Датчик дифференциального давления

Полезная модель относится к технике полупроводниковых приборов, в частности, к изготовлению тензодатчиков механических величин с использованием тензочувствительных полупроводниковых резисторов. Технический результат - создание датчика дифференциального давления с двумя мембранами, обладающей повышенным временем работы в агрессивных средах. Датчик дифференциального давления, включает опору (1) мембран, первую мембрану (2), принимающую давление P₁ первого замкнутого объема, толкатель (3), соединяющий первую мембрану (2) со второй мембраной (4), на которой расположены тензорезисторы (5), а также полость (6) между мембранами, причем опора (1) выполнена из двух сваренных между собой элементов: первого опорного кольца (7), соединенного с первой мембраной (2), и второго опорного кольца (8), соединенного со второй мембраной (4), а полость (6) через неплотности сварного соединения (9) первого и второго опорных колец (7, 8) соединена со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂. 2 фиг.

Полезная модель относится к технике полупроводниковых приборов, в частности, к изготовлению тензодатчиков механических величин с использованием тензочувствительных полупроводниковых резисторов.

Наиболее близким по технической сущности является датчик давления, включающий соединенную с опорой первую мембрану, принимающую давление, которая соединена толкателем со второй мембраной, также соединенной с опорой через жесткую компенсационную мембрану. Между двумя мембранами выполнена замкнутая полость. Деформация второй мембраны превращается тензочувствительными полупроводниковыми резисторами (тензорезисторами), расположенными на второй мембране, в электрический сигнал, регистрируемый измерительной аппаратурой. В известном датчике давление измеряется относительно давления внутри замкнутой полости.

(DE 10131688, G01L 9/00, G01L 9/04, опубл. 2002.07.04)

Известный датчик давления может использоваться как датчик дифференциального давления в магистрали, содержащей газ, поскольку измеряет давление в магистрали относительно давления в замкнутой полости между мембранами. Он также может измерять разность давление между двумя магистралями, в которых находятся различающиеся вещества, при условии соединения внутренней полости между мембранами с другой (второй) магистралью. Однако использование известного датчика ограничено при наличии во второй магистрали коррозионно-агрессивных и/или абразивных веществ. При соединении полости между мембранами со второй магистралью коррозионно-активные вещества (агрессивные газы, пары, капли масел, жидкостей, твердые частицы) легко попадают в полость между мембранами, что со временем в результате коррозии и/или эрозии чувствительных элементов мембран может привести к значительным изменениям параметров датчика давления или его выходу из строя.

Задачей и техническим результатом полезной модели является создание датчика дифференциального давления с двумя мембранами, обладающей повышенным временем работы в агрессивных средах.

Технический результат достигается тем, что датчик дифференциального давления, включает опору (1) мембран, первую мембрану (2), принимающую давление P₁ первого замкнутого объема, толкатель (3), соединяющий первую мембрану (2) со второй мембраной (4), на которой расположены тензорезисторы (5), а также полость (6) между мембранами, причем опора (1) выполнена из двух сваренных между собой элементов: первого опорного кольца (7), соединенного с первой мембраной (2), и второго опорного кольца (8), соединенного со второй мембраной (4), а полость (6) через неплотности сварного соединения (9) первого и второго опорных колец (7, 8) соединена со вторым замкнутым объемом с давлением P₂.

Кроме того, первая и вторая мембраны (2, 4) выполнены в виде дисковых мембран с жестким центром; первое опорное кольцо (7) выполнено в виде диска с отверстием для прохода толкателя (3) и снабжено кольцевым выступом (10) для соединения с первой мембраной (2) по ее периферии; между плоскостями первой мембраны (2) и первого опорного кольца (7) выполнен зазор (11); неплотности сварного соединения первого и второго опорных колец (7, 8) образованы выполнением прерывистого сварного шва; площадь первой мембраны (2) больше площади второй мембраны (4).

Полезная модель быть проиллюстрировано рисунком мембран на опоре из двух элементов (фиг.1, вид сбоку), а также рисунком датчика избыточного давления, включающего мембраны на опоре из двух элементов (фиг.2, вид сбоку), где:

1 - опора мембран;

2 - первая мембрана;

3 - толкатель;

4 - вторая мембрана;

5 - тензодатчик (тензочувствительный полупроводниковый резистор);

6 - полость между мембранами;

7 - первое опорное кольцо;

8 - второе опорное кольцо;

9 - сварное соединение опорных колец(7, 8);

10 - кольцевой выступ первого опорного кольца;

11 - зазор между плоскостями первой мембраны (2) и первого опорного кольца (7).

12 - средство соединения датчика с первым замкнутым объемом с давлением Р₁;

13 - средство соединения полости между мембранами (6) со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂.

При наличии в датчике дифференциального давления по полезной модели двух мембран (2, 4) с жестким центром на опоре (1), которые имеют разную площадь и которые соединены толкателем (3), имеет место эффект усиления (мультипликации) давления P₁ в первом замкнутом объеме, что позволяет использовать датчик для измерения малых разностей давлений. Выполнение опоры (1) мембран из двух сваренных между собой элементов: первого и второго опорных колец (7, 8), сварное соединение которых имеет неплотности (сквозные отверстия, непровар, отсутствие части сварного шва и т.п.), позволяет создать канал (каналы), соединяющий (-щие) полость (6) между мембранами со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂ , величина которого отличается от давления давления P₁ в первом замкнутом объеме. Неплотности сварного соединения (9) - сварного шва, имеющие малый размер, работают как фильтр, препятствуя попаданию в полость (6) частиц агрессивных веществ из второго замкнутого объема, что увеличивает время надежной работы датчика дифференциального давления по полезной модели.

Мембраны по полезной модели и элементы опоры (1) изготавливают преимущественно токарной обработкой из нержавеющей стали типа 03X11H10M2T или титанового сплава ВТ 22 с высоким модулем упругости. Средства соединения (12, 13) датчика с первым замкнутым объемом с давлением P₁ и полости между мембранами (6) со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂ изготавливают из стали типа 12X18H10T.

Пример 1. Был изготовлен датчик по полезной модели, мембраны которого (2, 4), толкатель (3) и элементы опоры (7, 8) были выполнены из стали 03X11H10M2T. Первая дисковая мембрана (2) диаметром 20 мм была выполнена с жестким центром путем проточки кольцевой канавки шириной 2,5 мм и внешним диаметром 18 мм. Первая мембрана по периферии соединялась сваркой кольцевым выступом (10) первого опорного кольца (7), выполненного в виде диска с центральным отверстием для прохода толкателя (3). Между плоскостями первой мембраной (2) и первого опорного кольца (7) был выполнен зазор (11) для ограничения хода мембраны. Вторая дисковая мембрана (4) диаметром 10 мм была выполнена с жестким центром путем проточки кольцевой канавки с внешним диаметром 7 мм и внутренним диаметром 3 мм. Данная мембрана соединялась сваркой с толкателем (3) и по периферии - со вторым опорным кольцом (8). Соединение опорных колец (7, 8) осуществляли лазерной сваркой. Неплотности сварного соединения (9) осуществляли формированием прерывистого (пунктирного) сварного шва путем прерывания лазерного луча. На 5 мм сварного шва величина непровара составила 1 мм (величина зазора в 20 мкм между свариваемыми элементами задается требованиями под сварку). После соединения первой мембраны (2) с толкателем (3) на поверхность второй мембраны (4) известными способами наносили тензорезисторы (5) и соединяли их в измерительный мост Уитстона. Сборку, содержащую две мембраны, соединяли сваркой со средством соединения (12) датчика с первым замкнутым объемом с давлением P₁.

Средство соединения полости между мембранами (6) со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂ было выполнено в виде цилиндра с внутренней кольцевой полостью, которая через неплотности сварного соединения (9) соединялась с полостью между мембранами (6).

Средство соединения (13) полости между мембранами (6) со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂ устанавливали как показано на фиг.2 и приваривали к элементам датчика герметичным сварным швом.

Испытания датчика дифференциального давления по полезной модели в двух магистралях, содержащих частицы масла и абразивной пыли при температурах до 130°С, показали стабильную работу датчика в течение 1500 часов.

1. Датчик дифференциального давления, включающий опору (1) мембран, первую мембрану (2), принимающую давление P₁ первого замкнутого объема, толкатель (3), соединяющий первую мембрану (2) со второй мембраной (4), на которой расположены тензорезисторы (5), а также полость (6) между мембранами, отличающийся тем, что опора (1) выполнена из двух сваренных между собой элементов: первого опорного кольца (7), соединенного с первой мембраной (2), и второго опорного кольца (8), соединенного со второй мембраной (4), а полость (6) через неплотности сварного соединения (9) первого и второго опорных колец (7, 8) соединена со вторым замкнутым объемом с давлением Р₂.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая мембраны (2, 4) выполнены в виде дисковых мембран с жестким центром.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первое опорное кольцо (7) выполнено в виде диска с отверстием для прохода толкателя (3) и снабжено кольцевым выступом (10) для соединения с первой мембраной (2) по ее периферии.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что между плоскостями первой мембраны (2) и первого опорного кольца (7) выполнен зазор (11).

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что неплотности сварного соединения первого и второго опорных колец образованы выполнением прерывистого сварного шва.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что площадь первой мембраны (2) больше площади второй мембраны (4).