульсных нагрузках, при этом технический результат, заключающийся в расширении динамического диапазона работы преобразователя, обеспечивается за счет прямого преобразования деформации нескольких упругих консольных балок непосредственно в электрический сигнал, а снижение электропотребления - за счет работы преобразователя в так называемом «генераторном режиме» без внешнего источника питания.Thus, the problem of increasing the reliability of measurements under impulse loads is solved, while the technical result, which consists in expanding the dynamic range of the transducer, is ensured by directly converting the deformation of several elastic cantilever beams directly into an electrical signal, and reducing power consumption is due to the operation of the transducer in the so-called "generator mode" without external power supply.

Claims

A pressure transducer consisting of a body, a sensing membrane rigidly connected to the transmission rod, an elastic cantilever beam of equal resistance to bending, characterized in that a straight hollow thick-walled cylinder made of solid electrical insulating material is installed in the body, into the side inner wall of which several elastic bases are rigidly clamped by their bases. cantilever beams of equal resistance to bending, arranged horizontally around the circumference in two rows in pairs one above the other with gaps, where in the places adjacent to the pinching, the cases of electrochemical cells with electrolyte are placed in the form of straight hollow cylinders made of elastic insulating material, one base of each cylinder is fastened with the lower plane of the upper beam, and the other - with the upper plane of the lower beam of each pair, inserts are fixed in the gaps between the free ends of a pair of cantilever beams, and at the end of the transmitting rod - a disk of solid electrical insulating material that touches the free ends of all upper beams, each upper beam, from the first to the penultimate pair, is connected by a metal conductor to the lower beam of the adjacent subsequent pair, and the metal conductor connected to the lower beam of the first pair, and the metal conductor connected to the upper beam of the last pair, are connected to the output pressure transmitter terminals.