Датчик давления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 L 9/04

I>9g g

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

,4 ! о

Ql )

О (21) 4619504/10 (22) 14,12.88 (46) 30,09.92. Бюл. М 36 (72) Е.М.Белозубов (56) Авторское свидетельство СССР

М 1696918, кл. G 01 1 9/04, 1988. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано для измерения с повышенной точностью давлений в уловиях воздействия термоудара, Цель достигается за счет размещения радиальных тензорезисторов в зоне мембИзобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в разли .ных 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 термостой кости.

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 жесткозащемленной 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

„„ Ы„„1765729 А1 ю раны, 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. 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 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 кольцевых секто1765729 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 стордйы радиусами мембраны, а также в связи стем,,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 температуоы измеояемой 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, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры, на планарной стороне мембраны среднеинтегральная температура 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 вызывают одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов. которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются, Экспериментально обнаружено, 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 толщины мембраны. Чем толще мембрана, тем на больше"-расстояние от границ,ы раздела мембраны и опорного основания проникают образующиеся деформации, И, соответственно, чем меньше толщина мембраны, тем на меньшее расстояние от границы раздела мембраны и опорного основания проникают образующие при воздействии измеряемого давления деформации. Т,е, для заданной определенной толщины мембраны деформации, возникающие в опорном основании., уменьшаются по мере удаления от границы раздела мембраны и опорного основания, Наиболее резко уменьшаются радиальные деформации при превышении расстояния от границы раздела мембраны и опорного основания, Наиболее резко уменьшаются радиальные деформации при превышении расстояния от границы раздела мембраны и опорного основания половины толщины мембраны.

Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных элементов, а также в связи с одинаковым количеством резистивных элементов, мощность, выделяемая в каждом резистивном секторе от напряжения питания, будет одинакова и будет одинакова температура пе1765729

-регрева относительно-опорйого основания каждого резистивного элемента, Причем так как все резистйвные секторы располо жены таким образом, что половина сектора расположена на опорном основании, а дру гая полов111нб "раСпблбжена непосредственно на мембране, то условия теплоотвода тепла от саморезогрева резистивных секторов тензорезйсторов будут, во-первых, полностью идентичны, а во-BTopb1x, существенно облегчены. Это связано с существейным уменьшением термического йротйвлейЪ1я %вайду отдельйыми секторами тензорезисторов и опорйым осйованием в связи с тем, что все секторы частично расположены йепосредственно на"or oðíîì основании, Аддитивная температурная погрешность датчика давлейия 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, 3а 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 -характерйстйк "за счет освобождения центральной части мембраны от тензорезисторов.

Формула изобретения

5 1, Датчик давления, содержащий корпус, мембрану толщиной Н и радиусом rp c утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны и включенные в мостовую схему ок10 ружнйе и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде идентичных тензоэлементов, соедййеййых последовательно

-между собой нйзкоомнымй перемычками, причем" каждый тейзоэлемент выйолнен в

15 виде кольцевого сектора, внешняя дуга которого расположейа "йа окружности радиусом г1, а с внутренней стороны кольцевой сектор ограйичен вйутренней дугой радиусом г2, KQTopblA определен из условия

20 г2>0,8rp,отличающийся тем,что,с целью повышения точности в условиях термоудара, увеличения термостойкости и чувствительности в нем внешняя дуга каждого кольцевого сектора расйоложена на утол25 щенном периферийном основании на расстоянии от радиуса мембран r,, равном расстоянию от него до внутренней дуги кольцевого сектора, а боковые стороны кольцевого сектора расположены под углом

30 О, определенным из условия

Г1 + г2

35 О > 2 arcsin

2г2

r«rp+0,5Н, 40 где Lp — расстояние между концами внутРенней дуги кольцевого сектора, 2. Датчик по и, 1, отличающийся тем, что в нем радиус г2 окружности, на которой расположена внутренняя дуга каж45 дого кольцевого сектора на мембране, удовлетворяет соотношению

Г2 =12 Го — Г1

1765729

1765729

10 5 9

/p /

1 ) р

Рие. 2

Составитель О.Слюсарев

Техред М,Моргентал Корректор А.Ворович

Редактор Т.Лошкарева

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

Заказ 3381 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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