Датчик давления
Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления при работе в условиях действия термоудара. Сущность изобретения: поскольку тензорезисторы R1 и RJ образуют одну пару близлежащих плеч моста, а тензорезисторы ЯЗи. R4- другую пэру, то сигнал на выходе измерительной схемы не изменяется при воздействии термоударэ. 4 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР .
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
I»
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 (21) 4836208/10 (22) 07.05.90 (46) 30.07.92, Бюл. N 28 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений и Пензенский политехнический институт (72) А.И.Тихонов; A,È,Âîðîæáèòîâ, Н.Ф.Соснин и С.А.Тихонов (56) Авторское свидетельство СССР
N 1474486, кл. G 01 1 9/04, 1988, Авторское свидетельство СССР
N 1462128, кл, G 01 1 9/04, 1988, Изобретение .относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления при работе в условиях действия термоудара, Известен датчик давления, в котором устойчивость к теплоудару достигается путем расположения концов тензореэистора в форме дуги на окружностях, проведенных через концы прямолинейных тензорезисторов,.
Недостатком данной конструкции явля-. ется большая температурная погрешность к несимметричному термоудару, так как при таком термоударе температурные условия работы каждого из тензорезисторов резко отличаются от температурных условий этих тензорезисторов при осесимметрич= ном термоударе. Кроме того, различные па-, разитные деформации, обусловленные, например, конструктивными несовершенствами закрепления мембраны в корпусе датчика и характеризующиеся несимметричным распределением по радиусу мембраны, вызывают появление дополнительных погрешностей.
Наиболее близким к предлагаемому является датчик давления, содержащий кор„„Я „„1751645 А1 (я)з 6 01 L 9/04 (57) Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления при работе в условиях действия термоудара, Сущность изобретения: поскольку тензорезисторы R3 и Я3 образуют одну пару близле)кащих плеч моста, а тензореэисторы ЙЗи
R г- другую пару, то сигнал на выходе измерительной схемы не изменяется при воздействии термоудара. 4 ил.. пус с установленной в нем мембраной, на которой закреплены.в окружном и радиальном направлениях составнйе"из двух частей тензорезисторы, собранные в мостовую измерительную цепь. Радиальные тензорезисторы раси"оложе н ы вблизи одного диаметра в периферийной части мембраны, а окружные — вблизи другого, перпендикулярного первому, диаметра, на окружностях, проходящих через концй частей радиальных тензорезисторов.
Указанное конструктивное решение обеспечивает одинаковые температурные условия окружных и pclpMhbHblx тензорезисторов и высокую уСтойчивость к воздействию осесимметричного термоудара.
Однако при воздействии несимметричного термоудара такое конструктивное решение. приводит к появлению большой температурной погрешности, которая возникает из-за различия температурных условий работы окружных и радиальных тензорезисторов. Датчик имеет также большие дополнительные погрешности, обусловленные паразитными неосесимметричными деформациями.
1751645 воспринимают радиальную деформацию, а тензорезисторы 2 и 3 — комбинацию окружных и радиальных деформаций, Под действием деформаций тензорезисторы 1 и 4 уменьшают свое сопротивление, а тензоретехнологическими трудностями, поскольку зисторы 2 и 3 увеличивают. В результате этого на выходе мостовой измерительной значение температур в местах расположения первой и второй части окружного тензорезистора разные; что приводит при цепи появляется сигнал,. пропорциональный измеряемому давлению. При действии несимметричного термо10 удара, например, обусловленного. прохождением жидкого азота по трубопроводу ров, к разным температурным условиям их давление которого измеряется датчиком работы..: .. .. давления, установленного перпендикулярЦель изобретения — повышение точно- 15 но направлению прохождения азота, темпе сти в условиях воздействия йесимметрично- ратура на поверхности мембраны го термоудара.. " . распределяется так, как показано на фиг. 4
Поставленная цель достигается тем, что (распределение получено для трех моменв датчике давления; содержащем корпус с тов времени; t,= t), l t2 и т= t3 на основе экспериментальных данных). Стрелкой D условно показано направление движения жидкого азота. . Вследствие несимметричного относирой закреплены первый, второй, третий и четвертый тензорезисторы, соединенные в моставую измерительную схему, при этом тельно центра мембраны(оси.температур T) первый и четвертый из них включены в про-. 25 распределения температуры по радиусу, температура для заданного момента времетивоположные плечи моста, расположены в радиальном .направлении симметрично ни при относительном значении радиуса, равного, например,+х1/г, не равна температуре при отноСительном значении радиуса, друг другу относительно центра мембраны и выполнены в виде двух йоследовательно соединенных между собой своими первыми 30 равного минус х1/r. При указанном на фиг., концами. идентичных и расположенных па- 3 направлении движения жидкого азота раллельно друг другу симметрично относи-. температура при отрицательных значениях тельно оси мембраны тензоэлементов .относительного радиуса для каждого мопрямоугольной формы, причем конец каж- мента времени выше, чем при положитель дого из тензоэлементов расположен íà rpa- 35 .ных значениях относительно радиуса.
Температурйые условия работы пары тензорезисторов Я1 и R2 отличаются от темперанице раздела мембраны и периферийного основания: второй и третий тензорезисторы выполнены прямоугольной формы, причем турных условий работы другой пары первый конец второго тензорезистора со- .. тензорезисторов(В3и В4). вмещен со вторьгм концом, расположенного .40 Изменение сопротивлений тензорезийо одну сторону оси .мембран ы тензоэле- сторов под действием термоудара опредемента первого тензореэистора, а конец третьего тенэорезистора совмещен аналоляется средним по длине тензорезистора значением температуры. Из термоударных гично с расположенным по другую сторону характеристик (см. фиг, 4) видно, что значеот оси мембраны вторым концом тензозле- 45 ния температуры, соответствующие среднемента четвертого тензорезистора, при этом му по длине тензорезистора R1 значению вторые концы второго и третьего тензорези- температуры, для моментов времени t1, tp u сторов расположены на окружностй, прохо- тз соответствейно равны Т1, Т и Тз, а дящей через первые концы тензоэлементов значения температур, соответствующих первого и четвертого тензорезисторов. 50 среднему по длине тензорезистора R4; знаНа фиг, 1 показана конструкция предла- чению температуры, для тех же моментов фФ f гаемого датчика давления; на фиг. 2 —. схема времени равны соответственно Т1, Т2 и
Э расположения тензорезисторов на мембра- Тз . не; на фиг. 3 — мостовая измерительная схе-формируется. Тензорезисторы 1 и 4 теризующееся средним по его длине
Кроме того, выполнение окружного тензорезистора с такими же температурными . характерйстиками, как и у раДиального тензорезистора, сопряжено со значительными одинаковом удельном сопротивлении материала тензорезисторов к разной их длине, приводящей к различию условий теплоотдачи радиального и окружного тензорезистозакрепленной в нем мембраной с утолщен- 20 ным периферийным основанием, йа котома; на фиг. 4 — распределение температуры на поверхности мембраны.
Датчик работает следующим образом.
При подаче измеряемого давленйя через.штуцер 7 на мембрану 6, последняя деВ датчике тензорезистор В2установлен в той же зоне (на том же протяжении отно-, сительного радиуса), что и тензорезистор
В1, и значения температур этого тензорезистора для каждого момента времени, харак1751645 значениям, равно средним значениям температур тензорезистора R1.
Аналогично можно сказать, что средняя температура тензо резистора R3 в любой момент времени равна средней температуре 5 тензорезистора R4.
Из этого следует, что в любой момент времени изменение сопротивления тензо- резистора R2 под действием несимметричного термоудара (а симметричного тем 10 более) равно изменению сопротивления тензорезистора R1, а изменение сопротивления тензореэистора R3 — изменению сопротивления тензорезистора R4, Поскольку тензорезисторы R1 и R2 образуют одну пару 15 близлежащих плеч моста (см. фиг, 2), а тензорезисторы R3 и R4 — другую пару близлежащих плеч, то сигнал на выходе измерительной цепи не изменяется при воздействии термоудара, резко уменьшается 20 динамическая температурная погрешность и становится практически равной нулю.
Эта погрешность может быть рассчитана по формуле
Q1 AT1+ Q4AT4 — а Ат2 +аз Атз 25
У п
r:ri
1=1 (1) где а1. Q2, а, а4 — температурные коэффициенты сопротивления тензорезисторов R1, R2, В3, RA соответственно; АТ1, АТ . АТз, hT4 — изменения температур по длине тензорезисторов Rf, В7, R3, ВФсоответствени но,, », tie — относительное изменение
i =1 сопротивления всех плеч измерительйой цепи от номинального давления, Для предлагаемой конструкции а = а
= аз = а4=а; АТ> =АTz-=АТ ; АТз=АТ4 40 г
=АТ, поэтому формулу (1) можно представить в виде:
Я ЛТ1 ЛТ2 ЛТ1 ЛТ2 ) Ya- n О. ,, Ег 45
i =1
Видно, что теоретическое значение динамической температурной погрешности предлагаемой конструкции датчика равно нулю, а экспериментальные исследования 50 показывают, что она при несимметричном термоударе лежит в пределах 0,5 — 1%, а при симметричном термоударе в пределах 0,30,6%. Динамическая температурная погрешность прототипа при несимметричном 55 термоударе составляет 6-15%.
Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет существенно снизить погрешность от паразитных неравномерных деформаций, о6условленных, например, моментом затяжки, обеспечивает благоприятные технологические условия для выполнения требования
ai = а = = а4, Таким образом, предлагаемый датчик давления" вытодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для измерения давлений в условиях действия несимметричного термоудара. Его при- менение выгоДйо также при действии осесимметричного тефчоудара.
Технико-экономическим и реимуществом использования технического решения является повышение точности измерения давления при несимметричном термоударе в (6 — 30), а при симметричном (в 1,5-3) раза.
Формула изобретения
Датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной с утолщенным периферийным основанием, на которой закреплены первый, второй, третий и четвертый тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, при этом первый и четвертый из них включены в противоположные плечи моста, расположены в радиальном направлении симметрично друг другу относительно центра мембраны и выполнены в виде двух последовательно соединенных между собой своими первыми концами идентичных и расположенных параллельно друг другу симметрично относи-. тельно оси мембраны тензоэлементов прямоугольной формы, причем конец каждого из-тензоэлементов расположен на границе раздела мембраны и периферийного основания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в уСловиях воздействия несимметричного термоудара, в нем второй и третий. тензорезистор вЫйолненьг прямоугольной формы, причем первый конец второго тензорезистора совмещен с вторым концом расположенного по одну сторойу оси мембраны тензоэлемента первого тенэорезистора, а конец третьего тенэорезистора совмещен аналогично с расйоложенным по другую сторону от оси мембраны вторым: концом тензоэлемента четвертого тензорезистора, при этом . торйе концы второго и третьего тензорезисторов расположены на окружности, проходящей через первые концы тензоэлементов первого и четвертого тензорезисторов.1751645
Фиг.1
000k
Эйе.Д
Составитель Н, Соснйн
Редактор А. Долинич Техред М.Моргентал Корректор /
Заказ 2687 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
