Датчик давления

 

Изобретение относится к индуктивным датчикам давления и позволяет повысить точность и стабильность датчика давления. Датчик содержит мембрану 1, по обе стороны которой расположены магнитные системы , состоящие из одинаковых элёментфв-обмоток 10 и 11, установленных в маг нитопроводах 6 и 7. На магнитопроводы надеты немагнитные экраны 4 и 5. Материал немагнитных экранов имеет одинаковый температурный коэффициент линейного расширения с материалом магнитопроводов и корпуса. Магнитопроводы, корпус и мембрана выполнены из одного и того же элинварного сп/1ава-ВУС-12, но за счет различной термообработки материал магнитопроводов 6 и 7 имеет меньшую твердость , чем материал мембраны. Это позволяет уменьшить температурную погрешность и повысить помехозащищенность . Датчик обладает высокой точностью измерений ± 1 % от текущего значения измеряемого давления и предназначен для работы в комплекте с электронными системами управления газотурбинными двигателями. 2 ил. 1 табл. к-А 3 ig 17 п -8 L (Л С § %1 со ся

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК аци G 01 9/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4760387/10 (22) 20.11.89 (46) 23.07.92. Бюл, O 27 (71) Энгельсское опытно-конструкторское баро "Сигнал" (72) А. П. Кривоногов и IQ, 8. Афанасьев (56) Авторское свидетельство СССР

bh 979920, кл, G 01 L 9/10, 1981. йатейт Великобритании М 1525982, кл.

G 01 L9/10, 1978, (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к индуктивным датчикам давления и розволяет повысить точность и стабильность датчика давления.

Датчик содержит мембрану 1, rio обе стороны которой расположены магнитные системы, состоящие из одинаковых элементов-обмоток 10 и 11, установленных

В мзгнитопроводах 6 и 7. На маГнитопрово„„5U „„1749735 А1 ды надеты немагнитные экраны 4 и 5. Материал немагнитных экранов имеет одинаковый температурный коэффициент линейного расширения с материалом магнитопроводов и корпуса. Магнитопроводы, корпус и мембрана выполнены из одного и того же элинварного сплава-ВУС-12, но за счет различной термообработки материал магнитопроводов 6 и 7 имеет меньшую твердость, чем материал мембраны. Это позволяет уменьшить температурную погрешность и повысить помехозащищенность. Датчик обладает высокой точностью измерений ++ 1% от текущего значения измеряемого давления и предназначен для работы в комплекте с электронными системами управления газотурбинными двигателями, 2 ил. 1 табл.

1749735

Изобретение относится к авиационному приборостроению, а именно к датчикам давления, используемым на борту летательных аппаратов.

К приборам, монтируемым на авиаци- 5 онных бортовых системах, и. в первую очередь, на двигателях, предъявляются весьма жесткие требования надежной работоспособности при постоянно действующих вибрационных и температурных нагрузках, 10 являющихся обычными рабочими режимами этих систем, с сохранением заданной точности в течение длительного срока эксплуатации. Часто для этих целей используют датчики давления с .ийдуктивными 15 преобразователями. Они наиболее отрабо-. таны и их характеристики ближе других удовлетворяют многим требованйям экс-.

- плуатации.

Однако одной из проблем конструиро- 20 вания современных датчиков является обеспечение стабильности их показаний втечение длительного срока, соответствующего, обычно, ресурсу работы двигателя.:

Эта проблема является наиболее трудно- 25 разрешимой. Требуется создание жесткой,, монолитной конструкции датчика без подвижных элементов, винтовых и резьбовых соединений и особенно в креплении чувствительных элементов и магнитопроводов, 30 так как в этих соединениях в результате . релаксации напряжений происходит ослабление затяжек, появление люфтов, приводящих к изменению характеристик датчиков.

В датчиках со сварными соединениями 35 элементов достигнута жесткость конструкции; исключены люфты, но обеспечение временной стабильности достигается приМенением специальных дифференцйальных: . .узлов и схем.. 4О

Известен индуктивный датчик, в котором обеспечение стабильности решается

:введением дополнительного дифференциально-трансформаторного преобразователя и дополнительного электронного 45 преобразователя. Era принцип действия основан на одновременном и одинаковом изменении характеристик обоих преобразователей во времени и вычитании изменения показаний дополнительного 50 преобразователя из Результатов измерений.

Однако, недостатком этого принцийа компенсации является то, что дополнитель- 55 ные преобразователи увеличивают габариты и массу датчика. снижают надежность его в работе, Наиболее близким к предлагаемому является датчик давления, содержащий мембрану h-образной формы, по обе стороны которой установлены обоймы с катушками, Такая конструкция обладает высокой жесткостью, в ней отсутствуют винтовые и резьбовые соединения, и компенсация температурной погрешности достигается выбором материалов, однако ее погрешности будут определяться изменением характеристик элементов магнитной цепи от температуры и времени

Кроме того, этот датчик не обладает достаточной помехозащищенностью ввиду того, что рабочие магнитные поля проходят по. наружной поверхности корпуса. По той же причине, в результате воздействия температуры окружающей среды, влажности и окис-лейия (старения) наружной поверхности корпуса дополнительные погрешности и временная нестабильность будут значительнйми.

Существенным недостатком конструкции этого датчика является то, что неравенство температур обеих половин в процессе эксплуатации при изменениях температуры окружающей среды приводит к дополнительной температурной погрешности, Цель изобретения — повышение точности и стабильности показаний индуктивных датчиков давления, Поставленная цель достигается тем, что в датчик введен корпус, выполненный из двух чашеобразных половин, между которыми с зазорами установлена мембрана с утолщенной периферийной частью, два тонкостенных экрана, вйполненных в виде стаканов из немагнитного материала и расположенных в чашеобразных половинах корпусов, в которых установлены магнитопроводй с катушками, При этом корпус, мембрана и магнитопроводы.выполнены из одинакового материала, и материал экранов имеет одинаковый температурный коэффициент материала, и материал экранов имеет одинаковый температурный коэффициент линейного расширения с материалом кор- пуса и магнитопроводов, а твердость материала магйитопроводов меньше твердости материала мембраны.

На фиг. 1 прйведеиа конструктивная схема предлагаемого датчика давлейия, разрез А-А; на фиг. 2 — график зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного йоля сплава ВУС-12.

Мембрана 1 имеет плоскую рабочую поверхность и утолщенную периферийную часть, придающую мембране Н-образную форму. В корпусах 2 и 3 плотно установлены экраны 4 и 5, в них — магнитопроводы 6 и 7, В магнитопроводах запрессованы каркасы

8 и 9 с обмотками;10 и 11.

1749735 наибольшую твердость. Это достигнуто блзгодаря двойному диеперсион ному твердению под нагрузкой и необходимо для снижения упругого последействия и гистерезиса мембраны и, в конечном итоге, обеспечения наибольшего совпадения ее упругих характеристик при первом и последующих нагружениях, что является существенным для повышения точности мембранных.датчиков давления, Однако после закалки и двойного дисперсионного

55

Каркасы 8 и 9 выполнены из немагнитного металла (например. титана) с покрытием поверхностей под обмоткой высокотемпературным лаком, напрессовэны на магнитопроводы и со стороны мемб- 5 раны . закрыты тонкими пластинами-диафрагмами 12 и 13, приваренными оо наружным диаметрам к корпу-. сам. 2 и 3, в центре — к полюсам магнитопроводов 6 и 7. 10

Диафрагмы 12 и 13 выполнены из немагнитного вэкуумноплотного материала и обеспечивают герметизацию подмембранной (надмембрэнной) полости и защиту катушек от воздействия измеряемой среды. В .15 периферийной части мембраны 1 выполнены отверстия, расположены по разные стороны от ее рабочей плоскости и снаружи приварены штуцера 14 и 15 для подвода давлений. Нз наружной утолщенной части 20 мембраны выполнен тонкий фланец, расположенный s одной плоскости с рабочей по.верхйостью мембраны. На этом фланце выполнены лапки 16 с отверстиями, через которые осуществляется крепление датчика 25 на обьекте. Корпуса с экранами, магнито. проводами, катушками и диафрагмами свариваются с мембраной по ее утолщенной части и закрываются кожухами 17 и 18, выполненными из пермаллоя, с образованием 30 воздушного зазора между элементами 2. 3 и 17, 18. Воздушные зазоры заполняются пенополиуретаном 19 и 20, имеющим коэф. фициент теплопроводности значительно ниже, чем воздух. - 35

Мембрана, магнитопроводы и корпуса выполнены из одинакового элинвэрного сплава, в частности ВУС-12, но имеют различные прочностные (упругие) и различные магнитные характеристики, Эти свойства 40 (фиг. 2) обеспечиваются соответствующими. режимами термообработки {кривая 1 — после закалки и двойного дисперсиомного твердения; кривая 2 — после закалки и при температуре+105, +25 и -70 С. 45

В таблице приведены материалы элементов датчика и их основные характеристики.

Как видно из таблицы, мембрана имеет твердения магнитная проницаемость мембраны снижается (кривая 1, фиг. 2}, и влияние на нее температуры увеличивается. Для компенсации этих изменений введен магнитопровод иэ того xe,элинварного сплава, но не подвергнутый дисперсионному твердению и имеющий низкую твердость, а в результате этого обладающий большим значением начальной магнитной проницаемости и меньшим значением температурного коэффициента магнитной проницаемости.

Предлагаемая конструкция датчика является высокоуниверсальной, При сохранении одних и тех же деталей она позволяет разрабатывать три варианта датчиков: для измерения избыточного давления, абсолютного давления и разности давлений.

В датчике избыточного давления штуцер 14 соединяют с трубопроводом измеряемой магистрали давления, а трубопровод штуцера 15 оставляют открытым. В датчике абсолютного давления трубопровод штуцера 15 заварен, а полость между мембраной

1 и корпусом 2 вакуумирована. 8 датчике разности давлений штуцера 14 и 15 соединяются с трубопроводами измеряемых давлений.

Датчик работает следующим образом.

Измеряемое давление через штуцер 14 подводится к мембране 1 и деформирует ее, что приводит к перераспределению воздушных зазоров между мембраной и магнитопроводами. При включенном питании обмоток это приводит к перераспределению магнитных сопротивлений (индуктивностей) цепей, которое на выходе преобразуется в изменение напряжения, пропорционального измеряемому давлению.

Тзк как элементами магнитной цепи являются магнитопровод, воздушный зазор и мембрана, то за счет того, что в материале магнитопровода достигйуто наибольшее значение начальной магнитной проницаемости и наименьшее значение ее температурного коэффициента, температурная погрешность и вреМенная нестабильность магнитной системы существенно снижаются и определяются, в основном, изменением магнитных свойств мембраны.

Кроме того, дополнительными факторами, влияющими нз точность, является следующее.

Введение кожуха из пермаллоя, являющегося вторым экраном, позволяет обеспечить дополнительную помехозащищенность магнитной системы, а двойное экрзнирова1749735

Температурный коэффициент линейного расширения

Магнитная прои цаемос ть, мГн/м

Материал и его термооб работка

Твердость по

Виккерсу, ед.

Деталь

ТК, % /ОС

Сплав ВУС-12.Закалка и двойное дисперсионное таердение

380

240

0.147

Сплав ВУС-12, Закалка

Мзгнитопроводы 6 и 7 260

8,6

100

0,037

Титановый сплав

ВТ3-1

Немагнитные экраны

4иб

360 0,147

240

Пермаллой 79 НМ по

ГОСТ

Mar нитные экраны

17 и 18 ние — осуществить работу магнитной системы в режиме слабых магнитных йолей, т.е. . на начальном линейном участке кривой намагничивания, и обеспечить более высокую линейность выходной характеристики датчика. Крепление датчика через лапки, выполненные на тонком наружном фланце, обеспечивают симметричное и равномерное распределение тепла, подводимого через тепловой контакт фланца между обеими половинами датчика. Крепление за лапки .снимает передачу на мембрану и магнитопроаоды деформации от крепления датчика к обьекту и-тем более алиянйе изменения этого крепления в эксплуатации со временем, Введение воздушного зазора между кожухом и корпусом и заполнение его пенопо. лиуретаном (коэффициент теплопроводности пенополиуретанз значительно меньше, чем воздуха) позволяет снизить влияние колебаний температуры на корпус, мзгнитопровод и мембрану, а введение металлических каркасов катушек, напрессовзнных на магнитопроводы, обеспечивает уменьшение температурной инерционности между корпусными металлическими деталями и обмоткой из медного провода. Введение раздельных магнитопроаодов, расположенных в корпусах под магнитными экранами и не имеющих непосредственного контакта с окружающей и измеряемой средами, позволяет исключить влияние этих сред на магнитопроводы. 8 случае питания датчика импульсным или высокочастотным нзпря(Сплав BYC-1 23акзлКорпуса 2 и 3 магнит кз и дисперсионное провода . твердение жением изменение влажности оказывает существенное влияние на работу датчика.

Использование упомянутых признаков позволяет разработать датчики абсолютно5 го, избыточного и разности давлений, предназначенные для прецизионных систем измерения давлений по тракту газотурбинного двигателя и выдачи сигналов в электронную систему управления двигателем.

10 Опытные образцы датчиков давления предлагаемой конструкции обеспечивают точность измерения +1 g, от текущего значения измеряемого давления.

16 Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, выполненный из двух чашеобразных поло- вин, между которыми с зазором установле20 на мембрана с утолщенным периферийным основанием, два магнитопровода с установленными а них катушками, размещенных а полостях чаш, и подводящие штуцеры, при этом корпус, мембрана и магнитопроводы

25 выполнены из одинакового материала, от л ич з ю щ и й.с я тем, что, с целью повышения точности и стабильности, в него введены два тонкостенных экрана, выполненных в виде стаканоа иэ немагнитного материала, имеюЗО щего одинаковый температурный коэффициент линейного расширения с материалом корпуса и магнитопроводов, при этом стаканы расположены в полостях чаш между их стенками и магнитопроводами; имеющими

35 твердость меньше твердости мембраны.

Составитель М.Выгинный

Редактор Н.Козориз: Техред M.Mîðãåíòàë: Кдрректор Н.Король

Заказ 2588 . Тираж, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открйтиям при ГКНТ СССР

-- .113035; Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101