Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды.

Известен датчик давления, предназначенный для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащий корпус, упругий элемент в виде круглой мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные на дуге окружности и по раг - го - тг Кр,

диусу мембраны, причем окружные тензорезисторы своей срединной частью размещены на окружности с радиусом

J

3

где г0 - расстояние от центра мембраны до середины тензорезистора, размещенного в радиальном направлении;

Тр - длина тензорезистора, размещенного в радиальном направлении.

Недостатком данной конструкции является сравнительно низкая чувствительность, связанная с тем, что тензорезисторы расположены в зоне воздействия немаксимальных радиальных и тангенциальных деформаций. Погрешность датчика в условиях

j

4 СЯ

СО

воздействия нестационарной температуры измеряемой среды также весьма высока вследствие расположения тензорезисторов в зонах идентичного изменения температур. Это связано с тем, что, хотя окружные тензорезисторы находятся в зоне, где температура на мембране равна среднему значению температуры краев радиальных тензорезисторов, среднеинтегральная температура окружных тензорезисторов не соответствует среднеинтегральной температуре радиальных тензорезисторов вследствие принципиально нелинейного распределения температурного поля по радиусу мембраны. Нагревостойкость конструкции также недостаточна, так как окружные и радиальные тензорезисторы находятся в отличных друг от друга температурных условиях вследствие различной температуры саморазогрева током питания из-за различного расстояния от места расположения тензорезисторов до опорного основания, через которое в основном происходит теплопередача тепла от тензорезисторов. В результате в данной конструкции невозможно применение повышенного напряжения с целью увеличения выходного сигнала.

Наиболее близок к предлагаемому датчику давления, содержащий корпус, выполненный за одно целое с ним чувствительный элемент в виде цилиндрического стакана с воспринимающим давление дном толщиной Н, на наружной поверхности которого закреплены соединенные низкоомными окружными и радиальными перемычками идентичные тензоэлементы с размерами а и расположенные на одинаковом расстоянии от центра дна стакана.

Недостатком известной конструкции является сравнительно небольшая чувствительность, связанная с тем, что тензорезисторы реагируют на радиальные и тангенциальные деформации, образуемые в данной конструкции, в результате воздействия измеряемого давления только на мембрану датчика, т.е. в известной конструкции чувствительность датчика полностью определяется только геометрическими размерами и физическими характеристиками материала мембраны (толщиной, диаметром, модулем упругости и т.п.). Весьма частое варьирование материалов и размеров мембраны является недостаточным для получения требуемой чувствительности. При этом эффективность увеличения чувствительности за счет изменения материала мембраны ограничена невозможностью применения материалов, не пригодных для технологических процессов формирования

тензорезисторов (например, тонкопленочной технологии), или не совместимых с из- меояемыми средами и т.п.

Недостатком известной конструкции

является также сравнительно большая погрешность в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие сравнительно большой неравномерности температурного поля в зоне расположения тензорезисторов.

Нагревостойкость известной конструкции также недостаточная вследствие расположения тензорезисторов на некотором расстоянии от опорного основания.

Цель изобретения - повышение чувствительности, уменьшение погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышение нагрево- стойкости за счет расположения тензорезисторов в зоне максимальных деформаций, увеличения деформаций вследствие суммирования деформаций от воздействия изме- ряемого давления на мембрану с деформациями от воздействия измеряемого давления на цилиндрическое основание, за счет повышения равномерности температурного поля в зоне установки тензорезисторов и за счет расположения тензорезисторов в непосредственной близости

с опорным основанием.

На фиг.1 изображен предлагаемый датчик давления, общий вид; на фиг.2 - узлы I и II на фиг.1; на фиг.3- графики зависимости деформаций, воздействующих на тензоэлементы.

Толщины диэлектрической, резистив- ной и контактной пленок для наглядности увеличены.

Датчик давления содержит вакуумиро- ванный корпус 1, мембрану 2 с периферийным основанием 3, окружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы. Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тензорезисторы 5 выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 7. Тензоэлементы выполнены в виде квадратов, однако

возможно и другое исполнение. Тензоэлементы расположены на одинаковом расстоянии от центра мембраны. Периферийное основание выполнено в виде расположенного в плоскости мембраны консольного

участка 8, выполненного за одно целое с цилиндрическим опорным основанием 9. Продольная ось цилиндрического опорного основания перпендикулярна плоскости мембраны. Размеры и местонахождение тензозлементов связаны с размерами мембраны и периферийного основания предлагаемыми соотношениями.

Корпус и упругий элемент выполнен из сплава 70НХБМЮ, на поверхности мембраны и консольного участка нанесен диэлектрик 10 в виде структуры - SI02 толщиной 3 мкм. Тензорезисторы выполнены из сплава П65ХС с поверхностным сопротивлением 100 Ом/квадрат. Низко- омные перемычки выполнены в виде структуры V - NI толщиной 1,5 мкм. При нормальном значении сопротивления 700 Ом и поверхностном сопротивлении 100 Ом/квадрат количество квадратов в окружных и радиальных резисторах одинаково и равно отношению сопротивления тензоре- зисторов к поверхностному сопротивлению, т.е. рано 7,

Датчик давления работает следующим образом.

Давление измеряемой среды воздействует на мембрану и цилиндрическое опорное основание. Под воздействием измеряемого давления на мембрану в ней и консольном участке возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны и консольного участка радиальных Јг и тангенциальных е деформаций (фиг.2, 36).

Под воздействием измеряемого давления на цилиндрическое опорное основание в месте сопротивления мембраны и опорного основания возникает изгибающий момент Mr и усилие, направленное по радиусу мембраны (фиг.За). На фиг.За изображены направления Мг и TV, выбранные за положительные. Воздействие изгибающего момента приводит к появлению в мембране дополнительных напряжений, максимальная величина которых наблюдается в области сопряжения мембраны и цилиндрического опорного основания. Напряжения вызывают деформации на Планерной части мембраны и консольного участка, характер которых изображен на фиг.Зв. Из фиг.Зв видно, что в области сопряжения мембраны и опорного основания деформации от изгибающего момента (в результате воздействия давления на цилиндрическое опорное основание) совпадают по знаку с деформациями, вызванными воздействием измеряемого давления на мембрану датчика. Воздействие усилия Тг приводит к появлению растягивающих деформаций на поверхности мембраны, ограниченной радиусом мембраны, и сжимающих деформаций в области сопряжения мембраны и цилиндрического опорного основания (фиг.Зг).

В связи с выбранными размерами тен- зоэлементов и их местоположением тензоэ- лемент окружного тензорезистора (фиг.2, узел ) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций е, вызванных воздействием измеряемого давления на мембрану направленных вдоль резистора, и сжимающих радиальных деформаций ег, вызванных воздействием

измеряемого давления на мембрану, сжимающих радиальных деформаций Јм , вызванных воздействием измеряемого давления на цилиндрическое опорное основание. Деформации Ег, ем,Ј0 направлены перпендикулярно длине тензоэлемента.

В результате воздействия таких деформаций сопротивление каждого тензоэлемента окружного тензорезистора увеличивается. Вследствие аналогичных

причин тензоэлементы радиального тензорезистора (фиг.2, узел ) подвергаются воздействию растягивающих тангенциальных деформаций е , вызванных воздействием измеряемого давления на мембрану, направленных перпендикулярно длине тензоэлемента, и сжимающих радиальных деформаций Јг, вызванных воздействием измеряемого давления на мембрану, сжимающих радиальных деформаций Јм, вызванных воздействием измеряемого давления на цилиндрическое опорное основание, сжимающих радиальных деформаций Ј, , вызванных воздействием измеряемого давления на цилиндрическое

опорное основание. Деформации Јг, Јм, Eti направлены вдоль длины тензоэлемента. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата уменьшается. В связи с тем, что

окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных идентичных тензоэлементов, то изменение сопротивлений окружных и радиальных тензорезисто- ров равно сумме измерений сопротивлений соответствующих тензоэлементов. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных тензорезисторов и

уменьшение сопротивлений противоположно включенных резисторов преобразуются мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При этом вследствие воздействий

дополнительных деформаций, образующихся в результате воздействия измеряемой среды на цилиндрическое опорное основание, величина выходного сигнала больше чем у известного датчика. При воздействии

нестационарной температуры измеряемой среды (термоударе) на мембране возникает неравномерное поле температур (фиг.Зд). На фиг.Зд приведена экспериментально определенная зависимость распределения температуры на планарной стороне мембраны через 0,1 с после подачи на мембрану датчика давления жидкого азота с температурой Тс. Из фиг.Зд видно, что неравномерность температурного поля в предлагаемой конструкции существенно меньше по сравнению с известным датчиком вследствие близюсти термических сопротивлений мембраны и цилиндрического опорного основания из-за равенства их толщины. При этом в области размещения тензорезисторов скорость изменения температурного поля как по радиусу, так и во времени минимальна. В связи с выбранными размерами и местонахождением тензозлементов и предлагаемыми соотношениями размеров цилиндрического опорного основания, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной стороне мембраны, температура тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов (как это видно из фиг.З), изменяясь со временем, остается одинаковой в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. При этом, так как в результате выбранных соотношений скорость изменения температурного поля как по радиусу, так и во времени в области размещения тензорезисторов меньше по сравнению с известным датчиком то и меньше погрешность при воздействии нестационарной температуры. Вследствие расположения тензоэлементов в месте сопряжения мембраны и цилиндрического опорного основания существенно облегчается также отвод тепла от тензоэлементов в опорное основание. В результате этого предлагаемый датчик можно эксплуатировать при более высокой температуре, чем известный.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика давления по сравнению с известным является повышение чувствительности от 30 до 100%, уменьшение погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды в 1,9 раза и повышение нагревостой- кости в 1,6 раза за счет расположения тензорезисторов а зоне максимальных деформаций, увеличения максимальных деформаций вследствие суммирования деформаций от воздействия измеряемого давления на мембрану с деформациями от воздействия измеряемого давления на цилиндрическое основание, за счет повышения равномерности температурного поля в зоне установки тензорезисторов и за счет расположения тензорезисторов в непосредственной близости с опорным основанием.

Повышение чувствительности позволяет при тех же конструктивных размерах изготовить датчики давления на меньшие пределы измерения. Например, невозможно было изготовить тонкопленочные датчики

давления с радиусом мембраны 2,5 мм на давление менее 2,8 МПа (вследствие невозможности изготовления мембраны толщиной менее 0,2 мм). В соответствии с предлагаемым решением возможно изготовление датчика с этими же размерами на давление 2,0 МПа и менее.

Формула изобретения

1.Датчик давления, содержащий корпус, выполненный за одно целое с ним

чувствительный элемент в виде цилиндрического стакана с воспринимающим давление дном толщиной Н, на наружной поверхности которого закреплены соединенные низкоомными окружными и радиальными перемычками идентичные тензоэлементы с радиальными размерами а, и расположенные на одинаковом расстоянии RH от центра дна стакана, отличающийся тем, что, с целью повышения

точности при воздействии нестационарной температуры, увеличения чувствительности и повышения термостойкости, в нем на внешней боковой поверхности стакана кон- центрично его внутреннему диаметру, равному 2RM, выполнена на расстоянии hK от наружной поверхности дна стакана кольцевая проточка шириной L и с внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра стакана на 2hu, причем размеры и расположение тензоэлементов выбраны из соотношений

а Пц;

RM RM + 0,5H; riK ,

2.Датчик по п.1,отличающийся тем, что в нем ширина кольцевой проточки выполнена по соотношению

L

т(Ям +0.5Н ) Н

где ft

-/о

коэффициент Пуассона.

l 7

Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем корпус, мембрану с периферийным основанием, окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные соответственно в виде идентичных тензоэлементов, соединенных низкоомными перемычками и размещенных на периферии мембраны на одинаковом расстоянии от ее центра, периферийное основание выполнено в виде расположенного в плоскости мембраны консольного участка, выполненного за одно целое с цилиндрическим опорным основанием, а размеры и местоположение тензоэлементов связаны с размерами мембраны и периферийного основания представленными соотношениями. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения их сопротивлений, которые в мостовой схеме взаимно уничтожаются. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. сл С

фиг.1

te,2