Датчик давления Советский патент 1991 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, пред- назначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).

Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и термостойкости.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый датчик давления; на фиг. 2 - то же. общий вид;,на фиг. 3 узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - узел II на фиг. 1.

Датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент в виде круглой жесткозащем- ленной мембраны 2,. выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы 4, размещенные по дуге окружности, и тензорезисторы 5 размеще- нныепо радиусу мембраны. Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тензорезисторы 5 выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7. Противолежащие стороны каждого из квадратов расположены параллельно радиусу мембраны, проведенного через центр 8 соо ю о

Ч

ю

ответствующего квадрата. Две другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от границы 9 раздела мембраны и опорного основания.

Датчик давления работает следующим образом.

При воздействии на мембрану давления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций. В связи с тем, что окружные тензорезисто- ры выполнены в виде квадратов, противолежащие стороны каждого из которых расположены параллельно радиусу мембраны, проведенного через центр соответствующего квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, а также в связи с тем, что местоположение и размеры были выбраны исходя из заявляемых соотношений, резистивный квадрат окружного тензорезистора (фиг. 3) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление рези- стивного квадрата окружного тензорезистора увеличится. Вследствие аналогичных причин резистивный квадрат радиального тензорезистора (фиг. 4) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора, и сжимающих радиальных действий, направленных вдоль длины резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление рези- стивного квадрата радиального тензорезистора уменьшается. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, то, во- первых, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных квадратов, а во-вторых, изменения сопротивлений соответствующих резистивных квадратов равны между собой. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных резисторов .преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, котЪрый поступает на выходные контакты датчика. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара) вследствие различных термических сопротивлений сравнительно тонкой мембраны и массивного опорного основания на мембране возникает неравномерное поле температур,

Так как размеры сторон резистивных квадратов радиальных и окружных тензорезисторов одинаковы, а расположение и раз0 меры всех резистивных квадратов идентичны и выполнены в соответствии с заявляемыми соотношениями, то несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной стороне мемб5 раны, среднеинтегральная температура квадратов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиаль0 ных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно

5 компенсируются.

Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторов выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещен0 ных по периферии мембраны идентичных квадратов, расположенных по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, а также в связи с одинаковым количеством резистивных квадратов, мощ5 ность, выделяемая в каждом резистивном квадрате от напряжения питания, будет одинакова, и температура перегрева относительно опорного основания каждого ре- зистивного квадрата. Причем так как все

0 резистивные квадраты расположены так, что одна половина квадрата расположена на опорном основании, а другая - непосредственно на мембране, то условия теплоотво- да тепла от саморазогрева отдельных

5 квадратов тензорезисторов будет, во-первых, полностью идентичны, а во-вторых, существенно облегчены. Это связано с существенным уменьшением термического сопротивления между отдельными квддра0 тами тензорезисторов и опорным основани- ем4 поскольку квадраты частично расположены непосредственнр на опорном основании.

Аддитивная температурная погреш5 ность датчика давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от +50°С до температуры жидкого азота не превышает 0,45%.

Преимуществом предлагаемого датчика давления является повышение точности в

условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды за счет полной идентичности температуры и ее изменения при термоударе в зоне размещения радиальных и окружных тензорезисторов. Дру- гим преимуществом конструкции является увеличение термостойкости в 1,7 раза за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов, а также их отдельных элементов. Преимуществом является также повышение чувствительности за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформа- ций, а также за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформаций. За счет повышения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изго- тавливать датчики давления на меньшие пределы измерения. Преимуществом конструкции к тому же является и возможность существенного улучшения габаритно-массовых характеристик за счет освобождения центральной части мембраны от тензорезисторов.

Формула изобре тения Датчик давления, содержащий корпус, мембрану толщиной Н и радиусом г с угол-

в 6

щенным периферийным основанием, закрепленные на мембране и соединенные низкоомными перемычками в мостовую схе- муокружныеирадиальныетензорезисторы, выполненные в виде квадратов со стороной а, соединенных последовательно между собой другими низкоосными перемычками, причем количество квадратов равно отношению сопротивления тензорезистора к его поверхностному сопротивлению, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия термоудара, увеличения чувствительности и термостойкости, в нем одни противолежащие стороны каждого из квадратов расположены параллельно радиусу мембраны, проведенному через центр квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от окружности радиуса г, причем местоположение и размеры квадратов определены из условий:

а Н ; Z r-0,5(vr2 -0.25 а2 -а)г2а

- -- arcsin -- , а2. г

где Z - расстояние от окружности радиуса г до противоположной ей стороны квадрата.

6 6

LЈ

/яяяятятг.

л

72

Т 3

Риг.2

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, пред- назначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и термостойкости. За счет размещения радиальных тензорезисторов 5 в зоне мембраны 2, где температура и ее изменение полностью идентичны температуре и ее изменению -в зоне размещения окружных тензорезисторов и за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов. При этом окружные и радиальные тензорезисторы вы- полнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов.7, противолежащие стороны каждого из которых расположены параллельно радиусу мембраны, проведенного через центр соответствующего квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, а местоположение и размеры квадратов определены представленными соотношениями. 4 ил. W е

Фиг. 5

Фм.4