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 т емпературы измеряемой среды (термоудара).

Целью изобретения является повышение точности в условиях действия термоудара, повышение чувствительности термостойкости.

На фиг. 1 изображен общий вид датчика давления; на фиг. 2 изображены фрагменты датчика.

Датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент в виде круглой жестко защемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3. на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5. Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тензорезисторы 5 выполнены в виде соединенных никзоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 7. Тен- зоэлемент тензорезисторов выполнен в виде отрезков кольца, одно основание которого выполнено в виде дуги окружности ру- диусом, равным радиусу мембраны, и расположено на границе 8 раздела мембраны и опорного основания. Другое основание отрезка кольца в виде дуги окружности 9. равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, расположено на этой окружности. Параметры элементов выбраны в соответствии с заявляемыми соотношениями.

Датчик давления работает следующим образом.

При воздействии на мембрану давпения в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций (см. фиг. 2). В результате воздействия таких деформаций сопротивление резисторного

О

ю

элемента радиального тензорезистора уменьшается. Вследствие аналогичных причин резистивный элемент окружного тензорезистора (см. фиг. 2, узел I), подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление элемента окружного тензорезистора увеличивается. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов, то, во-первых, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов равно сумме изменений сопротивлений соответствующих идентичных тензоэлементов, а во-вторых, изменения сопротивлений соответствующих элементов равны между собой.

Увеличение сопротивления противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных резисторов преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, который 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. В связи с тем, что тензозлементы радиальных и окружных тензорезисторов имеют одинаковые размеры вдоль радиусов мембраны, так как, с одной стороны, они ограничены границей раздела мембраны, а с другой стороны, окружностью, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на пленарной стороне мембраны, среднеинтегральная температура окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь со временем, одинакова 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.

Технико-экономическим преимуществом 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. Другим преимуществом конструкции является увеличение нагревостойкости за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов, а также их отдельных элементов. Причем повышение термостойкости достигнуто при тех же конструктивных материалах. Преимуществом конструкции является также повышение чувствительности за счет размещения большей части сопротивлений элементов радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций, а также за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформаций. За счет повышения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изготавливать датчики давления на меньшие пределы измерения. Преимуществом конструкции является также возможность улучшения габаритно-массовых характеристик за счет освобождения центральной части мембраны

от тензорезисторов.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса п с утолщенным периферийным основанием и закрепленные на плзнарной стороне мембраны и соединенные низкоомными перемычками в измерительную мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы. каждый из которых выполнен в вмде множества тензоэлементов, соединенных последовательно между собой другими низкоомиыми перемычками, при этом каждый тензозлеменг выполнен в виде отрезка кольца, внешняя дуга которого расположена на окружности мембраны радиуса п, а внутренняя - на окружности радиуса Г2, который определен из условия гг 0,8п, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях действия термоудара, повышения чувствительности и

термостойкости, в нем расстояние между концами внешней дуги тензоэлемента окружного тензорезистора и L.2 между концами внутренней дуги тензоэлемента радиального тензорезистора определены

из следующих соотношений: U Qi п; La - Q2 Г2;

55

га

гиГ-%

Q2 И

02

П U

4 г2 ( п - г2 ) /п - - п

(П + T2)U

Lo - минимально допустимое расстояние соответственно между концами внешней дуги тензоэлемента радиального тен- зорезистора, или концами внутренней дугитензоэлементаокружноготензорезистора.

Датчик давления может быть использован в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления с повышенной точностью в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, упругий элемент в виде жестко защемленной мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисто- ры, размещенные по дуге окружности и по радиусу мембраны, окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэ- лементов, причем параметры элементов выбраны по представленным соотношениям. 2 ил.

R