Датчик давления Советский патент 1993 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 условиях действия термоудара и увеличение чувствительности.

На фиг.1 изображен общий вид датчика давления; на фиг.2 - место I на фиг,1; на фиг.З - место II на фиг.1. . .

Датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент в виде круглой жесткоза- щемленной 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.

Радиальные и окружные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединённых низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных на границе раздела 7 мембраны и опорного основания элементов. Каждый элемент радиального тензорезистора (см.фиг.З) выполнен в виде последовательно соединенных на границе раздела мембраны и опорного основания отрезка кольца 8, ограниченного с наружной стороны окружностью 9, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с внутренней стороны - границей раздела 7 мембраны и опорного основания, с боковых сторон-ломаной прямой. Каждый тензоэлемент окружного тензорезистора (см.фиг.2) выполнен в виде параллельно соединенных по границе раздела мембраны и опорного основания отрезка кольца 12, ограниченного с наружной стороны границей раздела мембраны и опбрного основания, с внутренней стороны- окружностью, расположенной на мембране и равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с боковых стоел С

00

--А

00

сл

J01

о

рон-ломаной прямой. Параметры тензоэле- ментов мембраны выбраны по представленным соотношениям.

Датчик давления работает следующим образом. При воздействии на мембрану давления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных Јг и тангенциальных ег деформаций.

В связи с выбранной конфигурацией окружного тензорезистора (см.фиг.2) резистивный элемент окружного тензорезистора подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резисторного квадрата окружного тензорезистора увеличится. Вследствие аналогичных причин резистивный элемент радиального тензорезистора (.З) повергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного элемента радиального тензорезистора уменьшится. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низко- омными перемычками и равномерно размещенных по границе раздела мембраны идентичных элементов, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных элементов, а изменения сопротивлений соответствующих резистивных элементов равны между собой. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных резисторов преобразуются мостовой съемной в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика.

В связи с тем, что сопротивления элементов тензорезисторов распределены по радиусу мембраны таким образом, что максимумы сопротивлений находятся на границе раздела мембраны и опорного основания, изменения сопротивлений элементов тензорезисторов будут больше, чем если бы распределение величины сопротивлений было равномерным. Это связано с тем, что при выбранной топологии основную роль в изменении сопротивлений играют радиальные деформации, как существенно превалирующие по величине над тангенциальными. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара) вследствие различных термических сопротивлений сравнительно тонкой мембраны и массивного опорного основания на мембране возникает неравномерное

0 поле температур, В связи с тем, что размеры резистивных элементов радиальных и окружных тензорезисторов в направлении радиуса мембраны и опорного основания одинаковы, и расположение и размеры всех

5 резистивных элементов идентичны, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной стороне мембраны, среднеинтегральная температура элементов окружных и радиальных тен0 зорезисторов, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызы5 вает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. Полбжительную роль также играет минимальная скорость

-0 изменения температуры в зонах установки тензорезисторов. В связи с тем, что сопротивления элементов тензорезисторов распределены по радиусу мембраны таким образом, что максимумы сопротивлений на-,

5 ходятся на границе раздела мембраны и опорного основания, то изменение сопротивлений элементов тензорезисторов от изменения температуры при термоударе будет существенно уменьшено по сравне0 нию с равномерным распределением сопротивлений -элементов по радиусу мембраны. Это связано с тем, что в случае расположения максимума сопротивлений элементов радиальных тензорезисторов на

5, одинаковом расстоянии по радиусу мембраны с расположением максимума сопротивлений элементов окружных тензорезисторов, а именно на границе раздела мембраны и опорного основания, большие части сопротивле0 ний элементов этих тензорезисторов будут находиться в полностью идентичных температурных условиях.

Технико-экономическим преимуществом датчика давления является повышение

5 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, а также повышение чувствительности за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций за счет размещения максимума сопротивления элемента в зоне максимального изменения де- формаций и за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформаций. Из-за увеличения 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 Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса г0 и толщиной Н с утолщенным периферийным основанием и закрепленные на планарной стороне мембраны и соединенные низкоомными перемычками в измерительную мостовую схему окружные и радиальные тензорези- сторы, каждый из которых выполнен в виде множества тензоэлементов, соединенных последовательно между собой другими низ- коймными перемычками, при этом каждый тензоэлемент выполнен в виде отрезка кольца, внешняя дуга которого расположена на периферийном основании по окружности радиуса п, а внутренняя дуга - на

мембране окружности радиуса г, причем дуги равноудалены от окружности радиусу г0, а радиусы п и п выбраны из соотношений п г0 + 0.5Н, га 0,8г0. отличающийс я тем, что, с целью повышения точности в условиях действия термоудара и увеличения чувствительности, в нем длина внешней дуги тензоэлемента равна длине внутренней дуги, при этом каждая боковая сторона

теноэлемента выполнена в виде ломаной прямой, образованной двумя прямыми отрезками, которые соединены в точке, расположенной на окружности г0, причем прямые отрезки боковых сторон окружного

тензоэлемента, расположенные на мембране, направлены по соответствующим лучам центрального угла Qi, который определен из соотношения

Qi 2arcsln

Lo

2Г2

а прямые отрезки боковых сторон радиального тензоэлемента, расположенные на периферийном основании, направлены по соответствующим лучам центрального угла Q2 который определен из соотношения U

Q2 2arcsin

2г0

где U - минимально допустимое расстоя- ние между концами дуг окружного тензоэлемента и точками соединения отрезков прямых боковых сторон радиального тензоэлемента.

Изобретение может быть использовано при измерениях с повышенной точностью давлений в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. В связи с тем, что размеры резистивных элементов радиальных и окружных тензорези- сторов в направлении радиуса мембраны и опорного основания одинаковы, а расположение и размеры всех резистивных элементов идентичны, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры, среднеинтегральная температура элементов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый момент времени. Это вызывает одинаковые изменения сопротивлений, в результате в мостовой схеме измерения температурная погрешность компенсируется. 3 ил.

ЖШ$ШШ$ШШ$Ж$

{ШЯЯХХЯЯЯХ ЯЯ/Х

. - Т.-П-1ПШ1. J LJ - - - |.| /S/

2га

Место I ig,

11