Датчик давления

 

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 тензорезисторов 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>з G 01 1 9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) В, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

QO ,Ъ

1ю

iraq

jQl

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4648381/10 (22) 13,02.89 (46) 30.05.93. Бюл, № 20 (71) Пензенский политехнический институт (72) Е.M.Áåëoýóáîâ, В.П.Маланин, Н.В, Белозубова и В.В.Пащенко (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1765729, кл. G 01 1. 9/04, 1988. . (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано при измерениях с повышенной точностью давлений в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. В связи с тем, что размеры резистивных элеИзобретение 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! на фиг,1; на фиг,3 — место II на фиг.1.

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.

Радиальные и окружные тензорезисторы выполнены в виде последовательно сое. Ы 1818556 А1 ментов радиальных и окружных тензорезисторов 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 со- противлений, в результате в мостовой схеме измерения температурная погрешность компенсируется. 3 ил, диненных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных на границе раздела 7 мембраны и опорного основания элементов. Каждый элемент радиального тензорезистора (см.фиг,3) 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 t2. ограниченного с наружной стороны границей раздела мембраны и опбрного основания, с внутренней стороныокружностью, расположенной на мембране и равноудаленной от границы раздала мембраны и опорного основания, с боковых сто1818556 рон-ломаной прямой. Параметры тензоэлементов 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 я, и тангенциальных егдеформаций.

В связи с выбранной конфигурацией окружного тензорезистора (см.фиг,2) реэистивный 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 (см.фиг.3) 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 низкоомными 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 резистивн ых 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 поле температур. В связи с тем, что размеры резистивных элементов радиальных и окружных тензорезисторов в направлении ра диуса мембраны и опорного основания одинаковы; и расположение и размеры всех

15 резистивных элементов идентичны, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной стороне мембраны, среднеинтегральная температура элементов окружных и радиальных тен20 зорезисторов, 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 тензорезисторов, которые вследствие вклю- . чения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. Полс|жительную роль также играет минимальная скорость

З0 изменения температуры в зонах установки тенэореэисторов. В связи с тем, что сопротивления элементов тензорезисторов распределены по радиусу мембраны таким образом, что максимумы сопротивлений на-, З5 ходятся на границе раздела мембраны и опорного основания, то изменение сопр6тивлений элементов тензорезисторов от изменения температуры при термоударе будет существенно уменьшено по сравне40 нию с равномерным распределением сопротивлений -элементов по радиусу мембраны. Это связано с тем, что в случае расположения максимума сопротивлений элементов радиальных. тензорезисторов на

45, одинаковом расстоянии по радиусу мембраны с расположением максимума сопротивлений элементов окружных тенэорезисторов, а именно на границе раздела мембраны и опорного основания, большие части сопротивле50 ний элементов этих тензорезисторов будут находиться в полностью идентичных температурных условиях.

Технико-экономическим преимуществом датчика давления является повышение .

55. точности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды эа счет полной идентичности температуры и ее изменения при термоударе в зоне размещения радиальных и окружных тензорезисто181 855G ров, а также повышение чувствительности за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций эа счет размещения максимума сопротивления элемента в зоне максимального изменения деформаций и эа 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 тенэорезисторов.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса ro и толщиной Н с утолщенным периферийным основанием и закрепленные на плана рной стороне мембраны и соединенные низкоомными перемычками в измерительную мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, каждый из которых выполнен в виде множества тенэоэлементов, соединенных последовательно между собой другими низкоомными перемычками, при этом каждый тензоэлемент выполнен в виде отрезка кольца, внешняя дуга которого расположена на периферийном основании по окружности радиуса г1, а внутренняя дуга — на мембране окружности радиуса г, причем дуги равноудалены от окружности радиусу ro, а радиусы г1 и г2 выбраны из соотношений г1 < го + 0,5Н, г2 > 0.8Ip, о т л и ч а ю щ и й5 с 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

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

15 тензоэлемента, расположенные на мембра- не, направлены по соответствующим лучам центрального угла 0<, который определен из соотношения

01 = 2arcsin

2 г а прямые отрезки боковых сторон радиального тензоэлемента, расположенные на периферийном основании, направлены по

25 соответствующим лучам центрального угла

0z, который определен из соотношения

Ог = 2агсз!п

Lg

2 Ip где L — минимально допустимое расстояние между концами дуг окружного тензоэлемента и точками соединения отрезков прямых боковых сторон радиального тенэоэлемента.

1818556

Ремесло Х

Составитель О.Слюсарев

Редактор Л,Народная Техред М,Моргентал Корректор С.Лисина

Заказ 1935 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