SU883680A1 - Преобразователь давлени - Google Patents

Description

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

I

Изобретение относитс  к тензомет рии и может dHTb использовано дл  измерени  давлений.

Известны датчики давлени , содержащие мембрану, св занную с бгшочкой, на которой укреплены тензорезисторы 1.

Ниболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  преобразователь давлени , содержащий цилиндрический корпус, тонкую плоскую круглую мембрану, воспринимающую давление, продольный шток, который находитс  в фрикционном зацеплении с мембраной и передает таким образом прогиб мембраны консольной балке с вырезом, один конец которой закреплен в корпусе преобразовател  (зажат между фланцем и провод щим кольцом), а свободный конец балки с помощью св зующего (зпоксидного кле ) прикреплён к другому концу штока. Поперек выреза консольной балки установлены с помощью св зующего полупроводниковые пьезорезистивиые элементы, выполненные из кремни  р-типа, которые измен ют свое сопротивление под действием приложенного к мембране давлени - 2 .

2 ,

Недостатками известного устройства  вл ютс  нелинейность выходной характеристики, ограниченный динами ческий диапазон частот, невозможность получени  воспроизводимых и стабильных метрологических характеристик , сравнительно узкий температурный диапазон работы. Фрикционное зацепление штока с воспринимающей

10 мембранойi приводит к уменьшению собственной частоты преобразовател , следовательно, к ограничению динамического диапазона преобразовател .

Цель Изобретени  - уменьшение не15 линейности выходной характеристики, расширение динамического диапазона работы преобразовател .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном преобразователе дав20 {Лени , содержащем корпус с мембраной, передающий шток и консольную бгшку с полупроводниковыми тензорезисторами, передающий шток жестко соединен с мембраной и консольной бгилкой и вы25 полнен с упругим шарниром, рассто ние которого до места креплени  штока к балке не менее длины упругого шарнира.

На фиг.1 представлен тензометрический преобразователь давлений (в

30 разрезе); на фиг.2 - зависимости вы ходного сигнала преобразовател  от давлени  при различных температурах в диапазоне: от 20 до . Преобразователь состоит из цилиндрического корпуса 1, на котором закреплена мембрана 2, изготовленна  из материала с высокими упругими свойствами, например сплава 44НХТЮ. Мембрана жестко соединена с штоком 3 с выполненным на нем упругим шарниром 4. Другим концом шток жестко соединен с консольной балкой 5, изготовленной из коварового сплава, например сплава 29НК, на которой стеклоприпоем закреплены по лупроводниковые тензорезисторы 6, представл ющие собой нить кремни  р-типа с ориентацией (III с платиновыми контактами и токовыводами. Преобразователь работает следующим образом. Измер емое давление воспринимаетс  мембраной 2. Прогиб мембраны под действием давлени  передаетс  посредством штока 3 с упру гим шарниром 4 на консольную балку с полупроводниковыми тензорезистора ми б. Прогиб консольной балки приводит к изменению сопротивлени  закрепленных на ней тензореэисторов, причем изменение сопротивлени , а следовательно, выходного сигнала преобразовател  пропорционально измер емому давлению. Основными преимуществс1ми предлагаемого устройства  вл ютс  расшире ние динамического диапазона работы, улучшение метрологических характеристик и значительное расширение температурного диапазона работы пре образовател . Улучшение метрологических характеристик предлагаемого устройства достигаетс  жестким сварным соедине нием штока с мембраной и консольной баночкой с помощью лазерной сварки. Это позвол ет повысить его собствен ную частоту и расширить динамически диапазон работы преобразовател , а также улучшить воспроизводимость метрологических хара1(стеристик предлагаемого преобразовател . Кроме то го, улучшение метрологических харак теристик преобразовател  достигаетс  -Выполнением штока с упругим шарниром , имеющим малую изгибную жестKOCTfy , что позвол ет исключить пара зитную составл ющую нагрузки консольнс балки с тензорезисторами,кото ра  приводит к нелинейности градуир вочных характеристик преобразовател . Размеры упругого шарнира опреде л ютс  из услови  прочности упругог шарнира на изгиб. При заданной относительной дефор мации упругого элемента - балки положение упругого шарнира по высоте штока, позвол ющее осуществить линеаризацию градуировочных характеристик преобразовател , можно определить из выражени , вход щего в формулу дл  определени  деформации балочки. (Т1 где 0; и 3 моменты инерции площади сечени  упругого шарнира и консольноД балки соответственно; длина упругого шарнира; L- рассто ние от места закреплени  балки к месту креплени  штока к балке; а - рассто ние от упругого шарнира до места креплени  штока к балке; f - прогиб балки. При выполнении услови -j- 7/ 1 обеспечиваетс  минимальна  нелинейность градуировочных характеристик преобразовател . Возможность расширени  рабочего диапазона температур устройства представлены на фиг,2, где приведены градуировочные характеристики предлагаемого преобразовател  давлени  при различных температурах в диапазоне от 20 до 315°С, В предлагаемом устройстве консольна  балка выполнена из сплава коваровой группы 29НК-материала, имеющего коэффициент линейного расширени  (КЛР), близкий к КЛР кремни . Дл  креплени  кремниевых тензорезисторов к балке использовалс  стеклоприпой , например типа C52-I, с КЛР, близким к кремнию и ковару, обладающий высокими упругими свойствами вплоть до +400 С. Стеклоприпой обеспечивает механически прочное соединение кремниевого тензорезистора с коваровой балкой. В качестве тензорезисторов использованы миниатюрные кремниевые тензорезисторы типа Кремнистор с платиновыми токовыводами и контактами, позвол ющие проводить термообработку до температуды оплавлени  стеклоприпо  . Использование коваровых сплавов дл  изготовлени  балки и стеклоприпо  дл  креплени  кремниевых тензорезисторов на балках позвол ет значительно расширить температурный диапазон работы преобразовател  в сторону высоких температур до +400°С и существенно улучшить воспроизводимость и -стабильность . метрологических характеристик, так как при этом сводитс  к минимуму ползучесть тензорезисторов, обусловленна  в зкоупругими свойствами св зующих и их изменением с температурой и во времени. Такое выполнение устройства позвол ет значительно расширить рабочий диапазон частот, улучшить воспроизводимость и линейность метрологических характеристик преобра эовател , а также значительно расширить рабочий диапазон температур от -60° до +400С.

Предлагаемое устройство может использоватьс  дл  измерени  давлений жидких и газообразных сред в широком динамическом диапазоне при повышенных и высоких температурах. Возможны области применени  - контроль технологических процессов, измерение давлени  при глубинном бурении нефт ных скважин, исследование параметров двигателей внутреннего сгорани .

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР ,№ 395797, кл. G 01 L 9/04, 1971.

2.Патент США W 3641416, кл. 3884 , 1969 (прототип).

(., мВ

го

п

IS

rt

12 10

б

S

ц г

10 15 20 фиг. 2