RU2166741C2 - Pressure transducer - Google Patents

Abstract

FIELD: instrumentation; control and regulation systems. SUBSTANCE: proposed transducer has housing with union, diaphragm connected by rod with middle part of flexible beam fastened by ends of base. Flexible beam is made in form of rectangular parallelepiped with resistance strain gauges located on outer surface. Through holes are made on sides of flexible beam. Through holes perpendicular to longitudinal axis form thickenings outside the zones of mounting of resistance strain gauges. Through slots made in sides of flexible beam in parallel to surface on which resistance strain gauge are mounted form jumper and connect ends of beams. Through hole is made in central part of jumper symmetrically relative to beam cross axis. Sizes of this through hole exceed cross sizes of rod. Rod is partially fitted in jumper hole. EFFECT: increased sensitivity of transducer with provision of required reliability and stability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления в различных областях науки и техники, в том числе в системах управления, регулирования и контроля, где требуется повышенная надежность, точность и чувствительность. The invention relates to measuring equipment, in particular to sensors designed to measure pressure in various fields of science and technology, including control, regulation and control systems, where increased reliability, accuracy and sensitivity are required.

Известен датчик давления, содержащий корпус со штуцером, установленное в корпусе основание с прикрепленной к нему упругой балкой с размещенными вдоль ее продольной оси тензорезисторами, соединенными в мостовую схему, мембрану, связанную с центом упругой балки с помощью штока, пропущенного через отверстие основания, контактную колодку, соединяющую контактные площадки тензорезисторов с внешними выводами, причем упругая балка выполнена на дне чаши вдоль оси симметрии, а чаша расположена с радиальным зазором внутри полости, выполненной в основании, и прикреплена к нему своей отбортовкой (авт. свид. СССР N 1778569, кл. Q 01 L 9/04). A pressure sensor is known, comprising a housing with a fitting, a base installed in the housing with an elastic beam attached to it with strain gages located along its longitudinal axis connected to a bridge circuit, a membrane connected to the center of the elastic beam using a rod passed through the hole of the base, a contact block connecting the contact pads of strain gauges with external terminals, moreover, the elastic beam is made at the bottom of the bowl along the axis of symmetry, and the bowl is located with a radial clearance inside the cavity, made in warping, and is secured to it with its eyelet (auth. svid. USSR N 1778569, cl. Q 01 L 9/04).

Недостатком известной конструкции датчика давления является невысокая надежность. Это объясняется тем, что вследствие выполнения упругой балки на дне чаши, ее изготавливают путем поперечного разреза прутка из прецизионного сплава. Вследствие анизотропии механических свойств прутка по его толщине и продольного расположения волокон материала, балка обладает неравномерным распределением механических характеристик по ее длине, что существенно снижает устойчивость и усталостную прочность балки к многоцикловым воздействиям измеряемого давления, особенно если они связаны с одновременным воздействием широкого диапазона температур, что приводит к выходу датчика из строя вследствие его отказа после определенной наработки. Надежность известной конструкции недостаточна также вследствие ухудшения механических характеристик балки, в частности вследствие трудноубираемых механических и термических деформаций в результате присоединения контактной колодки, размещенной в непосредственной близости от балки. Кроме того, воздействие повышенной температуры при сварке контактной колодки с чашей приводит к появлению потенциальной ненадежности тензорезисторов, которая часто не может быть выявлена непосредственно в процессе изготовления и проявляется в процессе эксплуатации в виде скачкообразных изменений или деградации сопротивлений тензорезисторов, что также приводит к снижению надежности. A disadvantage of the known design of the pressure sensor is its low reliability. This is due to the fact that due to the elastic beam at the bottom of the bowl, it is made by cross-section of a bar of precision alloy. Due to the anisotropy of the mechanical properties of the rod along its thickness and the longitudinal arrangement of the material fibers, the beam has an uneven distribution of mechanical characteristics along its length, which significantly reduces the stability and fatigue strength of the beam to the multi-cycle effects of the measured pressure, especially if they are associated with the simultaneous exposure to a wide temperature range, which leads to the failure of the sensor due to its failure after a certain operating time. The reliability of the known design is also insufficient due to the deterioration of the mechanical characteristics of the beam, in particular due to hard-to-clean mechanical and thermal deformations as a result of connecting a contact block located in the immediate vicinity of the beam. In addition, the effect of increased temperature during welding of the contact block with the cup leads to the appearance of potential unreliability of the strain gages, which often cannot be detected directly during the manufacturing process and manifests itself during operation in the form of spasmodic changes or degradation of the resistance of the strain gages, which also leads to a decrease in reliability.

Другим недостатком известной конструкции является неудовлетворительная точность измерений, вызванная неравномерным распределением механических характеристик балки вследствие, как было показано ранее, выполнения упругой балки на дне чаши, приводящим к неточному преобразованию измеряемого давления в необходимое деформационное поле балки. Кроме того, точность измерений недостаточна вследствие ограниченной чувствительности примененной упругой белки из-за невозможности изготовления очень тонких балок вследствие потери устойчивости в результате воздействия остаточных деформаций после механической обработки поверхности размещения тензорезисторов. Точность измерений недостаточна также вследствие влияния термодеформаций контактной колодки, а через жесткие токопроводы и корпус на упругую балку из-за размещения контактной колодки в непосредственной близости от балки. Кроме того, точность измерений известного датчика неудовлетворительна вследствие дополнительной температурой погрешности, возникающей за счет включения в плечи мостовой схемы сравнительно больших сопротивлений микропроводов, имеющих существенно больший по сравнению с тензорезисторами ТКС. Кроме того, точность измерений известного датчика снижена вследствие перегрева током питания центральных частей тензорезисторов из-за нахождения их на суженных участках балки. Another disadvantage of the known design is the unsatisfactory measurement accuracy caused by the uneven distribution of the mechanical characteristics of the beam due to, as previously shown, the execution of the elastic beam at the bottom of the bowl, leading to inaccurate conversion of the measured pressure into the required deformation field of the beam. In addition, the accuracy of the measurements is insufficient due to the limited sensitivity of the applied elastic protein due to the impossibility of manufacturing very thin beams due to loss of stability as a result of the influence of residual deformations after machining the surface of the strain gauge placement. The measurement accuracy is also insufficient due to the influence of thermal deformations of the contact block, and through the hard conductors and the housing on the elastic beam due to the placement of the contact block in the immediate vicinity of the beam. In addition, the measurement accuracy of the known sensor is unsatisfactory due to the additional error temperature arising due to the inclusion of relatively large microwire resistances in the shoulders of the bridge circuit, which have a significantly higher resistance compared to the TCS strain gages. In addition, the measurement accuracy of the known sensor is reduced due to overheating by the supply current of the central parts of the strain gauges due to their presence on the narrowed sections of the beam.

Недостатком известного датчика являются также ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности размещения на балке дополнительных тензорезисторов и других элементов, необходимых для организации дополнительного независимого канала измерения или для организации систем диагностирования вследствие ограниченных поперечных размеров балки в местах размещения тензорезисторов. A disadvantage of the known sensor is also limited functionality, consisting in the impossibility of placing additional strain gages and other elements on the beam necessary for organizing an additional independent measurement channel or for organizing diagnostic systems due to the limited transverse dimensions of the beam in the locations of the strain gages.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому датчику является датчик давления, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов (патент РФ N 2082125, кл. G 01 L 9/04). The closest in technical essence to the proposed sensor is a pressure sensor containing a housing with a fitting, a membrane connected by a rod to the central part, mounted on the base of its elastic beam in the form of a rectangular parallelepiped, on the outer surface of which are strain gauges, and in its side through holes are made in the faces under the strain gauge placement zones, the longitudinal axes of which are perpendicular to the longitudinal axis of the parallelepiped, forming thickenings outside the zones of placement of t Resistors (RF patent N 2082125, CL G 01 L 9/04).

Недостатком известной конструкции является невысокая чувствительность, объясняемая сравнительно большой жесткостью балки в направлении воздействия давления. Недостаточная чувствительность известной конструкции приводит к понижению точности измерения сравнительно малых значений давления вследствие пониженных уровней выходного сигнала с датчика и вследствие увеличения порога чувствительности датчика. A disadvantage of the known design is its low sensitivity, due to the relatively high stiffness of the beam in the direction of pressure. The insufficient sensitivity of the known design leads to a decrease in the accuracy of measurement of relatively small pressure values due to lower levels of the output signal from the sensor and due to an increase in the sensitivity threshold of the sensor.

Согласно предлагаемому изобретению в датчике давления, содержащем корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов, в боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, соединяющие отверстия и образующие перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки. According to the invention, in a pressure sensor comprising a housing with a fitting, a membrane connected by a rod with a central part, mounted on the base of its elastic beam in the form of a rectangular parallelepiped, on the outer surface of which are strain gauges, and in its side faces under the zones of the strain gauges through holes are made, the longitudinal axes of which are perpendicular to the longitudinal axis of the parallelepiped, forming thickenings outside the zones of the placement of strain gages, in the lateral faces of the through beams made through slots parallel to the surface of the strain gauge, connecting the holes and forming a jumper connecting the ends of the beam to each other, and in the Central part of the jumper symmetrically relative to the transverse axis of the beam, a through hole with dimensions exceeding the transverse dimensions of the rod is made, and the rod is partially placed in the hole jumpers.

Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигнутым техническим результатом рассмотрим более подробно конструкцию датчика. Выполнение сквозных прорезей, соединяющих отверстия, позволяет существенно снизить жесткость балки в направлении воздействия давления, а следовательно, повысить чувствительность, так как в этом случае под воздействием измеряемого давления деформируются только наиболее тонкие участки в верхней части балки, а нижняя часть балки практически не деформируется и не увеличивает общую жесткость балки. Образование с помощью прорезей перемычки, соединяющей концы балки, обеспечивает сочетание необходимой надежности и устойчивости измерений давления с повышением чувствительности за счет сквозных прорезей. Это объясняется следующим образом. Повышение чувствительности возможно и при отсутствии перемычки только за счет применения сквозных прорезей, соединяющих отверстия, но тогда, как показали экспериментальные исследования, происходит изменение формы балки вследствие ее изгиба, заключающееся в подъеме концов балки относительно ее центральной части в процессе изготовления в результате воздействия остаточных термомеханических напряжений. Деформирование балки при ее изготовлении еще до момента ее закрепления на основании приводит или к невозможности формирования тензорезистивной схемы вследствие значительной кривизны балки, или к значительным, превышающим допустимые значения деформациям тензорезисторов. При наличии же перемычки, соединяющей концы балки, не происходит деформация балки при ее изготовлении, так как перемычка как бы стягивает концы балки и не дает им расходиться. Таким образом, сквозные прорези, с одной стороны, обеспечивают повышение чувствительности к измеряемому давлению за счет уменьшения жесткости балки к воздействию измеряемого давления, а с другой стороны, обеспечивают необходимую надежность за счет сохранения необходимой жесткости в направлении, перпендикулярном воздействию измеряемого давления. Сквозные прорези выполнены параллельно поверхности размещения тензорезисторов для обеспечения равномерного распределения по длине балки уменьшения ее жесткости измеряемому давлению и равного распределения по длине балки увеличения жесткости в направлении, перпендикулярном воздействию измеряемого давления. Выполнение в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки сквозного отверстия с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и частичное размещение штока в отверстии перемычки обеспечивают приложение усилия от воздействия измеряемого давления к центру деформируемой части балки без касания перемычки и тем самым обеспечивают уменьшение жесткости балки измеряемому давлению, т.е. повышают чувствительность балки и одновременно сохраняют необходимую жесткость в направлении, перпендикулярном воздействию давления, т.е. обеспечивают необходимую надежность и устойчивость измерения давления. To justify the presence of a causal relationship between the set of essential features and the achieved technical result, we consider in more detail the design of the sensor. The implementation of through slots connecting the holes can significantly reduce the stiffness of the beam in the direction of pressure, and therefore increase the sensitivity, since in this case only the thinnest sections in the upper part of the beam are deformed under the influence of the measured pressure, and the lower part of the beam is practically not deformed and does not increase the overall rigidity of the beam. The formation with the slots of a jumper connecting the ends of the beam provides a combination of the necessary reliability and stability of pressure measurements with an increase in sensitivity due to through slots. This is explained as follows. An increase in sensitivity is possible even in the absence of a jumper due to the use of through slots connecting the holes, but then, as experimental studies have shown, the shape of the beam changes due to its bending, which consists in raising the ends of the beam relative to its central part during manufacturing as a result of exposure to residual thermomechanical stresses. The deformation of the beam during its manufacture even before it is fixed on the base leads either to the impossibility of forming a strain gauge due to the significant curvature of the beam, or to significant deformations of the strain gauges that exceed the permissible values. If there is a jumper connecting the ends of the beam, the beam does not deform during its manufacture, since the jumper, as it were, pulls together the ends of the beam and prevents them from diverging. Thus, through the slots, on the one hand, provide increased sensitivity to the measured pressure by reducing the stiffness of the beam to the measured pressure, and on the other hand, provide the necessary reliability by maintaining the necessary stiffness in the direction perpendicular to the measured pressure. Through slots are made parallel to the surface of the strain gages to ensure uniform distribution along the length of the beam to reduce its rigidity to the measured pressure and equal distribution along the length of the beam to increase the stiffness in the direction perpendicular to the measured pressure. The execution in the central part of the jumper symmetrically with respect to the transverse axis of the beam of the through hole with dimensions exceeding the transverse dimensions of the rod, and the partial placement of the rod in the hole of the jumper provide the application of force from the influence of the measured pressure to the center of the deformable part of the beam without touching the jumper and thereby reduce the rigidity of the beam to be measured pressure i.e. increase the sensitivity of the beam and at the same time maintain the necessary rigidity in the direction perpendicular to the pressure, i.e. provide the necessary reliability and stability of pressure measurement.

На чертеже показана конструкция предлагаемого датчика давления. The drawing shows the design of the proposed pressure sensor.

Соотношения между элементами конструкции для наглядности изменены. Датчик давления содержит корпус 1 со штуцером 2, мембрану 3, связанную при помощи штока 4 с центральной частью, закрепленной на основании 5 своими концами упругой балки 6 в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы 8. В боковых гранях балки под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия 9, 10, 11, 12, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов. В боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези 13, 14, 15, 16, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, соединяющие отверстия и образующие перемычку 17, соединяющую концы балки между собой. В центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие 18 с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки. The relationships between structural elements have been changed for clarity. The pressure sensor comprises a housing 1 with a fitting 2, a membrane 3 connected by a rod 4 to the central part, fixed on the base 5 by its ends of the elastic beam 6 in the form of a rectangular parallelepiped, on the outer surface of which there are strain gauges 8. In the side faces of the beam under the placement zones through the openings 9, 10, 11, 12, the longitudinal axes of which are perpendicular to the longitudinal axis of the parallelepiped, forming thickenings outside the zones of the placement of the strain gages. In the lateral faces of the elastic beam, through slots 13, 14, 15, 16 are made, parallel to the strain gauge placement surfaces, connecting the holes and forming a jumper 17 connecting the ends of the beam to each other. In the central part of the jumper symmetrically relative to the transverse axis of the beam, a through hole 18 is made with dimensions exceeding the transverse dimensions of the rod, and the rod is partially placed in the hole of the jumper.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 3. Мембрана 3, а вместе с ней и упругая балка 6 деформируются. Деформация упругой балки воспринимается размещенными на ней тензорезисторами 8. Изменения сопротивлений тензорезисторов, вызванные деформацией балки 6, преобразуются мостовой схемой, в которую включены тензорезисторы 8, в выходное напряжение, снимаемое с внешних выводов датчика. The pressure sensor operates as follows. The measured pressure acts on the membrane 3. The membrane 3, and with it the elastic beam 6 are deformed. The deformation of the elastic beam is perceived by the strain gauges 8 placed on it. Changes in the resistance of the strain gauges caused by the deformation of the beam 6 are converted by the bridge circuit, which includes the strain gauges 8, into the output voltage taken from the external terminals of the sensor.

В связи с выполнением конструкции в соответствии с заявляемым решением обеспечивается сочетание необходимой чувствительности за счет уменьшения жесткости балки к измеряемому давлению и надежности за счет сохранения требуемой жесткости в направлении, перпендикулярном воздействие измеряемого давления. Как показали экспериментальные исследования, заявляемая конструкция по сравнению с конструкцией по прототипу при тех же самых габаритно-массовых характеристиках обладает в 2,5-3 раза большей чувствительностью при сохранении необходимой надежности и устойчивости измерений. In connection with the implementation of the design in accordance with the claimed solution, a combination of the necessary sensitivity is provided by reducing the beam stiffness to the measured pressure and reliability by maintaining the required stiffness in the direction perpendicular to the measured pressure. As shown by experimental studies, the claimed design in comparison with the design of the prototype with the same overall mass characteristics has a 2.5-3 times greater sensitivity while maintaining the necessary reliability and stability of measurements.

Claims (1)

Датчик давления, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании концами упругой балки в виде прямоугольного параллепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси параллелепипеда, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов, отличающийся тем, что в боковых гранях упругой балки выполнены сквозные прорези, параллельные поверхности размещения тензорезисторов, соединяющие отверстия и образующие перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки. A pressure sensor comprising a housing with a fitting, a membrane connected by a rod with a central part fixed on the base of the ends of an elastic beam in the form of a rectangular parallelepiped, on the outer surface of which strain gages are placed, and through holes are made in its lateral faces under the zones of the strain gages the axes of which are perpendicular to the longitudinal axis of the parallelepiped, forming thickenings outside the zones of the placement of strain gages, characterized in that in the lateral faces of the elastic beam are made through openings parallel to the surface of the strain gages, connecting the holes and forming a jumper connecting the ends of the beam to each other, and in the central part of the jumper symmetrically relative to the transverse axis of the beam, a through hole with dimensions exceeding the transverse dimensions of the rod is made, and the rod is partially located in the hole of the jumper.