RU2026537C1

RU2026537C1 - Pressure gauge

Info

Publication number: RU2026537C1
Authority: RU
Inventors: П.Г. Михайлов; Е.М. Белозубов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1995-01-09

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: pressure gauge has flexible member 2 made up of a cap- shaped diaphragm provided with layers of dielectric 3 with resistor element 4. There is a heat insulating covering on inner surface of the diaphragm. The thickness of the heat insulating covering is determined by a relationship available in the invention description. EFFECT: enhanced accuracy. 3 cl, dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений в условиях воздействия нестационарной температуры измерительной среды (термоудара). The invention relates to measuring equipment and can be used to measure pressure under the influence of unsteady temperature of the measuring medium (thermal shock).

Известны датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях нестационарной температуры измеряемой среды, содержащее упругий элемент в виде жесткозамещенной мембраны, покрытой слоем диэлектрика. На диэлектрике сформирована тензочуствительная схема, а компенсация паразитного выходного сигнала датчика, обусловленного нестационарной температурой измеряемой среды, осуществляется термопарами [1]. Known pressure sensors designed to measure pressure under conditions of unsteady temperature of the measured medium, containing an elastic element in the form of a rigidly substituted membrane coated with a dielectric layer. A strain-sensitive circuit is formed on the dielectric, and compensation of the parasitic output signal of the sensor due to the non-stationary temperature of the measured medium is carried out by thermocouples [1].

Ввиду зависимости термодинамических характеристик упругого элемента от толщины и материала мембраны требуется индивидуальная настройка каждого датчика с использованием громоздкого и дорогостоящего испытательного оборудования. Кроме того, в указанной конструкции не происходит полная компенсация температурной погрешности в нестационарном температурном режиме из-за наличия на поверхности мембраны (в зоне установки тензорезисторов) неравномерных и изменяющихся во времени температурных полей и температурных деформаций. В результате этого на выходе датчика появляется паразитный сигнал, вызванный реакцией тензорезисторов на изменяющееся температурное поле и поле температурных деформаций. Причиной возникновения неравномерных температурных полей является неравномерность тепловых потоков в различных частях упругого элемента: в тонкой рабочей части жесткозамещенной мембраны и в массивной цилиндрической части (заделка мембраны). Указание поля вызывает неравномерные температурные деформации в мембране. Термопары, установленные на диэлектрике, уменьшают погрешность от указанного паразитного сигнала, но полностью не исключают ее, т.к. невозможно установить тензорезистор и термопару в полностью идентичные тепловые условия. Кроме того, термопара не компенсирует погрешность, вызванную неравномерностью поля температурных деформаций. Due to the dependence of the thermodynamic characteristics of the elastic element on the thickness and material of the membrane, individual adjustment of each sensor using cumbersome and expensive testing equipment is required. In addition, in this design, the temperature error is not completely compensated for in the non-stationary temperature regime due to the presence of uneven and time-varying temperature fields and temperature deformations on the membrane surface (in the installation zone of the strain gauges). As a result of this, a spurious signal appears at the output of the sensor, caused by the reaction of strain gages to a changing temperature field and the field of temperature deformations. The reason for the occurrence of uneven temperature fields is the non-uniformity of heat fluxes in different parts of the elastic element: in the thin working part of the rigidly substituted membrane and in the massive cylindrical part (sealing the membrane). Indication of the field causes uneven temperature deformations in the membrane. Thermocouples mounted on a dielectric reduce the error from the specified spurious signal, but do not completely exclude it, because it is not possible to install a strain gauge and a thermocouple in completely identical thermal conditions. In addition, the thermocouple does not compensate for the error caused by the unevenness of the temperature strain field.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является датчик давления, содержащий вакуумированный корпус и упругий элемент в виде металлической жесткозамещенной мембраны, покрытый двуслойным диэлектриком, на котором сформирована тензочувствительная схема [2]. Недостатком указанной конструкции датчика является также наличие неравномерного температурного поля на мембране в зоне установки тензорезисторов из-за разницы тепловых сопротивлений рабочей части и заделки мембраны. The closest in technical essence to the proposed one is a pressure sensor containing a vacuum housing and an elastic element in the form of a metal rigidly substituted membrane coated with a two-layer dielectric on which a strain-sensitive circuit is formed [2]. The disadvantage of this sensor design is also the presence of an uneven temperature field on the membrane in the installation zone of the strain gauges due to the difference in thermal resistances of the working part and the sealing of the membrane.

Целью изобретения является повышение точности измерения в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement under the influence of non-stationary temperatures of the measured medium.

Достигается это тем, что усовершенствуется датчик давления путем нанесения на поверхность мембраны и цилиндрической части упругого элемента пленки теплоизолирующего покрытия, с коэффициентом теплопроводности меньшим, чем у материала упругого элемента, и толщиной, выбранной из соотношения
h_п= (3÷5)(h_ц-h_м)

где h_п - толщина теплоизолирующего покрытия;
h_ц - толщина цилиндрической части упругого элемента;
h_м - толщина мембраны;
λ_п,λ_м - коэффициент теплопроводности материалов соответственно покрытия и упругого элемента.This is achieved by the fact that the pressure sensor is improved by applying a heat-insulating coating film to the surface of the membrane and the cylindrical part of the elastic element with a thermal conductivity coefficient lower than that of the elastic element material and a thickness selected from the relation
h _p = (3 ÷ 5) (h _c -h _m )

where h _p - the thickness of the insulating coating;
h _c - the thickness of the cylindrical part of the elastic element;
h _m is the thickness of the membrane;
λ _p , λ _m - coefficient of thermal conductivity of materials, respectively, of the coating and the elastic element.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик давления, общий вид; на фиг. 2, 3 - картина распределения температурного поля по поверхности мембраны в случае отсутствия теплозащитной пленки (фиг. 2) и ее наличии (фиг. 3). In FIG. 1 shows the proposed pressure sensor, General view; in FIG. 2, 3 - a picture of the distribution of the temperature field over the membrane surface in the absence of a heat-protective film (Fig. 2) and its presence (Fig. 3).

Датчик давления (фиг. 1) состоит из вакуумированного корпуса 1 и упругого элемента 2 в виде жесткозащемленной мембраны. Мембрана покрыта двухслойным диэлектриком 3, на котором расположены тензорезисторы 4, соединенные с помощью гибких выводов 5 с гермовыводами 6. На поверхности мембраны и цилиндрической части упругого элемента нанесена пленка теплоизолирующего покрытия 7. The pressure sensor (Fig. 1) consists of an evacuated housing 1 and an elastic element 2 in the form of a fixed membrane. The membrane is coated with a two-layer dielectric 3, on which there are strain gauges 4 connected by means of flexible leads 5 to pressure leads 6. A film of heat-insulating coating 7 is applied on the surface of the membrane and the cylindrical part of the elastic element.

Датчик работает следующим образом. При измерении давления измеряемой среды Р_х, происходит прогиб мембраны, что приводит к деформации диэлектрика 3 и тензорезисторов 4. При деформации меняется электросопротивление тензорезисторов, в результате чего возникает разбаланс мостовой схемы, фиксируемый внешним измерительным устройством (не показан). При резком изменении температуры измеряемой среды, особенно при термоударе (что характерно для режимов работы агрегатов ЖРД), происходит восприятие температуры измеряемой среды как мембраной, так и цилиндрической частью упругого элемента. При этом благодаря наличию пленки теплоизолирующего материала с заданными теплофизическими характеристиками тепловые сопротивления мембраны и цилиндрической части упругого элемента будут примерно равны друг другу. Следовательно, неравномерность температурного поля соответственно поля тепловых деформаций на мембране в зоне установки тензорезисторов будет значительно уменьшена. В результате этого будет уменьшена температурная погрешность датчика в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Остаточная неравномерность температурного поля по самой мембране может быть рекомпенсирована путем профилирования толщины пленки теплоизолирующего покрытия по закону распределения нестационарного температурного поля на мембране, не покрытой теплоизолирующим материалом.The sensor operates as follows. When measuring the pressure of the measured medium P _x , the membrane bends, which leads to deformation of the dielectric 3 and the strain gauges 4. When the strain is changed, the electrical resistance of the strain gauges changes, resulting in an imbalance of the bridge circuit, fixed by an external measuring device (not shown). With a sharp change in the temperature of the measured medium, especially during thermal shock (which is typical for the operating modes of the rocket engine), the temperature of the measured medium is perceived by both the membrane and the cylindrical part of the elastic element. Moreover, due to the presence of a film of heat-insulating material with predetermined thermophysical characteristics, the thermal resistances of the membrane and the cylindrical part of the elastic element will be approximately equal to each other. Therefore, the non-uniformity of the temperature field, respectively, of the field of thermal deformations on the membrane in the installation zone of the strain gages will be significantly reduced. As a result of this, the temperature error of the sensor will be reduced under the influence of unsteady temperature of the measured medium. The residual non-uniformity of the temperature field across the membrane itself can be recombined by profiling the film thickness of the heat-insulating coating according to the law of the distribution of the non-stationary temperature field on the membrane not covered by the heat-insulating material.

На фиг. 2, 3 изображены экспериментально снятые кривые значений текущей температуры на мембране t_cpi в условиях термоудара (датчики помещались в жидкий азот минус 196^оС). При этом кривая I на фиг. 2 получена при отсутствии теплоизолирующей пленки, кривая 2 на фиг. 3 - при покрытии мембраны слоем SiO₂ пиролитической двуокиси кремния толщиной 2 мкм, кривая 3 - слоем аморфного кремния толщиной 3-3,5 мкм.In FIG. 2, 3 show experimental curves captured values of current temperature on the membrane t _cpi in thermal shock conditions (sensors are placed in liquid nitrogen -196 ° ^C). In this case, curve I in FIG. 2 obtained in the absence of a heat insulating film, curve 2 in FIG. 3 - when the membrane is coated with a SiO ₂ layer _of pyrolytic silicon dioxide 2 μm thick, curve 3 - with an amorphous silicon layer 3-3.5 μm thick.

Анализируя указанные кривые, видим, что создание теплоизолирующей пленки с определенной толщиной приводит к значительному уменьшению неравномерности тепловых полей и потоков в датчике. При этом в качестве материала упругого элемента
брался сплав 36НХТЮ Ш λ_м= 13,1

.Analyzing these curves, we see that the creation of a heat-insulating film with a certain thickness leads to a significant reduction in the unevenness of thermal fields and flows in the sensor. Moreover, as the material of the elastic element
alloy 36НХТУ Ш λ _m = 13.1 was taken

.

Толщины пленки теплоизолирующего материала выбраны экспериментальным путем, причем в случае h_п< 3(h_ц-h_м)

неравномерность теплового поля и поля тепловых деформаций велика вследствие значительной разницы в тепловых сопротивлениях мембраны и цилиндрической части упругого элемента, а при h_п> 5(h_ц-h_м)

толщина пленки начинает сказываться на чувствительности тензосхемы, уменьшая ее.The film thickness of the insulating material is selected experimentally, and in the case of h _p <3 (h _C -h _m )

the non-uniformity of the thermal field and the field of thermal deformations is large due to a significant difference in the thermal resistances of the membrane and the cylindrical part of the elastic element, and when h _p > 5 (h _c -h _m )

the film thickness begins to affect the sensitivity of the strain gauge, reducing it.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика по сравнению с прототипом является то, что аддитивная погрешность уменьшается в 7,5 раз (у предлагаемого датчика не боле 2%, у прототипа - 15%). The technical and economic advantage of the proposed sensor compared to the prototype is that the additive error is reduced by 7.5 times (the proposed sensor is not more than 2%, the prototype - 15%).

Claims

A PRESSURE SENSOR containing a vacuum housing in which a metal elastic element is installed in the form of a cap membrane with layers of a dielectric with strain gauges and a heat insulating coating, as well as output conductors, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy under the influence of non-stationary temperatures, the thickness h _n heat-insulating coating selected from the ratio

where h _C and h _m respectively the thickness of the cylindrical and membrane parts of the elastic element;
λ _p and λ _m - respectively, the thermal conductivity of the coating materials and the elastic element.