ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании и изготовлении датчиков давления, применяемых в изделиях ракетно-космической техники.

Известен датчик давления, содержащий корпус, тензочувствительную схему и упругий элемент в виде мембраны, на которую нанесено равномерное теплозащитное покрытие из резины [1].

Недостатком указанного датчика является наличие нестационарных тепловых полей на мембране из-за влияния заделки ее в корпус.

Наиболее близким по технической сути является датчик давления, содержащий вакуумированный корпус и упругий элемент в виде металлической мембраны, покрытой двухслойным диэлектриком, на котором сформирована тонкопленочная тензочувствительная схема [2].

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа является наличие вакуумированного корпуса, металлической мембраны, покрытой диэлектриком, и тензочувствительной схемы.

Недостатками указанного датчика давления являются наличие неравномерного температурного поля на мембране в зоне установки тензорезисторов из-за разницы тепловых сопротивлений рабочей части и заделки мембраны, а также наличие больших термонапряжений в структуре мембрана - двухслойный диэлектрик - тензорезисторы при воздействии на датчик термоудара из-за несогласованности температурных коэффициентов линейного расширения в широком диапазоне температур, характерных для режимов работы агрегатов ЖРД. Кроме того, материалы, применяемые для изготовления тензосхемы (керметы), не позволяют получить воспроизводимые по тензочувствительности и температурному коэффициенту сопротивления тензорезисторы (так, например, для кермета К50С согласно техническим условиям ЕТ 0.021.033 ТУ ТКС изменяется в широких пределах от минус (3-4) ˙ 10^-4 до минус (5-6) ˙ 10^-5).

Все эти факторы неизбежно приводят к значительным погрешностям при измерении давлений в условиях нестационарных температур.

Целью изобретения является повышение точности измерения в условиях воздействия нестационарных температур.

Это достигается тем, что усовершенствуется конструкция датчика давления, содержащего вакуумированный корпус, электрические выводы и упругий элемент в виде мембраны, покрытой диэлектриком, на котором сформирована тензочувствительная схема. На другой стороне мембраны расположена теплоизолирующая пленка.

Отличительными признаками датчика является то, что пленка теплоизолирующего материала спрофилирована по толщине в соответствии с законом распределения нестационарного температурного поля на мембране, не покрытой диэлектриком, и исходя из формулы
h_пi = K(t_i - t_o), (1) где h_пi - толщина теплоизолирующей пленки в i-й точке мембраны;
K - конструктивный коэффициент, постоянный для данной конструкции и типоразмера датчика;
t_i - текущая температура в i-й точке мембраны;
t_о - температура на поверхности мембраны в месте заделки ее в корпус.

Нам фиг.1 показан предлагаемый датчик давления, общий вид; на фиг.2 и 3 - иллюстрация распределения температурного поля на поверхности мембраны датчика в случае отсутствия теплозащитной пленки (фиг.2), наличия равнотолщинной пленки (фиг.3 кривая 2) и профилированной пленки (фиг.3 кривая 3).

Датчик давления состоит из вакуумированного корпуса 1, упругого элемента 2 в виде жесткозащемленной мембраны. Мембрана покрыта двухслойным диэлектриком 3, например Cr-SiO, на котором расположена тензосхема 4, соединенная с помощью гибких выводов 5 с гермовыводом 6. На поверхности мембраны и наружной цилиндрической части упругого элемента нанесена пленка 7 теплоизолирующего материала, спрофилированная в соответствии с законом распределения нестационарного теплового поля.

Датчик работает следующим образом.

Под действием измеряемого давления Рх деформируется упругий элемент 2 с тензосхемой 4, которая выдает электрический сигнал, пропорциональный Рх, через выводы 5 и гермовыводы 6 во внешнюю цепь. При резком изменении температуры измерительной среды, особенно при термоударе (что характерно для рабочих агрегатов ЖРД), благодаря наличию пленки теплоизолирующего материала с подобранными теплофизическими характеристиками происходит распределение теплового потока между мембранной и цилиндрической частью упругого элемента таким образом, что их тепловые сопротивления становятся примерно равными друг другу. Благодаря этому неравномерность температурного поля и соответственно поля температурных деформаций значительно уменьшается, в результате чего значительно уменьшается температурная погрешность датчика в условиях воздействия нестационарных температур. Остаточная неравномерность температурного поля на самой мембране компенсируется путем профилирования пленки теплозащитного материала по закону распределения нестационарного температурного поля на мембране, не покрытой диэлектриком. При этом в одном из вариантов макетного образца датчика в качестве теплозащитного материала используют профилированную фторопластовую гильзу. Тепловые поля на мембране определяют путем снятия термограммы, а также размещением миниатюрных термопар на мембране и измерением с их помощью температур на мембране.

Коэффициент К определяют экспериментальным путем для каждого типоразмера датчика следующим образом. Мембрану датчика покрывают пленкой теплозащитного материала с толщиной, замеренной с большой точностью. Датчик подвергают термоудару от номинальной температуры до (-196)^оС (жидкий азот), определяют распределение температуры одним из вышеуказанных способов и из соотношения (1) рассчитывают K.

Изменение высоты пленки теплозащитного материала (ее профиль) повторяет профиль распределения нестационарной температуры и определяется экспериментально путем измерения электрических сигналов от тепловых элементов, расположенных на мембране при неоднократных испытаниях датчика на термоудар, и фиксирования текущей температуры в различных точках упругого элемента с последующим усреднением результатов замеров.

На фиг.2 и 3 изображены экспериментально снятые кривые значения текущей температуры на мембране t_срi в условиях термоудара (от комнатной до жидкого азота (-196)^оС.

При этом кривая 1 на фиг.2 получена при отсутствии теплоизолирующей пленки, кривая 2 - при равномерном покрытии мембраны пиролитическим слоем двуокиси кремния толщиной 1,5-2 мкм, кривая 4 - при установке в цилиндрическую часть упругого элемента фторопластового колпачка с профилированной поверхностью, соприкасающейся с измерительной средой.

Анализируя кривые 1,2 и 3, можно сделать вывод, что профилированные пленки теплозащитного материала приводят к значительному уменьшению неравномерности тепловых полей.

Использование предлагаемого датчика позволяет значительно увеличить точность измерения в условиях воздействия нестационарных температур.

Использование: в измерительной технике, в частности в датчиках давления в условиях воздействия на датчик нестационарных температур. Сущность изобретения: для повышения точности измерений датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент 2 в виде жесткозащемленной мембраны с диэлектриком 3 и тензорезисторами на одной стороне и теплоизолирующей пленкой 7 на другой стороне. Последняя выполнена разной толщины, определяемой из соответствующего соотношения. 3 ил.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде защемленной мембраны, на которой с одной стороны расположены диэлектрик и тензорезисторы, а на другой стороне - теплоизолирующая пленка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при воздействии нестационарных температур, в нем теплоизолирующая пленка выполнена разной толщины, определяемой из соотношения
h_ni = K(t_i - t₀),
где h_ni - толщина пленки в i-й точке мембраны;
K - конструктивный коэффициент, постоянный для одного типоразмера;
t_i, t₀ - соответственно температура на поверхности мембраны в i-й точке и в месте заделки в корпус.