Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

, Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано в тензорезисторных датчиках для измерения давления жидких и газообраз- ных сред в условиях меняющихся температур.

На фиг„ 1 показана конструкция датчика давления; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг 1; на фиг. 3 показано размещение тензорезисторов на мембране (топология); на фиг. 4 - измерительная схема.

Устройство включает .корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3 и утолщенным периферийным участком 4, в котором выполнена кольцевая проточка,, делящая его на верхнюю часть 5 и нижнюю 6.

На мембране 2 сформирован измерительный мост из тензорезисторов 7-Ю, выполненных в виде радиально размещенных попарно параллельных полосок. Тензо резисторы 7 и 9 размещены в зоне отрица- тельных деформаций, а тензорезисторы 8 и 10 - в зоне положительных. Вне зоны рабочих деформаций сформирован дополнительный термокомпенсационный мост из тензорезисторов 11-14. Тензорезисторы 11 и 13 размещены в радиальном направлении над проточкой в периферийном участке в зонах установки стержней и выполнены в виде попарно параллельных полосок. Тенэорезисторы 12 и 14 размещены вдоль окружности, проходящей через середину толщины опорного основания. Тензорезисторы 7-10 соединены в измерительный мост идентичными проводниками 15, а тензорезисторы Ц-14-в термокомпенсационный мост идентичными проводниками 16. Контактные площадки 17 и 18 служат для подключения измерительного и термокомпенсационного мостов к общей измерительной схеме (фиг. 3) В проточке установлены круговые .стержни 19 прямоугольного сечения. Тензорезисторы защищены от влияния среды гермопроходником 20. К входной диагонали каждого моста подводится напряжение U,, источника питания. К выходным диагоналям мостов подключены операционные усилители 21, 22. Выходной сигнал операционного усилителя 21 поступает на неинвертирующий вход сумматора 24, а выходной сигнал операционного усилителя 22 через масштабный усилитель 23 - на инвертирующий вход сумматора 24.

Устройство работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления на мембрану 2 последняя прогибается. Тензорезисторы 7-10 испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе

мостовой измерительной цепи появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению, который поступает на вход операционного усилителя 21. При изменении температуры датчи, ка изменяются линейные размеры его элементов, в том числе и размеры круговых стержней 19. Поскольку ТКЛР материала стержней не менее, чем в 1,5 раза больше ТКЛР материала мембраны, происходит прогиб верхней периферийной части 5, так как ее толщина в 2-3 раза меньше толщины нижней периферийной части 6.

Прогиб периферийного участка вызы5 вает деформацию тензорезисторов 11, 13, в результате чего на выходе термокомпенсационного моста появляется сигнал, пропорциональный изменению: температуры датчика и не зависящий от измеряемого давления, который поступает на вход операционного усилителя 22.

Выходной сигнал операционного усилителя 21, пропорциональный измеряемому давлению и температуре, по- 5 ступает на неинвертирующий вход сумматора 24. Выходной сигнал операционного усилителя 22, пропорциональный . температуре, усиливается до необходимой величины масштабным усилителем

0 23 и поступает на инвертирующий вход сумматора 24.

Таким образом, в сумматоре 24 происходит коррекция основного сигнала цепи 7, 8, 9, 10, 21, 24 термозав: $ симым и не зависящим от измеряемого давления сигналом, снятым с термокомпенсационного моста из тензорезисторов 11-14 и преобразованным до необходимой величины в усилителях 22,

0 23.

Таким образом, выходной сигнал датчика зависит только от измеряемого давления, а изменение температуры практически не влияет на выходную ха5 рактерисггику.

Использование датчика давления позволит повысить точность измерения и линейность характеристики в диапазо51

не температур от -200 до +200°С практически на порядок.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий кор- пус, за одно целое с которым выполнен упругий элемент в виде стакана, в дне которого выполнена мембрана с жестким центром, внутри стакана, причем на наружной поверхности дна стакана закреплены тензорезисторы, которые соединены соответственно в измерительный и термокомпенсационный мост, а тензорезисторы измеритель ного моста расположены на мембране и выполнены в виде пары последовательно соединенных идентичных тензоэле- ментов, при этом тензорезисторы соответствующих плеч каждого из мостов расположены соосно друг другу вдоль главных осей мембраны симметрично ее центру, а коэффициенты тензочувст- вительности обоих мостов - одного порядка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности и увеличения линейности выходной характеристики, в него введены

37290

две прокладки в виде части кольца прямоугольного сечения, выполненные -из материала, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого не менее чем в 1,5 раза больше ТКЛР материала мембраны, причем в цилиндрической стенке стакана с внешней стороны выполнены две кольJQ цевые проточки, первая - на расстоянии толщины мембраны от наружной поверхности дна стакана, а вторая - на расстоянии 2-3 толщин мембраны от первой проточки, при этом в первой

j, проточке закреплены симметрично друг другу относительно центра мембраны по периферии проточки упомянутые проклад

компенсационного моста расположены в радиальном направлении на периферийной части мембраны в зоне, образованной соответствующей прокладкой и цилиндрической поверхностью проточки; а два других тензорезистора противоположных плеч термокомпенсационного моста расположены на периферийной части мембраны в середине зоны, образованной внутренней поверхностью стенки стакана и цилиндрической поверх- ностью проточки.

Изобретение может быть использовано для измерения с повышенной точностью давления жидких и газообразных сред в условиях меняющихся температур. Цель достигается тем, что на боковой поверхности периферийного участка мембраны 2 выполнена проточка глубиной до внешнего диаметра опорного основания. В проточке установлены симметрично относительно центра мембраны два круговых стержня 19 прямоугольного сечения, изготовлент ные из материала с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), превышающим не менее, чем в 1,5 раза, ТКЛР материала мембраны. На поверхности мембраны вне зоны рабочих деформаций сформирован дополнительный термокомпенсационный мост, причем два тензорезистора расположены в радиальном направлении над проточкой в зонах установки стержней и включены в противоположные плечи моста, а два других - вдоль окружности, проходящей через середину толщины опорного основания. В сумматоре происходит коррекция основного сигнала цепи термозависимым. 4 ил. 20 8 / с 1 со -J ю со Фиъ.1

Фиг. 2

Фиъ.З

Фиг. 4