RU211954U1 - PRESSURE SENSOR - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, для использования в авиационной технике высотомеров. Технический результат заключается в повышении чувствительности при измерении давления. Чувствительный элемент датчика давления содержит упругую мембрану, закрепленную на кронштейне, присоединенном к объекту измерения, с образованием герметичной внутренней полости. В данную полость введены два электропроводящих диска, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальным зазором друг к другу, причем величина зазора превышает ход центра мембраны при максимальном внешнем давлении воздушной среды, первый диск закреплен в центре мембраны, а второй диск закреплен на торце токовывода. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

The utility model relates to the field of instrumentation, in particular, for use in aviation technology of altimeters. The technical result is to increase the sensitivity when measuring pressure. The sensitive element of the pressure sensor contains an elastic membrane fixed on a bracket attached to the object of measurement, with the formation of a sealed internal cavity. Two electrically conductive disks are introduced into this cavity, forming capacitor plates and located coaxially with a minimum gap to each other, and the gap exceeds the stroke of the membrane center at the maximum external air pressure, the first disk is fixed in the center of the membrane, and the second disk is fixed on the end face of the current lead. 2 w.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, для использования в авиационной технике высотомеров.The utility model relates to the field of instrumentation, in particular, for use in aviation technology of altimeters.

Принцип действия используемых в авиационной и ракетно-космической технике высотомеров основан на измерении атмосферного давления воздуха. В судостроении контроль герметичности больших замкнутых полостей в основном осуществляется по результатам изменения давления воздуха, накаченного в контролируемый объем. Датчики давления, применяемые для данных областей техники, должны обладать высокой точностью. Небольшое изменение атмосферного давления воздуха соответствует значительному повышению (понижению) высоты полета летательного аппарата (особенно это важно в слоях атмосферы, близких к земной поверхности).The principle of operation of altimeters used in aviation and rocket and space technology is based on the measurement of atmospheric air pressure. In shipbuilding, the control of the tightness of large closed cavities is mainly carried out by the results of changes in the pressure of the air pumped into the controlled volume. Pressure sensors used for these areas of technology must be highly accurate. A small change in atmospheric air pressure corresponds to a significant increase (decrease) in the flight altitude of an aircraft (this is especially important in atmospheric layers close to the earth's surface).

В настоящее время известны различные конструкции чувствительных элементов датчика давления, обеспечивающих измерение абсолютного давления воздушной среды. Однако они не обеспечивают с требуемой надежностью и точностью непрерывное измерение абсолютного давления внешней воздушной среды во всем возможном диапазоне высот нахождения летательного аппарата.At present, various designs of sensitive elements of the pressure sensor are known, which provide measurement of the absolute pressure of the air environment. However, they do not provide with the required reliability and accuracy a continuous measurement of the absolute pressure of the external air over the entire possible range of altitudes of the aircraft.

Известен чувствительный элемент абсолютного давления исполнительного коммутирующего устройства [патент РФ №2367050, МПК Н01Н 35/14, опубл. 10.09.2009], состоящий из двух мембран, припаянных по периферии к кольцу, выполненному из непроводящего ток материала (керамики) с образованием герметичной полости (анероидной коробки).Known absolute pressure sensor of the executive switching device [RF patent No. 2367050, IPC H01H 35/14, publ. 09/10/2009], consisting of two membranes soldered along the periphery to a ring made of a non-conductive material (ceramics) to form a sealed cavity (aneroid box).

Данный чувствительный элемент абсолютного давления может использоваться как в пороговых, так и в измерительных приборах с измерением (преобразованием) внешнего давления, например емкостного типа. Однако в измерительных приборах чувствительность элемента абсолютного давления, определяемая отношением изменения выходного сигнала - емкости - к вызывающему его изменению измеряемой величины - абсолютному давлению, будет невысокой из-за разного осевого перемещения разных зон упругих мембран при действии давления. Перемещение центра мембран будет наибольшим, с уменьшением величины осевого перемещения других зон мембраны вплоть до нуля у границы заделки мембран. По этой причине даже использование двух мембран не существенно повысит чувствительность известного элемента абсолютного давления. Кроме того, расстояние между мембранами у известного чувствительного элемента давления выполнить небольшим технологически сложно. По этой причине емкость конденсатора и изменение емкости на единицу давления образованного мембранами конденсатора будут также небольшими, что снизит чувствительность элемента абсолютного давления.This absolute pressure sensing element can be used in both threshold and measuring instruments with measurement (conversion) of external pressure, for example capacitive type. However, in measuring instruments, the sensitivity of the absolute pressure element, determined by the ratio of the change in the output signal - capacitance - to the change in the measured value causing it - the absolute pressure, will be low due to the different axial movement of different zones of elastic membranes under the action of pressure. The displacement of the center of the membranes will be the largest, with a decrease in the value of the axial displacement of other zones of the membrane down to zero at the boundary of the embedding of the membranes. For this reason, even the use of two membranes will not significantly increase the sensitivity of the known absolute pressure element. In addition, the distance between the membranes of the known pressure sensing element is technologically difficult to make small. For this reason, the capacitance of the capacitor and the change in capacitance per unit pressure of the capacitor formed by the membranes will also be small, which will reduce the sensitivity of the absolute pressure element.

Известен чувствительный элемент порогового датчика перепада давления из состава исполнительного коммутирующего устройства, принятый за прототип [патент РФ №2617708, МПК Н01Н 35/14, опубл. 26.04.2017], содержащий установленную и жестко закрепленную на кронштейне, присоединенном к объекту измерения, упругую мембрану с образованием герметичной внутренней полости. Данный чувствительный элемент датчика давления работоспособен при давлении в диапазоне до 1 атмосферы и может использоваться как в пороговых, так и в измерительных приборах.Known sensitive element of the threshold differential pressure sensor from the executive switching device adopted as a prototype [RF patent №2617708, IPC H01N 35/14, publ. 04/26/2017], containing an elastic membrane installed and rigidly fixed on a bracket attached to the measurement object with the formation of a sealed internal cavity. This sensitive element of the pressure sensor is operable at a pressure in the range up to 1 atmosphere and can be used in both threshold and measuring instruments.

Однако в измерительных приборах, например емкостного типа, чувствительность известного элемента давления также будет, как и в предыдущем аналоге, невысокой из-за разного осевого перемещения разных зон упругой мембраны при действии давления. Перемещение центра мембраны будет наибольшим с уменьшением величины осевого перемещения других зон мембраны вплоть до нуля у границы заделки мембраны.However, in measuring instruments, for example capacitive type, the sensitivity of the known pressure element will also be, as in the previous analogue, low due to different axial movement of different zones of the elastic membrane under pressure. The displacement of the membrane center will be the largest with a decrease in the magnitude of the axial displacement of other zones of the membrane down to zero at the boundary of the membrane embedding.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение чувствительности датчика давления.The technical result to be achieved by the claimed utility model is to increase the sensitivity of the pressure sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент датчика давления содержит упругую мембрану, закрепленную на кронштейне, присоединенном к объекту измерения, с образованием герметичной внутренней полости, согласно полезной модели во внутреннюю полость введены два электропроводящих диска, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальным зазором а друг к другу, при этом первый диск закреплен в центре мембраны, а второй диск закреплен на торце токовывода, установленного по оси симметрии кронштейна и герметично изолированного от него, причем, по крайней мере, на первом диске со стороны, обращенной ко второму диску, нанесено электроизоляционное покрытие, при этом величина зазора а превышает ход центра мембраны при максимальном внешнем давлении воздушной среды.The specified technical result is achieved by the fact that the sensitive element of the pressure sensor contains an elastic membrane fixed on a bracket attached to the object of measurement, with the formation of a sealed internal cavity, according to the utility model, two electrically conductive disks are introduced into the internal cavity, forming the capacitor plates and located coaxially with a minimum gap and to each other, while the first disk is fixed in the center of the membrane, and the second disk is fixed on the end face of the current outlet installed along the axis of symmetry of the bracket and hermetically isolated from it, and at least on the first disk from the side facing the second disk, an electrically insulating coating is applied, while the gap value a exceeds the stroke of the membrane center at the maximum external air pressure.

Введение в конструкцию чувствительного элемента давления двух электропроводящих дисков, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальным зазором а друг к другу, с закреплением первого диска в центре мембраны, а второго - на торце токовывода, установленного по оси симметрии кронштейна и герметично изолированного от него, обеспечивает повышение чувствительности элемента давления за счет плоскопараллельного перемещения первого диска по всей его площади с величиной, соответствующей перемещению центра мембраны. Минимальный зазор между дисками увеличивает емкость и изменение емкости на единицу давления образованного дисками конденсатора.Introduction into the design of the pressure sensitive element of two electrically conductive disks that form the capacitor plates and are located coaxially with a minimum gap a to each other, with the first disk fixed in the center of the membrane, and the second - at the end of the current outlet, installed along the axis of symmetry of the bracket and hermetically isolated from it, provides an increase in the sensitivity of the pressure element due to the plane-parallel movement of the first disk over its entire area with a value corresponding to the displacement of the center of the membrane. The minimum gap between the discs increases the capacitance and the capacitance change per unit pressure of the condenser formed by the discs.

Нанесение, по крайней мере, на первом диске со стороны, обращенной ко второму диску, электроизоляционного покрытия обеспечивает надежную работу образованного дисками конденсатора, даже при значительной взаимной непараллельности дисков вплоть до их касания вследствие этого.The application, at least on the first disk on the side facing the second disk, of an electrically insulating coating ensures reliable operation of the capacitor formed by the disks, even with significant mutual non-parallelism of the disks, up to their contact as a result.

Назначение зазора а превышающим ход центра мембраны при максимальном внешнем давлении воздушной среды исключает потерю работоспособности из-за возможного соприкосновения дисков по всей площади в диапазоне измерений давления.The purpose of the gap a exceeding the stroke of the center of the membrane at the maximum external air pressure eliminates the loss of performance due to the possible contact of the disks over the entire area in the pressure measurement range.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения повышения чувствительности датчика давления.Thus, the combination of all the above features creates the conditions for increasing the sensitivity of the pressure sensor.

Также для обеспечения надежного измерения давления внешней воздушной среды на значительных высотах и обеспечения снижения температурной погрешности чувствительного элемента давления внутренняя полость накачана остаточным давлением, которое ниже наименьшего внешнего давления воздушной среды.Also, to ensure reliable measurement of the pressure of the external air at considerable heights and to ensure the reduction of the temperature error of the pressure sensing element, the internal cavity is inflated with a residual pressure that is lower than the lowest external pressure of the air.

Также для возможности обеспечения технологичной настройки оптимального минимального зазора между образующими обкладки конденсатора дисками токовывод установлен с возможностью осевого перемещения относительно кронштейна и герметичной фиксации в отрегулированном положении.Also, in order to provide technological adjustment of the optimal minimum gap between the disks forming the capacitor plates, the current output is installed with the possibility of axial movement relative to the bracket and hermetic fixation in the adjusted position.

Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующим условию «новизны».The presence in the claimed utility model of features that distinguish it from the prototype, allows us to consider it as corresponding to the condition of "novelty".

Полезная модель иллюстрируется чертежами:The utility model is illustrated by the drawings:

на фиг. 1 представлен осевой разрез чувствительного элемента датчика давления при минимальном давлении внешней воздушной среды;in fig. 1 shows an axial section of the sensitive element of the pressure sensor at a minimum pressure of the external air;

на фиг. 2 - взаимное расположение первого и второго диска с максимальным зазором а при минимальном давлении внешней воздушной среды (увеличено);in fig. 2 - mutual arrangement of the first and second discs with a maximum gap a at a minimum pressure of the external air (enlarged);

на фиг. 3 - осевой разрез чувствительного элемента датчика давления при максимальном давлении внешней воздушной среды;in fig. 3 - axial section of the sensitive element of the pressure sensor at the maximum pressure of the external air;

на фиг. 4 - взаимное расположение первого и второго дисков с минимальным зазором а при максимальном давлении внешней воздушной среды (увеличено).in fig. 4 - mutual arrangement of the first and second discs with a minimum gap a at the maximum pressure of the external air (enlarged).

На указанных чертежах принимаются следующие обозначения:In these drawings, the following designations are accepted:

1 - кронштейн;1 - bracket;

2 - упругая мембрана;2 - elastic membrane;

3 - внутренняя полость датчика;3 - internal cavity of the sensor;

4 - первый диск;4 - the first disk;

5 - второй диск;5 - the second disk;

6 - токовывод;6 - current output;

7 - изолятор;7 - insulator;

8 - втулка;8 - bushing;

9 - накладка;9 - overlay;

10 - припой;10 - solder;

11 - отверстие для заполнения внутренней полости датчика.11 - hole for filling the internal cavity of the sensor.

Чувствительный элемент датчика давления выполнен следующим образом.The sensitive element of the pressure sensor is made as follows.

Чувствительный элемент датчика давления (фиг. 1-4) содержит кронштейн 1, присоединенный к объекту измерения (не показано). На кронштейне 1 закреплена, например, электродуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов, упругая мембрана 2 с образованием герметичной внутренней полости 3. Высокая герметичность сварного шва обеспечивается применением накладки 9, выполненной из того же материала, что и кронштейн 1, и исключающей прожоги упругой мембраны 2 из-за разной толщины кромок и материала свариваемых деталей. В кронштейне 1 через изолятор 7 и втулку 8 установлен токовывод 6. Во внутреннюю полость 3 введены два электропроводящих диска 4, 5, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальный зазором а друг к другу. В центре мембраны 2 сваркой закреплен первый диск 4, на торце токовывода 5 - второй диск 5. Оба диска электропроводящие. На смежные поверхности дисков 4, 5 или, по крайней мере, на поверхности одного из них нанесено изоляционное покрытие, например Хим. Фос. хр. для исключения взаимного электрического контакта дисков 4, 5 при ударных и вибрационных воздействиях, а также при неизбежной непараллельности диска 4 вследствие отличий в упругой деформации различных зон мембраны 2. Такое конструктивное исполнение даже при местном касании дисков 4, 5 обеспечивает работоспособность образованного дисками 4, 5 конденсатора, а закрепление первого диска 4 в центре упругой мембраны 2 обеспечивает наибольшее возможное перемещение всего диска 4.The sensitive element of the pressure sensor (Fig. 1-4) contains a bracket 1 attached to the measurement object (not shown). An elastic membrane 2 is fixed on the bracket 1, for example, by electric arc welding with a non-consumable tungsten electrode in a protective gas environment, with the formation of a sealed internal cavity 3. High tightness of the weld is ensured by using a lining 9, made of the same material as the bracket 1, and excluding burns elastic membrane 2 due to the different thickness of the edges and the material of the welded parts. In the bracket 1, through the insulator 7 and the bushing 8, a current output 6 is installed. Two electrically conductive disks 4, 5 are introduced into the internal cavity 3, forming the capacitor plates and located coaxially with a minimum gap a to each other. In the center of the membrane 2, the first disc 4 is fixed by welding, at the end of the current lead 5, the second disc 5. Both discs are electrically conductive. On the adjacent surfaces of the disks 4, 5, or at least on the surface of one of them, an insulating coating is applied, for example Chem. Phos. ridge to exclude mutual electrical contact of disks 4, 5 under shock and vibration effects, as well as in the event of inevitable non-parallelism of disk 4 due to differences in the elastic deformation of various zones of the membrane 2. capacitor, and fixing the first disk 4 in the center of the elastic membrane 2 provides the greatest possible movement of the entire disk 4.

Величина зазора а обеспечивается установленным во втулке 8 с возможностью осевого перемещения относительно кронштейна 1 токовывода 6. При максимальном внешнем давлении воздушной среды величина зазора а превышает ход центра упругой мембраны 2, а следовательно и диска 4, в диапазоне измерения давления, но в то же время величина зазора должна быть минимальной для обеспечения наибольшей емкости и наибольшего изменения емкости на единицу измеряемого давления, образованного дисками 4, 5 конденсатора, а следовательно и чувствительности элемента давления.The gap value a is provided by installed in the sleeve 8 with the possibility of axial movement relative to the bracket 1 of the current outlet 6. At the maximum external air pressure, the gap a exceeds the stroke of the center of the elastic membrane 2, and hence the disk 4, in the pressure measurement range, but at the same time the size of the gap should be minimal to ensure the largest capacitance and the largest change in capacitance per unit of measured pressure formed by the disks 4, 5 of the capacitor, and hence the sensitivity of the pressure element.

После выставки зазора а в отрегулированном положении токовывод 6 и втулку 8 взаимно герметично сваривают по окружности для исключения изменения давления во внутренней полости 3, а следовательно обеспечения надежной работы элемента давления в течение длительного срока эксплуатации. В полости 3 через отверстие 11 создают разрежение, не превышающее наименьшее давление в требуемом диапазоне измерения и составляющее, например, 10-20 мм рт.ст. После создания указанного разряжения полость 3 герметизируют припоем 10, предварительно нанесенным на мембрану 2. Отверстие 11 выполняют одновременно в припое 10, мембране 2 и диске 4, например, непосредственно при сборке элемента датчика давления. Создание разряжения в полости 3, не превышающего наименьшее давление в диапазоне измерения, обеспечивает измерение давления на значительной высоте, а также снижает температурную погрешность чувствительного элемента давления в широком диапазоне температур эксплуатации.After setting the gap a in the adjusted position, the current output 6 and the bushing 8 are mutually hermetically welded around the circumference to prevent pressure changes in the internal cavity 3, and therefore ensure reliable operation of the pressure element for a long service life. In the cavity 3 through the hole 11 create a vacuum that does not exceed the lowest pressure in the required measurement range and is, for example, 10-20 mm Hg. After creating the specified vacuum, cavity 3 is sealed with solder 10 previously applied to membrane 2. Hole 11 is made simultaneously in solder 10, membrane 2 and disk 4, for example, directly during assembly of the pressure sensor element. The creation of vacuum in the cavity 3, which does not exceed the lowest pressure in the measurement range, ensures the measurement of pressure at a considerable height, and also reduces the temperature error of the pressure sensor in a wide range of operating temperatures.

Чувствительный элемент датчика давления работает следующим образом.The sensitive element of the pressure sensor works as follows.

При действии давления внешней воздушной среды на внешнюю поверхность мембраны 2, она упруго прогибается, отслеживая это давление с наибольшим прогибом в центре мембраны 2. Диск 4, закрепленный в центре мембраны 2 с ее внутренней стороны, повторяет этот прогиб, изменяя зазор а, а следовательно и емкость образованного дисками 4, 5 конденсатора. По значению этой емкости электронная схема (на фигурах не показана) выдает значение действующего внешнего давления. Чувствительный элемент датчика давления обеспечивает преобразование внешнего давления воздушной среды в выходное значение емкости образованного дисками 4, 5 конденсатора. При использовании чувствительного элемента датчика давления в баровысотомере может обеспечиваться контроль высоты в диапазоне от 0 до 20 км.When the pressure of the external air environment acts on the outer surface of the membrane 2, it elastically bends, tracking this pressure with the largest deflection in the center of the membrane 2. The disk 4, fixed in the center of the membrane 2 from its inner side, repeats this deflection, changing the gap a, and therefore and the capacitance of the capacitor formed by the disks 4, 5. Based on the value of this capacitance, the electronic circuit (not shown in the figures) outputs the value of the effective external pressure. The sensitive element of the pressure sensor provides the conversion of the external pressure of the air into the output value of the capacitance formed by the disks 4, 5 of the capacitor. When using the sensitive element of the pressure sensor in the barometric altimeter, altitude control can be provided in the range from 0 to 20 km.

Кроме того, заявляемый чувствительный элемент датчика давления может быть использован (подключен к измерительной схеме) совместно с подсоединенным к объекту измерения вторым аналогичным чувствительным элементом для измерения давления по разности емкостей на заявляемом и втором чувствительном элементе, причем внутренний объем второго чувствительного элемента должен быть негерметичен, что обеспечивает снижение температурной погрешности элемента давления в широком диапазоне температур эксплуатации, а также погрешности от воздействия линейных ускорений и вибрации, например, на траектории полета в составе летательного аппарата. Указанные преимущества значительно расширяют эксплуатационные возможности и область применения заявляемого чувствительного элемента датчика давления.In addition, the inventive sensitive element of the pressure sensor can be used (connected to the measuring circuit) in conjunction with a second similar sensitive element connected to the measurement object to measure pressure by the difference in capacitances on the claimed and the second sensitive element, and the internal volume of the second sensitive element must be leaky, which provides a reduction in the temperature error of the pressure element in a wide range of operating temperatures, as well as errors from the effects of linear accelerations and vibration, for example, on the flight path as part of an aircraft. These advantages greatly expand the operational capabilities and scope of the proposed sensitive element of the pressure sensor.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения повышения чувствительности заявляемого чувствительного элемента датчика давления.Thus, the combination of all the above features creates the conditions for increasing the sensitivity of the proposed sensitive element of the pressure sensor.

Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:The presented information testifies to the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed utility model:

устройство, воплощающее заявляемую полезную модель, при его осуществлении относится к области приборостроения, в частности, для использования в авиационной технике высотомеров;a device that embodies the claimed utility model, in its implementation relates to the field of instrumentation, in particular, for use in aviation technology altimeters;

средство, воплощающее заявляемую полезную модель, при его осуществлении предназначено для повышения чувствительности датчика давления;means embodying the claimed utility model, in its implementation is designed to increase the sensitivity of the pressure sensor;

для заявляемого чувствительного элемента датчика давления в том виде, в котором он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.for the claimed sensitive element of the pressure sensor in the form in which it is characterized in the formula of the utility model, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application and known before the priority date is confirmed.

Следовательно, заявленный чувствительный элемент датчика давления соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed sensitive element of the pressure sensor meets the condition of "industrial applicability".

Claims (3)

1. Чувствительный элемент датчика давления, содержащий упругую мембрану, закрепленную на кронштейне, присоединенном к объекту измерения, с образованием герметичной внутренней полости, отличающийся тем, что во внутреннюю полость введены два электропроводящих диска, образующих обкладки конденсатора и расположенных соосно с минимальным зазором (а) друг к другу, при этом первый диск закреплен в центре мембраны, а второй диск закреплен на торце токовывода, установленного по оси симметрии кронштейна и герметично изолированного от него, причем, по крайней мере, на первом диске со стороны, обращенной ко второму диску, нанесено электроизоляционное покрытие, при этом величина зазора (а) превышает ход центра мембраны при максимальном внешнем давлении воздушной среды.1. The sensitive element of the pressure sensor, containing an elastic membrane mounted on a bracket attached to the measurement object, with the formation of a sealed internal cavity, characterized in that two electrically conductive disks are introduced into the internal cavity, forming the capacitor plates and arranged coaxially with a minimum gap (a) to each other, while the first disk is fixed in the center of the membrane, and the second disk is fixed on the end face of the current outlet installed along the axis of symmetry of the bracket and hermetically isolated from it, and at least on the first disk from the side facing the second disk, applied electrically insulating coating, while the size of the gap (a) exceeds the stroke of the center of the membrane at the maximum external air pressure. 2. Чувствительный элемент датчика давления по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя полость накачана остаточным давлением, которое ниже наименьшего внешнего давления воздушной среды.2. The sensitive element of the pressure sensor according to claim 1, characterized in that the internal cavity is inflated with a residual pressure that is lower than the lowest external pressure of the air. 3. Чувствительный элемент датчика давления по пп. 1, 2, отличающийся тем, что токовывод установлен с возможностью осевого перемещения относительно кронштейна и герметичной фиксации в отрегулированном положении.3. The sensitive element of the pressure sensor according to paragraphs. 1, 2, characterized in that the current lead is installed with the possibility of axial movement relative to the bracket and tight fixation in the adjusted position.

Images