датчик давления

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий круглую мембрану переменной толщины, выполненную заодно с корпусом, и тензорезисторы, наклеенные вдоль радиусов на плоскую поверхность мембраны, отличающийся тем, что профиль сечения мембраны образован дугой окружности на центральном участке, ограниченном радиусом r < 0,627 R, и отрезком прямой на периферийном участке, причем радиус дуги окружности и угол наклона прямой выбирают так, чтобы переменная толщина мембраны удовлетворяла оптимально условию формулы



где h - текущее значение толщины мембраны;

p - давление, действующее на мембрану;

допустимое напряжение растяжения на поверхности мембраны;

R - радиус мембраны;

r - текущее значение радиуса;

- коэффициент Пуассона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к тензометрическим датчикам давления.

За прототип выбран датчик давления, содержащий круглую мембрану переменной толщины, выполненную заодно с корпусом, и тензорезисторы, наклеенные вдоль радиусов на мембрану.

Тензорезисторы испытывают разную по знаку деформацию растяжения на центральном участке мембраны и сжатие на периферийном участке. Мембрана спрофилирована по определенной зависимости, выраженной математической формулой. Геометрическое место точек перехода растянутого участка мембраны в сжатый определено окружностью радиусом r₀ = 0,577 R.

В прототипе приведенная зависимость не достаточно точно отражает закон распределения напряжений растяжения-сжатия на поверхности мембраны. Кроме того, изготовление мембраны с двоякой кривизной профиля представляет известные технологические трудности.

Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления криволинейного профиля мембраны и оптимизации распределения напряжений на ее поверхности.

Поставленная задача выполняется следующим образом. Профиль сечения мембраны образуют дугой окружности на центральном участке, ограниченном радиусом r < 0,627 R, и отрезком прямой на периферийном участке, причем радиус дуги окружности и угол наклона прямой выбирают так, чтобы переменная толщина мембраны удовлетворяла оптимально условию формулы



где h - текущее значение толщины мембраны;

P - давление, действующее на мембрану;

- допустимое напряжение растяжения на поверхности мембраны;

R - радиус мембраны;

r - текущее значение радиуса;

- коэффициент Пуассона.

При такой зависимости геометрическое место точек перехода растягивающих напряжений в сжатые находится на окружности радиуса r₀ = 0,627 R.

На фиг. 1 показана эпюра напряжений на поверхности мембраны; на фиг. 2, 3 - конструкция датчика (схематично).

Датчик давления состоит из профилированной мембраны 1, выполненной заодно с корпусом (защемленной по контуру), и пробки 2 с присоединительным штуцером. Корпус мембраны и пробка соединены сваркой. Тензорезисторы 3 наклеены на плоскую сторону мембраны вдоль радиусов.

Датчик давления работает следующим образом.

Напряженное состояние на поверхности мембраны 1, возникающее под воздействием разности давлений с двух сторон мембраны, характеризуется наличием радиальных и тангенциальных напряжений. При выбранном законе построения поперечного профиля мембраны 1 радиальные напряжения в центральной и перифирийной частях мембраны одинаковы по абсолютной величине и противоположны по знаку. Геометрическое место точек перемены знака напряжений находится на окружности радиуса r₀ = 0,627 R (см. эпюру напряжений на фиг. 1).. Топология расклейки тензорезисторов 3 соответствует характеру напряженного состояния: растянутые тензорезисторы в центре, сжатые на периферии. Тензорезисторы электрически соединены в измерительный мост. Изменение электрического сигнала на выходе моста пропорционально изменению измеряемой разности давлений.

Аналитический и графический анализ представленного уравнения показывает, что криволинейный поперечный профиль мембраны, рассчитанный по приведенному уравнению, достаточно точно можно заменить дугой окружности на центральном участке (0 < r < r₀) и отрезки прямой на периферийном участке (r < r₀ < R). Радиус дуги окружности и наклон отрезка подбираются для каждого конкретного случая.

Такое решение позволяет существенно упростить изготовление и контроль как мембраны, так и инструмента без заметной потери чувствительности и линейности.