RU2028585C1

RU2028585C1 - Pressure transducer

Info

Publication number: RU2028585C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Белозубов; П.Г. Михайлов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1986-12-31
Filing date: 1986-12-31
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: to increase accuracy of measurements pressure transducer is provided with housing 1, flexible member 2 in form of rigidly clamped diaphragm with dielectric 3 and tensoresistors on one side and heat insulating film 7 on other side. The latter is made with different thickness calculated by corresponding formula. EFFECT: enhanced reliability, increased accuracy of measurement. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании и изготовлении датчиков давления, применяемых в изделиях ракетно-космической техники. The invention relates to measuring equipment and can be used in the design and manufacture of pressure sensors used in rocket and space technology products.

Известен датчик давления, содержащий корпус, тензочувствительную схему и упругий элемент в виде мембраны, на которую нанесено равномерное теплозащитное покрытие из резины [1]. A known pressure sensor containing a housing, a strain-sensitive circuit and an elastic element in the form of a membrane on which a uniform heat-protective coating of rubber is applied [1].

Недостатком указанного датчика является наличие нестационарных тепловых полей на мембране из-за влияния заделки ее в корпус. The disadvantage of this sensor is the presence of unsteady thermal fields on the membrane due to the influence of its incorporation into the housing.

Наиболее близким по технической сути является датчик давления, содержащий вакуумированный корпус и упругий элемент в виде металлической мембраны, покрытой двухслойным диэлектриком, на котором сформирована тонкопленочная тензочувствительная схема [2]. The closest in technical essence is a pressure sensor containing a vacuum housing and an elastic element in the form of a metal membrane coated with a two-layer dielectric on which a thin-film strain-sensitive circuit is formed [2].

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа является наличие вакуумированного корпуса, металлической мембраны, покрытой диэлектриком, и тензочувствительной схемы. Common features of the proposed technical solution and prototype are the presence of a vacuum case, a metal membrane coated with a dielectric, and a strain-sensitive circuit.

Недостатками указанного датчика давления являются наличие неравномерного температурного поля на мембране в зоне установки тензорезисторов из-за разницы тепловых сопротивлений рабочей части и заделки мембраны, а также наличие больших термонапряжений в структуре мембрана - двухслойный диэлектрик - тензорезисторы при воздействии на датчик термоудара из-за несогласованности температурных коэффициентов линейного расширения в широком диапазоне температур, характерных для режимов работы агрегатов ЖРД. Кроме того, материалы, применяемые для изготовления тензосхемы (керметы), не позволяют получить воспроизводимые по тензочувствительности и температурному коэффициенту сопротивления тензорезисторы (так, например, для кермета К50С согласно техническим условиям ЕТ 0.021.033 ТУ ТКС изменяется в широких пределах от минус (3-4) ˙ 10^-4 до минус (5-6) ˙ 10^-5).The disadvantages of this pressure sensor are 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, as well as the presence of large thermal stresses in the structure of the membrane - two-layer dielectric - strain gauges when exposed to a thermal shock sensor due to temperature inconsistency linear expansion coefficients in a wide range of temperatures characteristic of the operating modes of rocket engine units. In addition, the materials used for the manufacture of strain gauges (cermets) do not allow tensor resistors reproducible in terms of strain sensitivity and temperature coefficient of resistance (for example, for cermet K50C according to the technical conditions ET 0.021.033 TU TKS varies widely from minus (3- 4) ˙ 10 ^-4 to minus (5-6) ˙ 10 ^-5 ).

Все эти факторы неизбежно приводят к значительным погрешностям при измерении давлений в условиях нестационарных температур. All these factors inevitably lead to significant errors in the measurement of pressures at non-stationary temperatures.

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

Это достигается тем, что усовершенствуется конструкция датчика давления, содержащего вакуумированный корпус, электрические выводы и упругий элемент в виде мембраны, покрытой диэлектриком, на котором сформирована тензочувствительная схема. На другой стороне мембраны расположена теплоизолирующая пленка. This is achieved by improving the design of the pressure sensor containing a vacuum housing, electrical leads and an elastic element in the form of a membrane coated with a dielectric on which a strain-sensitive circuit is formed. On the other side of the membrane is a heat insulating film.

Отличительными признаками датчика является то, что пленка теплоизолирующего материала спрофилирована по толщине в соответствии с законом распределения нестационарного температурного поля на мембране, не покрытой диэлектриком, и исходя из формулы
h_пi = K(t_i - t_o), (1) где h_пi - толщина теплоизолирующей пленки в i-й точке мембраны;
K - конструктивный коэффициент, постоянный для данной конструкции и типоразмера датчика;
t_i - текущая температура в i-й точке мембраны;
t_о - температура на поверхности мембраны в месте заделки ее в корпус.Distinctive features of the sensor is that the film of heat-insulating material is profiled over the thickness in accordance with the law of distribution of the non-stationary temperature field on the membrane not coated with a dielectric, and based on the formula
h _pi = K (t _i - t _o ), (1) where h _pi is the thickness of the heat-insulating film at the i-th point of the membrane;
K is the design coefficient constant for this design and the size of the sensor;
t _i - current temperature at the i-th point of the membrane;
t _about - the temperature on the surface of the membrane in the place of embedding it in the housing.

Нам фиг.1 показан предлагаемый датчик давления, общий вид; на фиг.2 и 3 - иллюстрация распределения температурного поля на поверхности мембраны датчика в случае отсутствия теплозащитной пленки (фиг.2), наличия равнотолщинной пленки (фиг.3 кривая 2) и профилированной пленки (фиг.3 кривая 3). Figure 1 shows the proposed pressure sensor, a general view; figure 2 and 3 is an illustration of the distribution of the temperature field on the surface of the sensor membrane in the absence of a heat-protective film (figure 2), the presence of an equal-thickness film (figure 3 curve 2) and a profiled film (figure 3 curve 3).

Датчик давления состоит из вакуумированного корпуса 1, упругого элемента 2 в виде жесткозащемленной мембраны. Мембрана покрыта двухслойным диэлектриком 3, например Cr-SiO, на котором расположена тензосхема 4, соединенная с помощью гибких выводов 5 с гермовыводом 6. На поверхности мембраны и наружной цилиндрической части упругого элемента нанесена пленка 7 теплоизолирующего материала, спрофилированная в соответствии с законом распределения нестационарного теплового поля. The pressure sensor consists of an evacuated housing 1, an elastic element 2 in the form of a fixed membrane. The membrane is coated with a two-layer dielectric 3, for example, Cr-SiO, on which a strain diagram 4 is connected, connected by means of flexible leads 5 to a pressure lead 6. A film 7 of heat-insulating material is deposited on the surface of the membrane and the outer cylindrical part of the elastic element, profiled in accordance with the law of distribution of non-stationary thermal fields.

Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.

Под действием измеряемого давления Рх деформируется упругий элемент 2 с тензосхемой 4, которая выдает электрический сигнал, пропорциональный Рх, через выводы 5 и гермовыводы 6 во внешнюю цепь. При резком изменении температуры измерительной среды, особенно при термоударе (что характерно для рабочих агрегатов ЖРД), благодаря наличию пленки теплоизолирующего материала с подобранными теплофизическими характеристиками происходит распределение теплового потока между мембранной и цилиндрической частью упругого элемента таким образом, что их тепловые сопротивления становятся примерно равными друг другу. Благодаря этому неравномерность температурного поля и соответственно поля температурных деформаций значительно уменьшается, в результате чего значительно уменьшается температурная погрешность датчика в условиях воздействия нестационарных температур. Остаточная неравномерность температурного поля на самой мембране компенсируется путем профилирования пленки теплозащитного материала по закону распределения нестационарного температурного поля на мембране, не покрытой диэлектриком. При этом в одном из вариантов макетного образца датчика в качестве теплозащитного материала используют профилированную фторопластовую гильзу. Тепловые поля на мембране определяют путем снятия термограммы, а также размещением миниатюрных термопар на мембране и измерением с их помощью температур на мембране. Under the influence of the measured pressure Px, the elastic element 2 is deformed with the strain circuit 4, which produces an electrical signal proportional to Px through the terminals 5 and the pressure terminals 6 to the external circuit. With a sharp change in the temperature of the measuring medium, especially during thermal shock (which is typical for LRE working units), due to the presence of a film of heat-insulating material with selected thermophysical characteristics, the heat flow is distributed between the membrane and the cylindrical part of the elastic element so that their thermal resistances become approximately equal to each other to a friend. Due to this, the non-uniformity of the temperature field and, accordingly, the field of thermal deformations is significantly reduced, as a result of which the temperature error of the sensor is significantly reduced under the influence of unsteady temperatures. The residual non-uniformity of the temperature field on the membrane itself is compensated by profiling the film of heat-shielding material according to the law of distribution of the non-stationary temperature field on the membrane not coated with a dielectric. Moreover, in one of the variants of the prototype of the sensor, a profiled fluoroplastic sleeve is used as a heat-shielding material. Thermal fields on the membrane are determined by taking a thermogram, as well as by placing miniature thermocouples on the membrane and measuring the temperatures on the membrane with their help.

Коэффициент К определяют экспериментальным путем для каждого типоразмера датчика следующим образом. Мембрану датчика покрывают пленкой теплозащитного материала с толщиной, замеренной с большой точностью. Датчик подвергают термоудару от номинальной температуры до (-196)^оС (жидкий азот), определяют распределение температуры одним из вышеуказанных способов и из соотношения (1) рассчитывают K.The coefficient K is determined experimentally for each size of the sensor as follows. The sensor membrane is coated with a film of heat-shielding material with a thickness measured with great accuracy. The sensor was subjected to thermal shock of the nominal temperature to the (-196) ^C (liquid nitrogen), determine the temperature distribution of one of the aforementioned methods and the relation (1) is calculated K.

Изменение высоты пленки теплозащитного материала (ее профиль) повторяет профиль распределения нестационарной температуры и определяется экспериментально путем измерения электрических сигналов от тепловых элементов, расположенных на мембране при неоднократных испытаниях датчика на термоудар, и фиксирования текущей температуры в различных точках упругого элемента с последующим усреднением результатов замеров. The change in the height of the film of the heat-protective material (its profile) repeats the distribution profile of the non-stationary temperature and is determined experimentally by measuring electrical signals from thermal elements located on the membrane during repeated tests of the sensor for thermal shock, and fixing the current temperature at various points of the elastic element with subsequent averaging of the measurement results.

На фиг.2 и 3 изображены экспериментально снятые кривые значения текущей температуры на мембране t_срi в условиях термоудара (от комнатной до жидкого азота (-196)^оС.Figure 2 and 3 shows the experimentally measured curves of the current temperature on the membrane t _cfi in conditions of thermal shock (from room to liquid nitrogen (-196) ^about C.

При этом кривая 1 на фиг.2 получена при отсутствии теплоизолирующей пленки, кривая 2 - при равномерном покрытии мембраны пиролитическим слоем двуокиси кремния толщиной 1,5-2 мкм, кривая 4 - при установке в цилиндрическую часть упругого элемента фторопластового колпачка с профилированной поверхностью, соприкасающейся с измерительной средой. In this case, curve 1 in Fig. 2 was obtained in the absence of a heat-insulating film, curve 2 — when the membrane was uniformly coated with a pyrolytic layer of silicon dioxide 1.5–2 μm thick, curve 4 — when a fluoroplastic cap with a profiled surface in contact with it was installed in the cylindrical part of the elastic element with measuring medium.

Анализируя кривые 1,2 и 3, можно сделать вывод, что профилированные пленки теплозащитного материала приводят к значительному уменьшению неравномерности тепловых полей. By analyzing curves 1,2 and 3, it can be concluded that the profiled films of the heat-shielding material lead to a significant reduction in the unevenness of the thermal fields.

Использование предлагаемого датчика позволяет значительно увеличить точность измерения в условиях воздействия нестационарных температур. The use of the proposed sensor can significantly increase the accuracy of measurements under the influence of non-stationary temperatures.

Claims

A PRESSURE SENSOR containing a vacuum housing, a metal elastic element in the form of a pinched membrane, on which dielectric and strain gauges are located on one side, and a heat-insulating film on the other side, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements when exposed to unsteady temperatures, it heat-insulating film is made of different thickness, determined from the ratio
h _ni = K (t _i - t ₀ ),
where h _n _i is the film thickness at the i-th point of the membrane;
K is the design coefficient constant for one size;
t _i , t ₀ - respectively, the temperature on the membrane surface at the i-th point and at the place of incorporation into the housing.