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. Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и термостойкости. За счет размещения радиальных тензорезисторов 5 в зоне мембраны 2, 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 окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов.7, противолежащие стороны каждого из которых расположены параллельно радиусу мембраны , проведенного через центр соответствующего квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, а местоположение и размеры квадратов определены представленными соотношениями. 4 ил. W е

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) s G 01 (9/04

ГОСУДАРСТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4619508/10 (22) 14.12,88 (46) 07.12.91. Бюл. М 45 (72) Е.M.Áåëîçóáoâ (53) 537.78 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1615578, кл, G 01 1 9/04, 1988, (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (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. Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и термостойкости. 3а счет размещения радиальных тензорезисторов 5 в зоне мембраны 2, где температура и ее

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 (термоудара).

Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и термостойкости, На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый датчик давления; на фиг. 2 — тоже, общий вид;,на фиг. 3 — узел I на фиг. 1; на фиг. 4 — узел I I на фиг. 1.. Ы,, 1б9б919 А1 изменение полностью идентичны температуре и ее изменению.в зоне размещения окружных тенэорезисторов и за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов, При этом окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов.7, противолежащие стороны каждого из которых расположены параллельно радиусу мембраны, проведенного через центр соответствующего квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, а местоположение и размеры квадратов определены представленными соотношениями, 4 ил.

Датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент в виде круглой жесткозащемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензореэисторы 4, размещенные по дуге окружности, и тензорезисторы 5 размещенныепо радиусу мембраны. Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тензореэисторы

5 выполнены в виде соединенных ниэкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7. Противолежащие стороны каждого из квадратов расположены параллельно радиусу мембраны, проведенного через центр 8 со1696919

30

50 ответствующего квадрата. Две другие противолежащие стороны каждого из квадратов рээмещены по обе стороны от границы

9 раздела мембраны и опорного основания.

Датчик давления работает следующим образом..

При воздействии на мембранудавления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций.

В связи с тем, что окружные тензорезисторы выполнены в виде квадратов, противолежащие стороны каждого из которых расположены параллельно радиусу мембраны, проведенного через центр соответствующего квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, а также в связи с тем, что местоположение и размеры были выбраны исходя из заявляемых соотношений, резистивный квадрат окружного тензореэистора (фиг. 3) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата окружного тензорезистора увеличится. Вследствие аналогичных причин резистивный квадрат радиального тензорезистора (фиг. 4) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендйкулярно длине резистора, и сжимающих радиальных действий, направленных вдоль длины резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата радиального тензорезистора уменьшается, В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, то, Ek0" первых, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторав будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных квадратов, а во-вторых, изменения сопротивлений соответствуЮщих резистивных квадратов равны между собой, Увеличение сопротивлений 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.

Так как размеры сторон резистивных квадратов радиальных и окружных тензореэисторов одинаковы, а расположение и раэмеры всех реэистивных квадратов идентичны и выполнены в соответствии с заявляемыми соотношениями, то несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарнай стороне мембраны, среднеинтегральная температура квадратов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тенэорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.

Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторов выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно раэмещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, расположенных по обе стороны от границы раздела мембраны и опорного основания, .а также в связи с одинаковым количеством реэистивных квадратов, мощность, выделяемая в каждом резистивном квадрате от напряжения питания, будет одинакова; и температура перегрева относительно опорного основания каждого резистивного квадрата. Причем так как все резистивные квадраты расположены так, что одна половина квадрата расположена на опорном основании, а другая — непосредственно на мембране, то условия теплоотвода тепла от саморазогрева отдельных квадратов тензореэисторов будет, во-первых, полностью идентичны, à во-вторых, существенно облегчены. Это связано с существенным уменьшением термического сопротивления между отдельными квадратами тензорезисторов и опорным основанием, поскольку квадраты частично расположены непосредственно на опорном основании.

Аддитивная температурная погрешность датчика давления при воздействии не-. стационарной температуры измеряемой среды от +50 С до температуры жидкого азота не превышает 0,45$.

Преимуществом предлагаемого датчика давления является повышение точности в

1696919 — а)— а Н; 7=г — 05(г" а — — arcsin а 2г

ll

4uz.r условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды за счет полной идентичности температуры и ее изменения при термоударе в зоне размещения радиальных и окружных тензорезисторов. Дру- 5 гим преимуществом конструкции является увеличение термостойкости в 1,7 раза за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов, а 10 также их отдельных элементов. Преимуществом является также повышение чувствительности за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформа- 15 ций, а также за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформаций. За счет повышения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изго- 20 тавливать датчики давления на меньшие пределы измерения. Преимуществом конструкции к тому же является и возможность существенного улучшения габаритно-массовых характеристик за счет освобождения 25 центральной части мембраны от тензорезисто ров.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану толщиной Н и радиусом r с утол- 30 б щенным периферийным основанием, закрепленные на мембране и соединенные низкоомными перемычками в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде квадратов со стороной а, соединенных последовательно между собой другими низкоосными перемычками, причем количество квадратов равно отношению сопротивления тенэорезистора к его поверхностному сопротивлению, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия термоудара, увеличения чувствительности и термостойкости, в нем одни противолежащие стороны каждого иэ квадратов расположены параллельно радиусу мембраны, проведенному через центр квадрата, а другие противолежащие стороны каждого из квадратов размещены по обе стороны от окружности радиуса r, причем местоположение и размеры квадратов определены из условий: где Z — расстояние от окружности радиуса r до противоположной ей стороны квадрата.

1696919

1696919

Х

У

Составитель О. Слюсарев

Редактор Т.Зубкова ТехредМ.Моргентал. Корректор Т. Малец

Заказ 4299 Тираж" .. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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