RU2024829C1 - Датчик давления - Google Patents
Датчик давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2024829C1 RU2024829C1 SU3101105A RU2024829C1 RU 2024829 C1 RU2024829 C1 RU 2024829C1 SU 3101105 A SU3101105 A SU 3101105A RU 2024829 C1 RU2024829 C1 RU 2024829C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- elastic element
- membrane
- cylindrical part
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Measurement Of Force In General (AREA)
Abstract
Использование: изобретение относится к тензорезисторным датчикам давления и может быть использовано при измерении давлений в условиях воздействия на датчик термоудара. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем вакуумированный корпус 1 и колпачковый упругий элемент 2, на торце которого расположены двухслойный диэлектрик 3 и тензорезисторы, толщина h цилиндрической части колпачкового упругого элемента выбрана из соотношения h = H/Ln (d+2h)d-d/2, где H - толщина торцевой части упругого элемента, d - внутренний диаметр цилиндрической части упругого элемента. 5 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).
Известны датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях нестационарной температуры измеряемой среды, содержащие упругий элемент в виде жесткозащемленной мембраны, покрытой диэлектриком. На диэлектрике расположена тензочувствительная схема, а компенсация паразитного выходного сигнала датчика, обусловленного нестационарной температурой измеряемой среды, осуществляется термопарами, расположенными на диэлектрике (1).
Ввиду зависимости термодинамических характеристик упругого элемента от толщины и материала мембраны требуется индивидуальная настройка каждого датчика с использованием дорогостоящего оборудования. Кроме того, в данной конструкции происходит неполная компенсация температурной погрешности в нестационарном температурном режиме. Это обусловлено тем, что при воздействии на приемную полость датчика измеряемой среды с нестационарной температурой на поверхности мембраны в зоне установки тензорезисторов, возникают неравномерные и изменяющиеся во времени температурные поля и температурные деформации.
Поэтому на выходе датчика появляется паразитный сигнал, обусловленный реакцией тензорезисторов на изменяющееся температурное поле и поле температурных деформаций. Главной причиной неравномерности температурных полей является разница тепловых сопротивлений различных частей упругого элемента жесткозащемленной мембраны: тонкой рабочей части (непосредственно мембраны) и массивной цилиндрической части (заделки мембраны), а причиной неравномерности температурных деформаций - неравномерность температурных полей самой мембраны. Применение термопар, установленных на диэлектрике, уменьшает погрешность, возникающую от неравномерного поля температур, но полностью ее не компенсирует, т.к. невозможно установить термопару и тензорезистор в полностью идентичные тепловые условия. Кроме того, термопара не компенсирует погрешность, обусловленную неравномерностью поля температурных деформаций.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде колпачка, на мембране которого расположены двухслойный диэлектрик и тензочувствительная схема (2). Причем, толщина цилиндрической части колпачка или много больше толщины мембраны, или равна ей.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа является наличие вакуумированного корпуса, металлического упругого элемента в виде колпачка, на мембране которого расположены двухслойный диэлектрик и тензочувствительная схема.
Недостатком известной конструкции датчика также является наличие неравномерного температурного поля, на мембране в зоне установки тензорезисторов при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды из-за разницы термических сопротивлений мембраны и цилиндрической части колпачка, обусловленной неоптимальным соотношением толщины цилиндрической части и мембраны колпачка. Хотя и следует отметить, что неравномерность температурного поля несколько уменьшена за счет применения двухслойного диэлектрика. А наличие неравномерного температурного поля приводит к появлению неравномерного поля деформаций и как следствие, к появлению температурной погрешности.
Целью изобретения является уменьшение погрешности при работе датчика в условиях нестационарной температуры измеряемой среды за счет уменьшения неравномерности температурного поля и поля температурных деформаций на мембране в зоне установки тензорезисторов при помощи оптимизации соотношений толщин цилиндрической части и мембраны упругого элемента.
Для достижения этой цели усовершенствуется известная конструкция датчика давления, содержащего вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде колпачка, на мембране которого расположены двухслойный диэлектрик и тензочувствительная схема.
Отличительными признаками предлагаемого датчика давления по сравнению с прототипом является то, что толщина h цилиндрической части колпачкового упругого элемента выбрана из соотношения
h = - , где Н - толщина торцевой части колпачкового упругого элемента;
d - внутренний диаметр цилиндрической части колпачкового упругого элемента.
h = - , где Н - толщина торцевой части колпачкового упругого элемента;
d - внутренний диаметр цилиндрической части колпачкового упругого элемента.
На фиг. 1 изображен общий вид датчика в разрезе, датчик давления состоит из вакуумированного корпуса 1 и упругого элемента 2 в виде колпачка, на мембране которого расположены двухслойный диэлектрик 3 и тензочувствительная схема 4, которая при помощи гибких выводов 5 соединяется с гермевыводами 6. Соотношение между толщинами цилиндрической части мембраны колпачка выбрано в соответствии с предлагаемым техническим решением.
Датчик работает следующим образом.
При изменении давления измеряемой среды Р на мембране упругого элемента возникают поверхностные деформации, которые воспринимаются диэлектриком и тензочувствительной схемой. При этом меняется электрическое сопротивление тензорезисторов, в результате чего появляется разбаланс моста, составленного из этих резисторов, который фиксируется внешним измерительным устройством (на фиг. 1 не показан). При изменении температуры измеряемой среды (например, термоудароскачкообразном изменении температур - наиболее характерном режиме работы агрегатов ЖРД) происходит восприятие температуры измеряемой среды как мембраной, так и цилиндрической частью упругого элемента. При этом в связи с тем что тепловые потоки через мембрану и через цилиндрическую часть упругого элемента равны за счет оптимального соотношения толщин мембраны и цилиндрической части упругого элемента, неравномерность температурного поля, а следовательно, и неравномерность поля температурных деформаций на мембране в зоне установки тензорезисторов будет уменьшена. А следовательно, будет уменьшена температурная погрешность датчика в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды.
Температурные чувствительности тензорезисторных датчиков при нестационарном тепловом режиме определяются
Sot(τ) =
× где α1(τ), α2(τ), α3(τ)- ТКС тензорезисторов, являющихся функцией времени τ, температуры (t), температурного коэффициента тензочувствительности [Kt( τ)] температурных коэффициентов линейного расширения материала резистора [ αn(τ)] и собственных ТКС тензорезисторов [ αR(τ)].
Sot(τ) =
× где α1(τ), α2(τ), α3(τ)- ТКС тензорезисторов, являющихся функцией времени τ, температуры (t), температурного коэффициента тензочувствительности [Kt( τ)] температурных коэффициентов линейного расширения материала резистора [ αn(τ)] и собственных ТКС тензорезисторов [ αR(τ)].
В общем виде
α(τ) = αR(τ)+Kt(t) dl-αn(τ) ,
tср = ν(τ) dl- среднеинтегральное значение температуры каждого тензорезистора в каждый момент времени;
ν(τ)- функция распределения температуры по поверхности мембраны в каждый момент времени;
(τ) = dl- относительное среднеинтегральное значение изменения сопротивления от температурной деформации в каждый момент времени на 1оС;
εt(τ) - температурное поле деформаций упругого элемента в каждый момент времени;
toi - температура, определяемая как tсрi для начального момента времени;
- суммарное относительное изменение сопротивлений мостовой схемы при действии измеряемого давления;
ηэ(τ)- модуль упругости материала упругого элемента в зависимости от температуры в каждый момент времени.
α(τ) = αR(τ)+Kt(t) dl-αn(τ) ,
tср = ν(τ) dl- среднеинтегральное значение температуры каждого тензорезистора в каждый момент времени;
ν(τ)- функция распределения температуры по поверхности мембраны в каждый момент времени;
(τ) = dl- относительное среднеинтегральное значение изменения сопротивления от температурной деформации в каждый момент времени на 1оС;
εt(τ) - температурное поле деформаций упругого элемента в каждый момент времени;
toi - температура, определяемая как tсрi для начального момента времени;
- суммарное относительное изменение сопротивлений мостовой схемы при действии измеряемого давления;
ηэ(τ)- модуль упругости материала упругого элемента в зависимости от температуры в каждый момент времени.
Анализ формул (1) и (2) показывает, что температурные погрешности датчика в нестационарном температурном режиме зависят в основном, от двух факторов:
- неравномерности температурного поля на мембране,
- неравномерности температурных деформаций мембраны в зоне установки тензорезисторов, обусловленной тем- пературным полем.
- неравномерности температурного поля на мембране,
- неравномерности температурных деформаций мембраны в зоне установки тензорезисторов, обусловленной тем- пературным полем.
Экспериментально-определенные значения tсрi и εRiвоспринимаемые тензорезисторами в первый момент времени при воздействии жидкого азота с температурой минус 196оС на чувствительный элемент (аналогичный прототипу) представлены на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что резисторы R1, F3 и R2, R4 попарно находятся в разных условиях как по температуре, так и по температурным деформациям, что приводит к появлению температурной погрешности, обусловленной воздействием нестационарной температуры измеряемой среды.
Для получения равномерного температурного поля в зонах установки тензорезисторов необходимо иметь равенство тепловых потоков через мембрану и цилиндрическую часть упругого элемента, т.е. Рм = Рц.
Для упрощения расчетов принимаем толщину цилиндрической части упругого элемента значительно меньше ее длины, а толщину мембраны значительно меньше ее наружного диаметра. Тогда для расчета тепловых потоков можно воспользоваться формулами (В.П. Исаченко и др. "Теплопередача", М. "Энергия", 1975 г. - далее в тексте - Л1)
Pц = , Pм = , (3) где Rц - термическое сопротивление цилиндрической части упругого элемента;
Rм - термическое сопротивление мембраны упругого элемента;
tвн-tн - разность температур внутренней и наружной поверхностей упругого элемента.
Pц = , Pм = , (3) где Rц - термическое сопротивление цилиндрической части упругого элемента;
Rм - термическое сопротивление мембраны упругого элемента;
tвн-tн - разность температур внутренней и наружной поверхностей упругого элемента.
Как следует из формулы (3) равенство Рм = Рц обеспечивается при Rм = Rц.
Термическое сопротивление мембраны равно Л1
Rм = + + , (4) где - термическое сопротивление теплоотдачи от измеряемой среды к соприкасающейся с ней поверхности мембраны упругого элемента;
Н - толщина мембраны;
λ - коэффициент теплопроводности материалов упругого элемента;
- термическое сопротивление теплоотдачи с поверхности мембраны внутрь датчика.
Rм = + + , (4) где - термическое сопротивление теплоотдачи от измеряемой среды к соприкасающейся с ней поверхности мембраны упругого элемента;
Н - толщина мембраны;
λ - коэффициент теплопроводности материалов упругого элемента;
- термическое сопротивление теплоотдачи с поверхности мембраны внутрь датчика.
Учитывая незначительную теплоотдачу с поверхности цилиндрической части упругого элемента внутрь датчика вследствие вакуумирования корпуса, термическое сопротивление цилиндрической части упругого элемента определим по формуле (Л1):
Rц = + ln + (5) где - термическое сопротивление теплоотдачи от измеряемой среды к соприкасающейся с ней поверхностью цилиндрической части упругого элемента;
dн - наружный диаметр цилиндрической части упругого элемента;
d - внутренний диаметр цилиндрической части упругого элемента;
- термическое сопротивление теплоотдачи с поверхности цилиндрической части упругого элемента внутрь датчика.
Rц = + ln + (5) где - термическое сопротивление теплоотдачи от измеряемой среды к соприкасающейся с ней поверхностью цилиндрической части упругого элемента;
dн - наружный диаметр цилиндрической части упругого элемента;
d - внутренний диаметр цилиндрической части упругого элемента;
- термическое сопротивление теплоотдачи с поверхности цилиндрической части упругого элемента внутрь датчика.
Приравнивая выражения (4) и (5) и учитывая, что dн = d + 2h, = , = т.к. в обоих случаях в теплообмене участвуют одинаковые материалы (измеряемая среда - упругий элемент - вакуум), а также незначительное отличие отношения от единицы получим
H = ln . (6)
Выражение (6) однозначно устанавливает соотношение между толщиной мембраны и толщиной цилиндрической части. Выражение (6) простое в вычислении, но следует помнить, что толщина мембраны определяется исходя из требуемой чувствительности, механической надежности и т.п. Т.е. толщина мембраны, как правило, уже выбрана, поэтому необходимо получить соотношения между толщиной цилиндрической части и толщиной мембраны. После элементарных операций над выражением (6) получим
h = - . (7)
Выражение (7) однозначно устанавливает связь между толщиной цилиндрической части и толщиной мембраны при определенном внутреннем диаметре d упругого элемента. Хотя величина h в соотношении (7) выражена неявно, она довольно просто находится методом последовательного приближения, особенно при применении средств вычислительной техники.
H = ln . (6)
Выражение (6) однозначно устанавливает соотношение между толщиной мембраны и толщиной цилиндрической части. Выражение (6) простое в вычислении, но следует помнить, что толщина мембраны определяется исходя из требуемой чувствительности, механической надежности и т.п. Т.е. толщина мембраны, как правило, уже выбрана, поэтому необходимо получить соотношения между толщиной цилиндрической части и толщиной мембраны. После элементарных операций над выражением (6) получим
h = - . (7)
Выражение (7) однозначно устанавливает связь между толщиной цилиндрической части и толщиной мембраны при определенном внутреннем диаметре d упругого элемента. Хотя величина h в соотношении (7) выражена неявно, она довольно просто находится методом последовательного приближения, особенно при применении средств вычислительной техники.
Экспериментально-определенные значения tсрi и εRiвоспринимаемые тензорезисторами в первый момент времени при воздействии жидкого азота с температурой минус 196оС на датчик давления с упругим элементом, у которого соотношение между толщиной цилиндрической части и мембраны выбрано в соответствии с предлагаемым техническим решением представлены на фиг. 3. Из фиг. 3 видно, что неравномерность распределения tсрi и εRi по радиусу мембраны и упругого элемента, изготовленного по предлагаемому техническому решению, существенно меньше, чем у прототипа (см. фиг. 2).
На фиг. 4 приведена экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика (Uвых) от времени (τ)при воздействии на приемную полость датчика, выполненного в соответствии с прототипом (см. фиг. 2) жидкого азота с температурой минус 196оС, как показано стрелкой на фиг. 1. Из фиг. 4 видно, что при резком изменении температуры измеряемой среды аддитивная температурная погрешность датчика во время переходного температурного режима -(0-80оС) в 2-3 раза превышает аддитивную температурную погрешность в стационарном температурном режиме (80оС и далее). При номинальном выходном сигнале датчика, равном 9 мВ эти погрешности соответственно равны 14 и 6%.
На фиг. 5 приведена экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика (Uвых) от времени (τ)при воздействии на приемную полость датчика, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением (см. фиг. 3) жидкого азота с температурой минус 196оС, как показано стрелкой на фиг. 1. Из фиг. 5 видно, что при резком изменении температуры измеряемой среды аддитивная температурная погрешность датчика во время переходного температурного режима (0-80оС) не превышает аддитивную температурную погрешность датчика в стационарном температурном режиме (80оС и далее).
При номинальном выходном сигнале датчика 9 мВ аддитивная температурная погрешность датчика в нестационарном температурном режиме не превышает 6%.
Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом является уменьшение аддитивной температурной погрешности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара). У датчиков, выполненных в соответствии с прототипом, аддитивная температурная погрешность в нестационарном температурном режиме превышает аддитивную температурную погрешность в стационарном температурном режиме и достигает 14оС. У датчиков, выполненных в соответствии с предлагаемым техническим решением, аддитивная температурная погрешность в нестационарном температурном режиме не превышает аддитивную температурную погрешность датчика в стационарном температурном режиме, которая, в свою очередь, не превышает 6% от номинального выходного сигнала датчика.
Claims (1)
- ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий вакуумированный корпус и колпачковый металлический упругий элемент, на торце которого расположен двухслойный диэлектрик и тензорезисторы, соединенные в измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при нестационарной температуре измеряемой среды, в нем толщина цилиндрической части колпачкового упругого элемента h выбрана из соотношения
h = - ,
где H - толщина торцевой части колпачкового упругого элемента;
d - внутренний диаметр цилиндрической части колпачкового упругого элемента.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU3101105 RU2024829C1 (ru) | 1984-11-10 | 1984-11-10 | Датчик давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU3101105 RU2024829C1 (ru) | 1984-11-10 | 1984-11-10 | Датчик давления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2024829C1 true RU2024829C1 (ru) | 1994-12-15 |
Family
ID=20928481
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU3101105 RU2024829C1 (ru) | 1984-11-10 | 1984-11-10 | Датчик давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2024829C1 (ru) |
-
1984
- 1984-11-10 RU SU3101105 patent/RU2024829C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Авторское свидетельство СССР N 501314, кл. G 01L 9/04, 1976. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 853442, кл. G 01L 9/04, 1981 - прототип. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH0546488B2 (ru) | ||
US3787764A (en) | Solid dielectric capacitance gauge for measuring fluid pressure having temperature compensation and guard electrode | |
RU2024829C1 (ru) | Датчик давления | |
CA1071426A (en) | Pressure sensor for high-temperature liquids | |
US4475392A (en) | Skin friction gage for time-resolved measurements | |
JPS61240135A (ja) | 真空計 | |
RU2028583C1 (ru) | Датчик давления | |
RU2026537C1 (ru) | Датчик давления | |
SU1525504A1 (ru) | Датчик давлени | |
SU960559A2 (ru) | Датчик давлени | |
RU2034252C1 (ru) | Датчик давления | |
RU2028585C1 (ru) | Датчик давления | |
RU2041452C1 (ru) | Тонкопленочный датчик давления | |
SU815538A1 (ru) | Датчик давлени | |
SU1264016A1 (ru) | Тензометрический датчик давлени | |
WO1982003916A1 (en) | Pressure transducer | |
US3298233A (en) | Probe transducer | |
RU1812459C (ru) | Емкостный датчик давлени и способ его изготовлени и градуировки | |
SU1486766A1 (ru) | Способ настройки интегральных тензометрических мостов датчиков . мембранного типа с радиальными и окружными тензорезисторами | |
KR910009304B1 (ko) | 열변형 측정방법 및 그 장치 | |
SU570767A1 (ru) | Способ измерени деформаций в услови х нестационарных температур | |
RU2115897C1 (ru) | Интегральный преобразователь деформации и температуры | |
SU1437698A1 (ru) | Интегральный преобразователь давлени и температуры | |
SU998883A1 (ru) | Теплоэлектрический вакуумметр | |
SU1737290A1 (ru) | Датчик давлени |