Датчик давления Советский патент 1992 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 условияхвоздействия термоудара, увеличение чувствительности и термостойкости.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления. На фиг.2 изображены фрагменты датчика в увеличенном масштабе.

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, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5. Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тензорезисторы 5 выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии

мембраны и поверхности опорного основания, прилегающей к границе раздела мембраны и опорного основания идентичных кольцевых секторов 7 Граница 8 условно разделяет мембрану и опорное основание. Кольцевые сектора ограничены с наружной стороны дугами расположенной на поверхности опорного основания окружности 9, равноудаленной от границы 8 раздела мембраны и опорного основания. С внутренней стороны кольцевые секторы ограничены дугами расположенной на мембране окружности 10, равноудаленной от границы 8 раздела мембраны и опорного основания. С боковых сторон кольцевые секторы ограничены радиусами мембраны, продолженными на опорное основание.

Датчик давления работает следующим образом. При воздействии на мембранудав- ления в ней возникают радиальные и тан генциальные напряжения, которые приводят к появлению на плэнарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций

В связи с тем, что окружные тензорезисторы выполнены в виде кольцевых сектосл С

4j

о ел

i4 ю

о

ров, ограниченных с наружной стороны дугами расположенной на поверхности опорного основания окружности, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с внутренней стороны дугами расположенной на мембране окружности, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с боковой стороны радиусами мембраны, а также в связи с тем, что параметры секторов выбраны в соответствии с заявляемым соотношениями,кольцевой сектор окружного тензорезистора (см.фиг.2, выноска 1) подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине элемента тензорезистора, и воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины элементы тензорезистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление сектора окружного тензорезистора увеличивается. Вследствие аналогичных причин каждый сектор радиального тензорезистора (см.фиг.2 выноска II) подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины элемента тензорезистора и воздействию растягивающих тангенциальных напряжений, направленных перпендикулярно длине тензорезистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление сектора радиального тензорезистора уменьшится. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных секторов, то, во-первых, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соот- ветствующих идентичных элементов, а во-вторых, изменения сопротивлений соответствующих секторов равны между собой.

Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных резисторов преобразуются мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара) вследствие нестационарной температу- оы 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 секторы радиальных и окружных тензорезисторов имеют одинаковые размеры вдоль радиусов мембраны, так как с одной стороны они ограничены

дугами окружности, расположенной на опорном основании и равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, а с другой стороны, дугами размещенной на мембране окружности,

0 равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры, на планарной стороне мембраны среднеинтегральная температура окруж5 ных и радиальных тензорезисторов, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный

0 момент времени вызывают одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов. которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. Экспериментально обнаружено,

5 что деформации, возникающие на планарной стороне мембраны в области опорного основания, прилегающей к границе раздела мембраны и опорного основания,от воздействия измеряемого давления,, зависят от

0 толщины мембраны. Чем толще мембрана, тем на большее расстояние от границы раздела мембраны и опорного основания проникают образующиеся деформации, И, соответственно, чем меньше толщина мем5 браны, тем на меньшее расстояние от границы раздела мембраны и опорного основания проникают образующие при воздействии измеряемого давления деформации. Т.е. для заданной определенной

0 толщины мембраны деформации, возникающие в опорном основании уменьшаются по мере удаления от границы раздела мембраны и опорного основания. Наиболее резко уменьшаются радиальные деформации

5 при превышении расстояния от границы раздела мембраны и опорного основания. Наиболее резко уменьшаются радиальные деформации при превышении расстояния от границы раздела мембраны и опорного

0 основания половины толщины мембраны.

Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещен5 ных по периферии мембраны идентичных элементов, а также в связи с одинаковым количеством резистивных элементов, мощность, выделяемая в каждом резистивном секторе от напряжения питания, будет оди- накова и будет одинакова температура перегрева относительно опорного основания каждого резистивного элемента. Причем так как все резистивные секторы расположены таким образом, что половина сектора расположена на опорном основании, а дру- га я поТШвйй а pTac ri61ro)keri3 непосредственно на мембране, то условия теплоотвода тепла от саморезогрева резистивных секторов тензорезисторов будут, во-первых, полностью идентичны, а во-вторьГх, существенно облегчены. Это связано с существенным уменьшением термического Ш ШЪ 5П тг&Кепьт,ми еёЬтвра- митензорезисторов и опорным о сно в анйем в связи с тем, что все секторы частично расположены непосредственно на опорном основании.

Аддитивная температурная погрешность датчика давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от +50°С до температуры жидкого азота не превышает 0,44%.

Таким образом, 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 термостойкости за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов.

Преимуществом заявляемой конструкции является также повышение чувствительности за счет размещения 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 существенного улучшения габаритно-массовых

характеристик за сЧет освобождения центральной части мембраны от тензорезисторов.

Формула изобретения

1. Датчик давления, содержащий корпус,мембрану толщиной Н и радиусом г0 с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на пленарной стороне мембраны и включенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде идентичных тензоэле- ментов, соединённых последовательно Между собой нйзкоомнымй перемычками, причем каждый тензоэлемент выполнен в

виде кольцевого сектора, внешняя дуга которого расположена йа окружности радиусом п, а с внутренней стороны кольцевой сектор ограничен внутренней дугой радиусом Г2, который определен из условия

,8г0, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях термоудара, увеличения термостойкости и чувствительности в нем внешняя дуга каждого кольцевого сектора расположена на утолщенном периферийном основании на расстоянии от радиуса мембран г0, равном расстоянию от него до внутренней дуги кольцевого сектора, а боковые стороны кольцевого сектора расположены под углом

0, определенным из условия

Q V 2 (Г1 -Г2 )ln П/Г2 П + Г2

35 0 2arcsin 2г2

,5Н,

где L0- расстояние между концами внутренней дуги кольцевого сектора.

2. Датчик по п. 1,отличающийся тем, что в нем радиус Г2 окружности, на которой расположена внутренняя дуга каждого кольцевого сектора на мембране, удовлетворяет соотношению

Г24го2Т77

«CJ

о

CM

r- ю o rto

/

8

Изобретение может быть использовано для измерения с повышенной точностью давлений в уловиях воздействия термоудара. Цель достигается за счет размещения радиальных тензорезисторов в зоне мембраны, 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 тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками кольцевых сегментов. Их параметры и местоположение выбраны по представленным соотношениям 1 з.п ф-лы, 2 ил.

Ю 8 5 9