ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к области измерения давления и может быть использовано в измерительной технике при изготовлении тонкопленочных тензорезисторных датчиков для преобразования давления в электрический сигнал.

Известен чувствительный элемент тонкопленочного тензорезисторного датчика, включающий жесткозащемленную мембрану, на которую воздействует измеряемое давление Р, и установленные на нем тонкопленочные тензорезисторы (см. а.с. № 301582, 1971 г.), принятый за прототип. Расчетная схема чувствительного элемента с жесткозащемленной мембраной и эпюра распределения температур по телу чувствительного элемента при изменении температуры рабочей среды Р представлены на фиг.1.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве при воздействии на приемную полость упругого элемента (УЭ) измеряемой среды Р с температурой, отличной от температуры окружающей среды, из-за оттока тепла от центра мембраны к более массивной заделке (цилиндрическая часть УЭ), на внешней поверхности мембраны появится неравномерное тепловое поле. Так как температура более массивной цилиндрической части УЭ ниже температуры мембраны, то мембрана подвергается сжимающим усилиям F_сж и в ней возникают изгибающие моменты М_из. Наибольшему нагреву (охлаждению) подвергается центр мембраны. И наконец, в месте заделки цилиндрической части УЭ в корпус в связи с тем, что последний еще более массивный, чем цилиндрическая заделка, при воздействии температуры измеряемой среды возникают изгибающие моменты М_к. Таким образом, при воздействии на приемную часть УЭ измеряемой среды в цилиндрической части последнего и в самой мембране возникают неравномерные температурные поля и поля температурных деформаций, которые приводят к появлению дополнительных температурных погрешностей.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является исключение причин, вызывающих эти дополнительные погрешности, то есть исключение на поверхности мембраны УЭ, где устанавливаются тонкопленочные тензорезисторы, неравномерности температурного поля и поля температурных деформаций.

Принципиально для получения равномерного поля в зоне установки тензорезисторов необходимо иметь равенство тепловых потоков, проходящих через мембрану и цилиндрическую заделку q_ц=q_м.

Так как толщина цилиндра значительно меньше его длины, а толщина мембраны значительно меньше ее наружного радиуса, то, в первом приближении, для описания тепловых потоков, проводящих через мембрану и тонкий цилиндр, можно воспользоваться формулами

где - термическое сопротивление мембраны;

- коэффициент теплопередачи, отнесенный к единице длины цилиндрической стенки;

- линейное термическое сопротивление теплопередачи полого цилиндра;

h_м - толщина мембраны;

λ - коэффициент теплопроводности материла УЭ;

d_н и d_вн - наружный и внутренний диаметры цилиндрической части УЭ соответственно;

t_н и t_вн - температура наружной и внутренней поверхностей мембраны и цилиндрической части УЭ соответственно.

Так как d_н/d_вн → 1, в силу ранее принятого предположения, то, воспользовавшись первым членом разложения в ряд функции lgd_н/d_вн и заменяя через толщину δ _ц цилиндрической части УЭ выражение (d_н-d_вн)(1/2, можно записать выражение теплового потока через цилиндрическую часть УЭ в виде

Тогда, подставляя значение R_М в формулу теплового потока через мембрану и приравнивая тепловые потоки через мембрану и цилиндрическую часть УЭ согласно принятому условию (см. уравнения (1) и (2)), можно определить требования, предъявляемые к УЭ, необходимые для получения равномерного температурного поля на поверхности мембраны:

То есть для получения равномерного температурного поля на поверхности мембраны, в первом приближении, необходимо, чтобы толщины мембраны и стенки цилиндрической части УЭ были равны.

Получив равномерное температурное поле по телу УЭ, одновременно исключаются как сжимающие мембрану усилия F_сж, так и изгибающие моменты М_из, а соответственно, и температурные деформации, возникающие из-за их наличия. Однако введенные конструктивные изменения в форму УЭ не полностью решают вопрос исключения температурных деформаций на поверхности мембраны, так как не решен вопрос по исключению влияния изгибающего момента М_к в зоне установки УЭ в корпус на деформацию мембраны.

Условие распределения момента вдоль оси полого цилиндра может быть записано в виде

где l - расстояние вдоль оси цилиндра от места соединения УЭ в корпусе;

d - средний диаметр цилиндрический части УЭ;

δ _н - толщина цилиндрической части УЭ.

В соответствии с выражением (4) график изменения момента вдоль оси цилиндрической части УЭ имеет вид, представленный на фиг.2.

Из графика видно, что условие отсутствия влияния момента М_к на деформацию мембраны может быть получено двумя конструктивными решениями. Либо длина цилиндрической части УЭ должна быть выбрана в узле пересечения функции М_к с осью X, либо его длина должна быть такой, чтобы величиной изгибающего момента можно было пренебречь. Однако первое решение хотя и позволяет получить минимальную длину цилиндрической части УЭ, но технологически выдержать расчетный размер l с точностью, при которой М_к будет близок к нулю, представляет значительную трудность. Поэтому на практике, как правило, выбирают второй путь решения данной задачи.

В этом случае конструкция УЭ становится развязанной от всех видов деформаций корпусных элементов, и таким образом решается вопрос не только развязки рабочей мембраны от влияния температурных деформаций корпуса, но и от момента затяжки.

Однако в полученной конструкции, по сравнению с прототипом, на мембране при воздействии измеряемого давления будут иметься только деформации одного знака (растяжение) как для окружных, так и для радиальных деформаций с максимальным значением в центре мембраны и нулевыми у ее заделки в цилиндрическую часть.

Технический результат - минимизации температурной погрешности в процессе работы в нестационарных температурных режимах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что чувствительный элемент тонкопленочного тензорезисторного датчика давления включает жесткозащемленную мембрану с массивной цилиндрической заделкой и установленные на мембране тонкопленочные тензорезисторы таким образом, что два тонкопленочных тензорезистора, воспринимающие деформации растяжения, расположены по диаметру в центре мембраны или по окружности с максимальным приближением к центру мембраны.

Особенность заключается в том, что толщина и диаметр рабочей части мембраны определяются из условия требуемой чувствительности тензорезисторного датчика к измеряемому давлению, а наружный диаметр цилиндрической заделки формируется за счет соосной с мембраной концентрической проточки таким образом, чтобы толщина цилиндрической заделки мембраны равна толщине мембраны, а глубина концентрической проточки определяется из условия отсутствия влияния на мембрану крутящего момента, возникающего в месте крепления цилиндрической заделки в корпусе чувствительного элемента тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, а в концентрической проточке, по ее внешнему диаметру, по плотной посадке установлена цилиндрическая прокладка из материала с большим коэффициентом теплового сопротивления таким образом, что между внутренним диаметром цилиндрической прокладки и внешним диаметром цилиндрической заделки есть воздушный зазор, а тонкопленочные тензорезисторы, предназначенные для компенсации температурной погрешности в нестационарном температурном режиме, расположены в зоне отсутствия деформации от измеряемого давления по окружности мембраны в зоне ее перехода в цилиндрическую заделку или в зоне цилиндрической заделки мембраны, причем все тонкопленочные тензорезисторы собраны в мостовую измерительную цепь попарно в противолежащие плечи.

На фиг.3 представлена конструкция заявляемого устройства.

Устройство содержит корпус 1 чувствительного элемента тонкопленочною тензорезисторного датчика давления, жесткозащемленную мембрану 2 с массивной цилиндрической заделкой 3. На мембране 2 установлены тонкопленочные тензорезисторы 4, 5, 6, 7. Тонкопленочные тензорезисторы 4, 5 воспринимают деформации растяжения и расположены либо по диаметру в центре мембраны 2, либо по окружности с максимальным приближением к центру мембраны 2. Тонкопленочные тензорезисторы 6, 7 предназначены для компенсации температурной погрешности в нестационарном температурном режиме и расположены в зоне отсутствия деформации от измеряемого давления по окружности мембраны 2 в зоне ее перехода в цилиндрическую заделку 3, либо в зоне цилиндрической заделки 3 мембраны 2. Тонкопленочные тензорезисторы 4, 5, 6, 7 собраны в мостовую измерительную цепь попарно в противолежащие плечи.

В данной конструкции толщина мембраны h и диаметр рабочей части мембраны d_вн определяются из условия получения требуемой чувствительности металлопленочного тензорезисторного датчика к измеряемому давлению. Наружный диаметр цилиндрической заделки d_н формируется за счет соосной с мембраной 2 концентрической проточки 8 и определяется из соотношения

d_н=d_вн+2h.

Толщина цилиндрической заделки 3 мембраны 2 равна толщине мембраны 2. Глубина концентрической проточки 8 l определяется из условия отсутствия влияния на мембрану крутящего момента, возникающего в месте крепления цилиндрической заделки мембраны 2 в корпусе 1 чувствительного элемента и определяется из выражения (4).

В связи с тем, что излучение вдоль цилиндрической заделки мембраны 2 будет различно, так как зависит от разности температур корпуса 1 и цилиндрической заделки 3 мембраны 2 (мембрана 2 прогревается от измеряемой среды быстрее корпуса 1 и равномерно по диаметру, а корпус 1 медленнее и неравномерно - тепловые потоки направлены снизу вверх), то для исключения возникновения температурных деформаций в зоне цилиндрической заделки 3 мембраны 2 необходимо выровнить разность температур по всей длине цилиндрической заделки 3 мембраны 2 в течение термоудара. Это можно выполнить за счет введения прокладки из материала с большим коэффициентом теплового сопротивления. Поэтому в конструкцию чувствительного элемента введена такая цилиндрическая прокладка 9, которую устанавливают по плотной посадке наружным диаметром в концентрическую проточку 8, по ее внешнему диаметру так, чтобы между внутренним диаметром цилиндрической прокладки 9 и наружным диаметром цилиндрической заделки 3 мембраны 2 был воздушный зазор.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Измеряемое давление подается в корпус 1 чувствительного элемента тонкопленочного тензорезисторного датчика и воздействует на мембрану 2, которая преобразует давление в деформацию растяжения на ее поверхности. Тонкопленочные тензорезисторы 4 и 5, установленные в центре мембраны 2, воспринимают деформацию и на основании тензоэффекта преобразуют ее в изменение своего сопротивления. Два других тонкопленочных тензорезистора 6 и 7, установленные по окружности в зоне цилиндрической заделки, не воспринимают деформацию от измеряемого давления, но находятся в равных температурных условиях с тонкопленочными тензорезисторами 4 и 5 в каждый момент времени в течение всего времени термостабилизации металлопленочного тензорезисторного датчика и используются в качестве компенсационных тензорезисторов. При изготовлении из тонкопленочных тензорезисторов 4, 5, 6, 7 мостовой измерительной цепи, при воздействии измеряемого давления, на измерительной диагонали моста появится выходной сигнал, прямо пропорциональный измеряемому давлению. Так как все четыре тонкопленочных тензорезистора находятся в одинаковых температурных условиях в каждый момент времени, то их сопротивление от температуры будет уходить на одинаковую величину и в одну сторону. Тогда, исходя из баланса мостовой схемы

R₁·_R4-R2·R3=0,

температурные изменения будут скомпенсированы в любой момент времени в течение всего времени термостабилизации металлопленочного тензорезисторного датчика.

Сравнительные экспериментальные испытания прототипа и предлагаемой конструкции показали правильность выбранного решения. На фиг.4 представлены осциллограммы изменения начальных выходных сигналов обеих конструкций (для прототипа на фиг.4, а), а для предлагаемого устройства на фиг.4, б) при воздействии на приемную полость металлопленочных тензорезисторных датчиков жидкого азота. Сравнительный анализ результатов испытаний показал:

1. Время термостабилизации у предлагаемой конструкции находится в пределах 132-174 с, что приблизительно в 2 раза меньше, чем у прототипа, время стабилизации которого от 189 до 384 с. Это объясняется тем, что цилиндрическая часть УЭ длиной l и толщиной h является для мембраны предлагаемой конструкции тепловой развязкой, в результате чего термостабилизация мембраны и, соответственно, измерительной схемы заканчивается раньше, чем термостабилизация металлопленочного тензорезисторного датчика в целом.

2. Максимальная аддитивная чувствительность предлагаемой конструкции в нестационарном тепловом режиме находится в пределах от 1,25· 10^-4 1/° С до 1,7· 10^-4 1/° С, что не превышает 3,4% погрешности на весь диапазон температур 200° С и находится в пределах допустимой погрешности для стационарного теплового режима. Это более чем в 8 раз ниже чем у прототипа, аддитивная погрешность которого в нестационарном тепловом режиме не превышает 28% на весь диапазон температур 200° С, что принципиально не позволяет использовать прототип при работе в нестационарных температурных режимах.

Таким образом, предлагаемая конструкция обладает равномерным температурным полем и полем температурных деформаций по поверхности мембраны в каждый момент времени в течение всего времени термоудара.

Изобретение относится к области измерения давления и может быть использовано в измерительной технике при изготовлении тонкопленочных тензорезисторных датчиков для преобразования давления в электрический сигнал. Предложен чувствительный элемент тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, включающий жесткозащемленную мембрану с массивной цилиндрической заделкой и установленные на мембране тонкопленочные тензорезисторы таким образом, что два тонкопленочных тензорезистора, воспринимающие деформации растяжения, расположены по диаметру в центре мембраны или по окружности с максимальным приближением к центру мембраны, а два тонкопленочных тензорезистора, предназначенные для компенсации температурной погрешности в нестационарном температурном режиме, расположены в зоне отсутствия деформации от измеряемого давления по окружности мембраны в зоне ее перехода в цилиндрическую заделку или в зоне цилиндрической заделки мембраны, причем все тонкопленочные тензорезисторы собраны в мостовую измерительную цепь попарно в противолежащие плечи. Толщина и диаметр рабочей части мембраны определяются из условия требуемой чувствительности тензорезисторного датчика к измеряемому давлению. Наружный диаметр цилиндрической заделки формируется за счет соосной с мембраной концентрической проточки таким образом, чтобы толщина цилиндрической заделки мембраны была равна толщине мембраны, а глубина концентрической проточки определяется из условия отсутствия влияния на мембрану крутящего момента, возникающего в месте крепления цилиндрической заделки в корпусе чувствительного элемента тонкопленочного тензорезисторного датчика давления. В концентрической проточке, по ее внешнему диаметру, по плотной посадке установлена цилиндрическая прокладка из материала с большим коэффициентом теплового сопротивления таким образом, что между внутренним диаметром цилиндрической прокладки и внешним диаметром цилиндрической заделки есть воздушный зазор. Технический результат - минимизация температурной погрешности в процессе работы в нестационарных температурных режимах. 4 ил.

Чувствительный элемент металлопленочного тензорезисторного датчика давления, включающий жесткозащемленную мембрану с массивной цилиндрической заделкой и установленные на мембране тонкопленочные тензорезисторы таким образом, что два тонкопленочных тензорезистора, воспринимающих деформации растяжения, расположены по диаметру в центре мембраны или по окружности с максимальным приближением к центру мембраны, отличающийся тем, что толщина и диаметр рабочей части мембраны определяются из условия требуемой чувствительности тензорезисторного датчика к измеряемому давлению, а наружный диаметр цилиндрической заделки формируется за счет соосной с мембраной концентрической проточки таким образом, чтобы толщина цилиндрической заделки мембраны была равна толщине мембраны, а глубина концентрической проточки определяется из условия отсутствия влияния на мембрану крутящего момента, возникающего в месте крепления цилиндрической заделки в корпусе чувствительного элемента тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, а в концентрической проточке, по ее внешнему диаметру, по плотной посадке установлена цилиндрическая прокладка из материала с большим коэффициентом теплового сопротивления таким образом, что между внутренним диаметром цилиндрической прокладки и внешним диаметром цилиндрической заделки есть воздушный зазор, а тонкопленочные тензорезисторы, предназначенные для компенсации температурной погрешности в нестационарном температурном режиме, расположены в зоне отсутствия деформации от измеряемого давления по окружности мембраны в зоне ее перехода в цилиндрическую заделку или в зоне цилиндрической заделки мембраны, причем все тонкопленочные тензорезисторы собраны в мостовую измерительную цепь попарно в противолежащие плечи.