Датчик давления

 

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. Цель изобретения - повышение точности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды, повышение чувствительности и эксплуатационных возможностей за счет учета неравномерности температур и возникающих термодеформаций в зоне установки тензорезисторов, расположенных на различных расстояниях от центра мембраны, расположения тензоэлементов в зонах максимального изменения деформаций и суммирования изменений выходных сигналов измерительных мостов, а также за счет возможности получения с одного датчика информации о давлении и распределении температур на мембране. В датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным участком и с жестким центром и измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 5 равномерно расположенных на поверхности мембраны по радиальным направлениям тензоэлементов 6 одноименного изменения от измеряемого давления, введен дополнительный измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 8 равномерно расположенных на поверхности мембраны по тангенциальным направлениям тензоэлементов 9 одноименного изменения от измеряемого давления. Причем тензоэлементы обоих мостов выполнены в виде идентичных квадратов , две противолежащие стороны которых расположены параллельно радиусам мембраны , проведенным через центры соответствующих квадратов, и тензоэлементы одноименного изменения размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны , а размеры сторон каждого квадрата определены по представленному в описании соотношению. 3 ил. U) С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 1 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ТИХ 3 Р

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4655111/10 (22) 13.01.89 (46) 07.09.91. Бюл, М ЗЗ (72) Е.М. Белозубов (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1408263, кл. G 01 1 9/04, 1986, (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (57) 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. Цель изобретения — повышение точности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды, повышение чувствительности и эксплуатационных воэможностей за счет учета неравномерности температур и возникающих термодеформаций в зоне установки тензорезисторов, расположенных на различных расстояниях от центра мембраны, расположения тензоэлементов в зонах максимального изменения деформаций и суммирования изменений выходных сигналов измерительных мостов, а также за счет возможности получения с одного датчика ин„„. Ж „„1675702 А1 формаций о давлении и распределении температур на мембране, В датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным участком и с жестким центром и измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 5 равномерно расположенных на поверхности мембраны по радиальным направлениям тензоэлементов 6 одноименного изменения от измеряемого давления, введен дополнительный измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 8 равномерно расположенных на поверхности мембраны по тангенциаль- ® ным направлениям тензоэлементов 9 одноименного изменения от измеряемого давления. Причем тензоэлементы обоих мостов выполнены в виде идентичных квадратов, две противолежащие стороны которых расположены параллельно радиусам мембраны, проведенным через центры соответствующих квадратов, и тензоэлементы одноименного изменения размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны, а размеры сторон каждого квадрата определены по представленному в описании соотношению. 3 ил.

1675702

30

45

Изобретение относится к измерлтельной 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 (термоудара), а также в системах управления, регулирования и защиты ответственных агрегатов, где требуется повышенная информативность.

Целью изобретения является повышение точности при воздействии нестационарной температуры, повышение чувствительности и эксплуатационных возможностей.

На фиг. 1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг. 2 — сечение А — А на фиг, 1, на фиг. 3 — схема включения датчика, Датчик давления содержит мембрану 1 с утолщенным периферийным участком 2 и жестким центром 3, измеритег ьный hhocT 4, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 5 равномерно расположенных на поверхности мембраны по радиаг ьным направлениям тензоэлементов 6.

Каждое плечо моста образовано тензоэлементами пдноименного изменения от измеряемого давления, Например, тензорезистор R 1 образован тензоэлементами 6, сопротивления которых под во действием измеряемого давления уменьшаются, Я 2 — тензоэлементами., сопротивления которы>: увеличлваются и т.ll, Дополнительный измерительный мост 7, каждое плечо которого образовано последовательным соеди;-fBIIMBM низкоомными перемычками 8 равномерно расположенных на поверхности мембраны по тангенциальным направлениям тензоэлементов 9, Тензозлементы обоих мостов выполнены в виде идентичных квадратов, Две противолежащие стороны каждого квадрата расположены параллельно радиусам мембраны, проведенным через центры оответствующего квадрата, Тензорезисторы с помощью контактных площадо, 10 соединены с выводами 1 1 корпуса, В ll)/чае выполнения мсмбраны из электропзоводного материала тензорезисторы, низкоомные перемычки и контактные перемычки изолированы с помощью диэлектрической пленки 12.

Датчик давления работает следующим образом, При воздействии на мембрану давления на ее поверхности возникают радиальные и тангенциальные деформации. В связи с тем, что каждое плечо измерительного моста образовано последовательным соединенлем равномерно расположенных на мембране по радиальным направлениям тензоэлементов, выполненных в виде квадратов, то тензоэлементы, расположенные на границе раздела мембраны и периферийного основания (тензорезисторы R 1 и R 3), подвергнутся воздействию сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины тензоэлемента, В результате этого воздействия соп ротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы R 1 и R 3, а следовательно, и самих тензорезисторов.R

1 и R 3 уменьшится.

Тензоэлементы, расположенные на гранлце раздела мембраны и жесткого центра (тензорезисторы R 2, R 4), подвергаются воздействи с растягивающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины тензоэлемента. В силу этого воздействия сопротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы R 2, R 4, а следовательно, и самих тензорезисторов R 2 и R 4 увеличивается. В связи с тем, что каждое плечо измерительного моста образовано последовательным соединением равномерно расположенных на границе раздела мембраны и периферийного основания (тензорезисторы R 6 и R 8) подвергнутся воздействию сжимающих радиальных деформа ций, напра влен н ых пер пенди куля р но дллне тензоэлемента. В результате этого воздействия сопротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы R 6 и R 8, а следовательно, и самих тензорезисторов

R 6 и R 8, увеличивается, Тензоэлементы, расположенные на границе раздела мембраны и жесткого центра (тензорезисторы R 5, R 7), подвергаются воздействию растягивающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длины тензоэлемента. В силу этого воздействия сопротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы R 5, R 7, а следовательно, и самих тензорезисторов R

5, R 7, уменьшается. Flp воздействии тангенциальных деформаций происходят аналогичные процессы. Изменение сопротивлений тензорезисторов R 1 и R 4 измерительным мостом 4 преобразуется в выходной сигнал, Изменение сопротивлений тензорезисторов R 5 — R 8 измерительным мостом 7 преобразуется в. выходной сигнал, Выходной сигнал измерительного моста 4 усиливается дифференциальным усилителем 13, Выходной сигнал измерительного моста 7 усиливается дифференциальным усигителем 14, На выходе дифференциального усилителя 15 появляется сигнал, пропорциональный разности сигналов с измерительных мостов 4 и 7, В случае, если датчик находит1675?02 ся в стационарных температурных условиях, т.е. когда температура в области границы раздела мембраны и жесткого центра и температура в области границы раздела мембраны и периферийного основания не отличаются друг от друга, в связи с тем, что тенэореэисторы образованы идентичными элементами в виде квадратов и в связи с тем, что две противолежащие стороны каждого квадрата расположены параллельно радиусам мембраны, проведенным через центры соответствующего квадрата, разность сигналов с измерительных мостов равна нулю.

На выходе дифференциального усилителя 16 появляется сигнал пропорциональных сумме сигналов измерительных мостов, так как сигнал с дополнительного измерительного моста прежде, чем попасть на вход дифференциального усилителя 16, инвертируется инвертором 17 с коэффициентом усиления. При воздействии на мембрану датчика нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различного термического сопротивления непосредственно мембраны и места присоединения периферийного основания с элементами установки датчика температура области границы раздела мембраны и жесткого центра отличается от температуры границы раздела мембраны и периферийного основания.

При этом характер изменения сопротивлений тензорезисторов от разницы температур на мембране у одного из измерительных мостов с увеличением давления совпадает с характером изменения сопротивлений двух противолежащих тенэорезисторов, располол енных в области границы раздела мембраны и жесткого центра, а характер изменения сопротивлений противолежащих тенэорезисторов, расположенных в области границы раздела мембраны и жесткого центра, у другого измерительного моста от разницы температур противоположен изменению сопротивлений этих тензорезисторов от увеличения давления.

Аналогичное соотношение характеров изменений наблюдается между изменениями сопротивлений тензорезисторов от термодеформаций, возникающих в результате неравномерности температур на мембране и изменениями сопротивлений тензорезисторов от давления в связи с тем, что характер изменения термодеформаций совпадает с характером изменения температур на мембране.

Например, температура области границы раздела мембраны и жесткого центра превышает температуру области границы раздела мембраны периферийного основа5

55 ния. Тогда при одинаковом ТКС тензорезисторов (а он одинаков, так как тензоэлементы обоих мостов изготавливаются в одном технологическом цикле) увеличение сопротивлений тенэорезисторов Р 2, P 4 от измеряемого давления совпадает с увеличением сопротивления тенэорезисторов R 2 и R 4 от разницы температур на мембране, а увеличение сопротивлений тенэорезисторов R

5 и R 7 от разницы температур противоположен изменению сопротивлений тензорезисторов R 5 и R 7 от увеличения давления (от увеличения давления сопротивления тензорезисторов R 5 и R 7 уменьшаются), Вследствие различного изменения (по знаку) сопротивлений тензорезисторов от давления и разницы температур в измерительном и дополнительном мосте и в связи с одинаковой величиной изменения сопротивлений тензорезисторов от давления и изменения температуры (т.е. изменения сопротивлений по амплитуде в измерительном мосте от изменения давления равно изменению сопротивлений тензореэисторов в дополнительном мосте, а изменение сопротивлений по амплитуде тензорезисторов от изменения температуры равно изменению сопротивлений тензореэисторов дополнительного моста от изменения температуры), так как размеры тензоэлементов обоих тензомостов идентичны, они попарно находятся на одинаковом расстоянии от центра мембраны и идентично ориентированы относительно центра мембраны. на выходе дифференциального усилителя 15 образуется выходной сигнал, пропорциональный разности темпера-,ур (так как термодеформации тоже характеризуют эту разность) на мембране, а на выходе дифференциального усилителя 16 образуется выходной сигнал, пропорциональный удвоенному значению давления, измеренного каждым измерительным мостом. Размеры сторон резистивных квадратов выбраны в соответствии с представленным соотношением, исходя из необходимости максимального повышения чувствительности к измеряемому давлению.

Преимуществом датчика давления является повышение точности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды эа счет возможности учета неравномерности температур и возникающих эа счет этой неравномерности термодеформаций в зоне размещения тензоэлементов, расположенных на различных расстояниях от центра мембраны. Преимуществом конструкции является также повышение чувствительности за счет размещения тензоэлементов в зоне макси1675702 мального изменения деформаций от измеряемого давления и суммирования изменений выходных сигналов измерительного и дОполнительного тензомостов. Другим примуществом конструкции является павы- 5

LLI8HM8 функциональных воэможностей за счет получения с одного датчика информации о давлении и информации о распределении температуры на мембране, которая характеризует скорость изменения неста- 10 ционарной температуры измеряемой среды. Преимуществом конструкции является также то. что возможно раздельное двухканальное снятие информации о давлении с измерительного и дополнительного тензо- 15 мостов с дифференциальных усилителей 13 и 14.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану, выполненную с жестким центром и по периферии за одно целое с корпусом, закрепленные на планарной стороне мембраны тензорезисторы, соединены по 25 радиальным направлениям низкоомными перемычками в измерительный мост, два противоположных плеча которого образованы тензорезисторами, расположенными по периферии мембраны, а два других — на 30 границе раздела мембраны и жесткого центра, отл ича ющийся тем, что,с целью повышения точности при воздействии нестационарной температуры. повышения чувствительности и расширения эксплуата- 35 ционных возможностей, в него введены четыре дополнительных тензорезистора, закрепленных на планарной стороне мембраны и соединенных по тангенциальным направлениям первыми дополнительными низкоомными перемычками в дополнительный измерительный мост, два противоположных плеча которого образованы двумя дополнительными тензорезисторами, расположенными по периферии мембраны, а два других плеча — двумя другими дополнительными тенэорезисторами, расположенными на границе раздела мембраны и жесткого центра, при этом каждое плечо дополнительного измерительного моста, расположенное по периферии и на границе раздела мембраны и жесткого центра, по-. парно симметрично относительно центра мембраны соответствующему плечу измерительного моста, а каждый тенэорезистор выполнен в виде последовательно соединенных вторыми дополнительными низкоомными перемычками идентичных тенэоэлементов, которые выполнены в форме квадрата, одна из сторон которого параллельна радиусу мембраны, проведенному через центр квадрата, а размер стороны квадрата а определен из соотношения: а = Matc и Руд где Р,« — максимальная мощность рассеиваемая плечом моста, мАт;

n — количество тенэоэлементов в плече моста, Руд — максимально допустимая поверхностная рассеиваемая мощность, мВт/мм .

1675702 о(щ г,3

Составитель О. Слюсарев

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор M. Кучерявая

Редактор М. Бланар

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2994 Тираж 339 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская на6„4/5