Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления при работе в условиях действия термоудара.

Известен датчик давления, в котором устойчивость к теплоудару достигается путем расположения концов тензорезистора в форме дуги на окружностях,проведенных через концы прямолинейных тензорезисто- ров.

Недостатком данной конструкции является большая температурная погрешность к несимметричному термоудару, так как при таком термоударе температурные условия работы каждого из тензорезисторов резко отличаются от температурных условий этих тензорезисторов при осесимметрич- ном термоударе. Кроме того, различные паразитные деформации, обусловленные, например, конструктивными несовершенствами закрепления мембраны в корпусе датчика и характеризующиеся несимметричным распределением по радиусу мембраны, вызывают появление дополнительных погрешностей.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик давления, содержащий корпус с установленной в нем мембраной, на которой закреплены в окружном и радиальном направлениях составные из двух частей тензорезисторы, собранные в мостовую измерительную цепь. Радиальные тензорезисторы расположены вблизи одного диаметра в периферийной части мембраны, а окружные - вблизи другого, перпендикулярного первому, диаметра, на окружностях, проходящих через концы часте й радиальных тензорезисторов.

Указанное конструктивное решение обеспечивает одинаковые температурные условия окружных и раДОШл%ьных тензорезисторов и высокую устойчивость к воздействию осесимметричного термоудара.

Однако при воздействии несимметричного термоудара такое конструктивное решение приводит к появлению большой температурной погрешности, которая возникает из-за различия температурных условий работы окружных и радиальных тензорезисторов. Датчик имеет также большие дополнительные погрешности, обусловленные паразитными неосесиммет- ричными деформациями.

Ј

-

W

k

ел

5

&

Кроме того, выполнение окружного тен- зорезистора с такими же температурными характеристиками, как и у радиального тен- зорезистора, сопряжено со значительными технологическими трудностями, поскольку значение температур в местах расположения первой и второй части окружного тензо- резмстора разные, что приводит при одинаковом удельном сопротивлении материала тензорезисторов к разной их длине, приводящей к различию условий теплоотдачи радиального и окружного тензорезисторов, к разным температурным условиям их работы.

Цель изобретения - повышение точности в условиях воздействия несимметричного термоудара.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус с закрепленной в нем мембраной с утолщенным периферийным основанием, на которой закреплены первый, второй, третий и четвертый тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, при этом первый и четвертый из них включены в противоположные плечи моста, расположены в радиальном направлении симметрично друг другу относительно центра мембраны и выполнены в виде двух последовательно соединенных между собой своими первыми концами идентичных и расположенных параллельно друг другу симметрично относительно оси мембраны тензоэлементов прямоугольной формы, причем конец каждого из тензоэлементов расположен на границе раздела мембраны и периферийного основания: второй и третий тензорезисторы выполнены прямоугольной формы, причем первый конец второго тензорезистора совмещен со вторым концом, расположенного по одну сторону оси мембраны тензоэле- мента первого тензорезистора, а конец третьего тензорезистора совмещен аналогично с расположенным по другую сторону от оси мембраны вторым концом тензозле- мента четвертого тензорезистора, при этом вторые концы второго и третьего тензорезисторов расположены на окружности, проходящей через первые концы тензоэлементов первого и четвертого тензорезисторов.

На фиг, 1 показана конструкция предлагаемого датчика давления; на фиг. 2 - схема расположения тензорезисторов на мембране; на фиг. 3 - мостовая измерительная схе; ма; на фиг, 4 - распределение температуры на поверхности мембраны.

Датчик работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления через, штуцер 7 на мембрану 6, последняя деформируется. Тензорезисторы 1 и 4

воспринимают радиальную деформацию, а тензорезисторы 2 и 3 комбинацию окружных и радиальных деформаций Под действием деформаций тензорезисторы 1 и 4

уменьшают свое сопротивление, а тензорезисторы 2 и 3 увеличивают. В результате этого на выходе мостовой измерительной цепи появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.

При действии несимметричного термоудара, например, обусловленного прохождением жидкого азота по трубопроводу, давление которого измеряется датчиком давления, установленного перпендикулярно направлению прохождения азота, темпе- ратура на поверхности мембраны распределяется так, как показано на фиг. 4 (распределение получено для трех моментов времени: т ti, т t2 и т тз на основе

экспериментальных данных). Стрелкой D условно показано направление движения жидкого азота.

Вследствие несимметричного относительно центра мембраны (оси температур Т)

распределения температуры по радиусу. температура для заданного момента времени при относительном значении радиуса, равного, например,х1/г, не равна температуре при относительном значении радиуса,

равного минус xi/r. При указанном на фиг. 3 направлении движения жидкого азота температура при отрицательных значениях относительного радиуса для каждого момента времени выше, чем при положительных значениях относительно радиуса. Температурные условия работы пары тензорезисторов R1 и R 2 отличаются от температурных условий работы другой пары тензорезисторов (R3n Rty.

Изменение сопротивлений тензорезисторов под действием термоудара определяется средним по длине тензорезистора значением температуры. Из термоударных характеристик (см. фиг. 4) видно, что значения температуры, соответствующие среднему по длине тензорезистора R1 значению температуры, для моментов времени ti, tz и ta соответственно равны Ti , J2 и Тз , а значения температур, соответствующих

среднему по длине тензорезистора R4,- значению температуры, для тех же моментов времени равны соответственно Ti , Jz и Тз .

5 . В датчике тензорезистор Рйустановлен в той же зоне (на том же протяжении относительного радиуса), что и тензорезистор R1, и значения температур этого тензорезистора для каждого момента времени, харак- териэующееся средним по его длине

значениям, равно средним значениям температур тензорезистора R1.

Аналогично можно сказать, что средняя температура тензорезистора R3 в любой момент времени равна средней температуре тензорезистора R4.

Из этого следует, что в любой момент времени изменение сопротивления тензорезистора R2 под действием несимметричного термоудара (а симметричного тем более) равно изменению сопротивления тензорезистора R1, а изменение сопротивления тензорезистора R3 - изменению сопротивления тензорезистора R4. Поскольку тензорезисторы R1 и R2 образуют одну пару близлежащих плеч моста (см. фиг. 2), а тензорезисторы R3 и R4 - другую пару близле- жащих плеч, то сигнал на выходе измерительной цепи не изменяется при воздействии термоудара, резко уменьшается динамическая температурная погрешность и становится практически равной нулю.

Эта погрешность может быть рассчитана по формуле (ai An +04 Дт4)-(оа Дта +одДтз)

ГЭп

1 1

О)

гдеоп, О2, аз, а 4 - температурные коэффициенты сопротивления тензорезисторов R1, R2, R3, R4 соответственно; ДТт, ДТ2. ДТз, ДТ4 - изменения температур по длине тензорезисторов Rf, R, R3, R4 соответственп

но; Ј firi - относительное изменение

I 1

сопротивления всех плеч измерительной цепи от номинального давления.

Для предлагаемой конструкции а со. аз од а; Д Ti ДТг Дм ; ДТз ДТ ДТ2 , поэтому формулу (1) можно представить в виде:

„ «(ATI +дт2 -AT/ -дт2 ) Г9-п«

2Јri i 1

Видно, что теоретическое значение динамической температурной погрешности предлагаемой конструкции датчика равно нулю, а экспериментальные исследования показывают, что-она при несимметричном термоударе лежит в пределах 0,5-1 %, а при симметричном термоударе в пределах 0,3- 0,6%. Динамическая температурная погрешность прототипа при несимметричном термоударе составляет 6-15%.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет существенно снизить погрешность от паразитных неравномерных деформаций, обусловленных, например, моментом затяжки, обеспечивает благоприятные технологические условия для выполнения

требования

а az- аз ОА.

Таким образом, предлагаемый датчик давления выгоДНЪ отличается от известных ранее и может найти широкое применение

0 для измерения давлений в условиях действия несимметричного термоудара. Его применение выгодно /акже при действии осесимметричного терЪюудара.

Технико-экономическим преимущест5 вом использования технического решения является повышение точности измерения давления при несимметричном термоударе в (6-30), а при симметричном (в 1,5-3) раза

20

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной с утолщенным периферийным основанием, на которой закреплены первый, второй, третий и четвертый тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, при этом первый и четвертый из них включены в противоположные плечи моста, расположены в

радиальном направлении симметрично друг другу относительно центра мембраны и выполнены в виде двух последовательно соединенных между собой своими первыми концами идентичных и расположенных параллельно друг другу симметрично относительно оси мембраны тензоэлементов прямоугольной формы, причем конец каждого из тензоэлементов расположен на границе раздела мембраны и периферийного

основания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях воздействия несимметричного термоудара, в нем второй и третий тензорезистор выИблнГён ы прямоугольной

формы, причем первый конец второго тензорезистора совмещен с вторым концом расположенного по одну сторону оси мембраны тензоэлемента первого тенэорезисто- ра, а конец третьего тензорезистора

совмещен аналогично с расположенным по

другую сторону от оси мембраны вторым

концом тензоэлемента четвертого тензорезистора, при этом вторые концы второго и

третьего тензорезисторов расположены на

окружности, проходящей через первые концы тензоэлементов первого и четвертого тензорезисторов.

Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления при работе в условиях действия термоудара. Сущность изобретения: поскольку тензоре- зисторы R1 и RJ образуют одну пару близлежащих плеч моста, а тензорезисторы ЯЗи. R4- другую пэру, то сигнал на выходе измерительной схемы не изменяется при воздействии термоударэ. 4 ил.

fflU8,2

v

«мЈ

Unum

йиг.З

tи&ш.

Impttt

(QWf