RU2034253C1

RU2034253C1 - Thin-film pressure gauge

Info

Publication number: RU2034253C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Белозубов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1988-03-28
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: pressure gauge has rigidly clamped diaphragm 4 made in block of bearing base 3. The receiving side surface of bearing base 3 is provided with fully controlled micro-relief containing convex members. The member of surface can be made as identical hexagons which parameters are defined by a relationship presented in the invention description. EFFECT: enhanced accuracy. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений в агрегатах ракетной и космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры агрессивной измеряемой среды. The invention relates to measuring technique and can be used to measure pressures in rocket and space technology units under the influence of unsteady temperature of an aggressive medium.

Известны тонкопленочные датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащие вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с цилиндрическим основанием жесткозащемленной мембраны, покрытой двухслойным диэлектриком, на котором расположена тензочувствительная схема [1]
Недостатком известной конструкции датчика давления является наличие неравномерного температурного поля на мембране в зоне установки тензорезисторов при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды из-за разницы термических сопротивлений мембраны и цилиндрического основания, обусловленной неоптимальным соотношением толщины цилиндрической части и мембраны. Наличие неравномерного температурного поля приводит к появлению температурной погрешности.Known thin-film pressure sensors designed to measure pressure under conditions of unsteady temperature of the measured medium, containing a vacuum housing, a metal elastic element in the form of a rigidly-sealed membrane coated with a cylindrical base, coated with a two-layer dielectric, on which a strain-sensitive circuit is located [1]
A disadvantage of the known design of the pressure sensor is the presence of an uneven temperature field on the membrane in the installation zone of the strain gages when exposed to unsteady temperature of the medium being measured due to the difference in the thermal resistance of the membrane and the cylindrical base, due to the non-optimal ratio of the thickness of the cylindrical part and the membrane. The presence of an uneven temperature field leads to the appearance of a temperature error.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с малым коэффициентом теплопроводности, расположенную на приемной поверхности мембраны [2]
Однако этот датчик невозможно использовать для измерения давления некоторых агрессивных и активных составляющих современного ракетного топлива и окислителя, а также продуктов их сгорания. Это связано с тем, что необходимость низкой теплопроводности дополнительной пленки во многом определяет ее структуру. По сравнению с материалом упругого элемента дополнительная пленка получается существенно более пористой и рыхлой.Closest to the proposed invention is a thin-film pressure sensor containing a vacuum housing, a metal elastic element in the form of a round rigidly-insulated membrane with a dielectric made integrally with the support base, on the surface of which there are strain-sensitive elements connected to the measuring circuit, and an additional film with a small coefficient thermal conductivity located on the receiving surface of the membrane [2]
However, this sensor cannot be used to measure the pressure of some aggressive and active components of modern rocket fuel and oxidizer, as well as their combustion products. This is due to the fact that the need for low thermal conductivity of the additional film largely determines its structure. Compared with the material of the elastic element, the additional film is significantly more porous and loose.

Проникновение агрессивных компонентов топлива или окислителя внутрь сравнительно рыхлой структуры пленки приводит к ее ускоренному разрушению. В частности поэтому затруднено использование известных датчиков давления в многоразовых ракетных двигателях из-за невозможности 100%-го удаления остатков окислителя или топлива с воспринимающей поверхности датчика без снятия его с изделия. Кроме того, коррозионная стойкость дополнительной пленки, выполненной из материала с малым коэффициентом теплопроводности, недостаточна по причине малой коррозионной стойкости материала дополнительной пленки. The penetration of aggressive components of the fuel or oxidizer into the relatively loose structure of the film leads to its accelerated destruction. In particular, it is therefore difficult to use known pressure sensors in reusable rocket engines due to the impossibility of 100% removal of residual oxidizer or fuel from the sensing surface of the sensor without removing it from the product. In addition, the corrosion resistance of an additional film made of a material with a low coefficient of thermal conductivity is insufficient due to the low corrosion resistance of the material of the additional film.

Целью изобретения является повышение стойкости к воздействию агрессивной измеряемой среды, а также обеспечение многоразового использования за счет облегчения удаления остатков окислителя или топлива. The aim of the invention is to increase resistance to aggressive measured medium, as well as providing reusable use by facilitating the removal of residual oxidant or fuel.

Для этого в тонкопленочном датчике давления, содержащем вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, приемная боковая поверхность опорного основания выполнена с полностью регулярным микрорельефом с выпуклыми элементами. For this, in a thin-film pressure sensor containing a vacuum housing, a metal elastic element in the form of a round rigidly-insulated membrane with a dielectric made integrally with the support base, on the surface of which are strain-sensitive elements connected to the measuring circuit, the receiving side surface of the support base is made with completely regular microrelief with convex elements.

Элементы поверхности могут иметь вид идентичных шестиугольников, а их параметры определяются следующим соотношением:
R K ·

при β 30^о и γ 150^о, где: R высота элемента поверхности;
r радиус мембраны;
h толщина стенок опорного основания;
Н толщина мембраны;
l высота опорного основания;
К поправочный коэффициент, учитывающий зависимость высоты элемента;
β, γ углы, отсчитанные от линий, проходящих через середины противоположных сторон элементов до линии абсцисс, проведенной параллельно образующей приемной поверхности опорного основания.Surface elements can take the form of identical hexagons, and their parameters are determined by the following relationship:
RK

at β 30 ^about and γ 150 ^about , where: R is the height of the surface element;
r radius of the membrane;
h wall thickness of the support base;
H membrane thickness;
l the height of the support base;
K correction factor, taking into account the dependence of the height of the element;
β, γ are the angles counted from the lines passing through the midpoints of the opposite sides of the elements to the abscissa line drawn parallel to the receiving surface of the support base.

На фиг. 1 изображен тонкопленочный датчик давления; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вид Б на фиг. 1. In FIG. 1 shows a thin film pressure sensor; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 view B in FIG. 1.

Датчик содержит вакуумированный корпус 1, упругий элемент 2 в виде выполненной за одно целое с опорным основанием 3 круглой жесткозащемленной мембраны 4 с диэлектриком 5, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы 6, соединенные в измерительную схему. Приемная боковая поверхность опорного основания выполнена в виде поверхности с полностью регулярным микрорельефом с выпуклыми элементами (фиг. 2, 3). The sensor contains a vacuum housing 1, an elastic element 2 in the form of a round rigidly-enclosed membrane 4 with a dielectric 5 made integrally with the support base 3, on the surface of which there are strain-sensing elements 6 connected to a measuring circuit. The receiving side surface of the support base is made in the form of a surface with a completely regular microrelief with convex elements (Fig. 2, 3).

Элементы поверхности выполнены в виде идентичных шестиугольников, а их параметры определены в соответствии с указанным соотношением. Surface elements are made in the form of identical hexagons, and their parameters are determined in accordance with the specified ratio.

Датчик давления работает следующим образом. The pressure sensor operates as follows.

При изменении давления измеряемой среды происходит прогиб рабочей части мембраны, приводящий к деформации пленки диэлектрика и тензочувствительной схемы. При деформации тензорезисторов меняется их электрическое сопротивление, в результате чего появляется разбаланс моста, составленного из этих резисторов, который фиксируется внешним измерительным устройством (на фиг. 1 не показан). When the pressure of the measured medium changes, the deflection of the working part of the membrane occurs, leading to deformation of the dielectric film and the strain-sensitive circuit. When the strain gauges are deformed, their electrical resistance changes, resulting in an imbalance of the bridge composed of these resistors, which is fixed by an external measuring device (not shown in Fig. 1).

При изменении температуры измеряемой среды, например при термоударе скачкообразном изменении температур (наиболее характерном режиме работы агрегатов ЖРД), происходит восприятие температуры измеряемой среды как рабочей частью, так и цилиндрической частью упругого элемента. При этом в связи с тем, что термические сопротивления рабочей части и цилиндрической части упругого элемента различны, а площадь приемной боковой поверхности опорного основания больше площади мембраны за счет выполнения приемной боковой поверхности опорного основания в виде поверхности с полностью регулярным микрорельефом с выбранными характеристиками, неравномерность температурного поля на рабочей части мембраны в зоне установки тензорезисторов будет незначительна, а следовательно, будет незначительная аддитивная температурная погрешность. With a change in the temperature of the medium being measured, for example, during thermal shock, an abrupt change in temperature (the most typical operation mode of LRE units), the temperature of the medium is perceived by both the working part and the cylindrical part of the elastic element. Moreover, due to the fact that the thermal resistances of the working part and the cylindrical part of the elastic element are different, and the receiving side surface area of the support base is larger than the membrane area due to the receiving side receiving surface of the support base in the form of a surface with a completely regular microrelief with selected characteristics, the temperature the field on the working part of the membrane in the installation zone of the strain gages will be insignificant, and therefore, there will be a slight additive temperature ogreshnost.

В случае воздействия агрессивной измеряемой среды, например "ацетила", она будет взаимодействовать только с материалом упругого элемента и не будет взаимодействовать ее сравнительно нестойкой дополнительной пленкой. Отсутствие взаимодействия измеряемой среды со сравнительно рыхлой и пористой дополнительной пленкой приводит к возможности повышения многоразовости использования датчика давления. Приемная боковая поверхность опорного основания выполнена в виде поверхности с полностью регулярным микрорельефом, во-первых, для увеличения площади поверхности контактирования боковой поверхности с измеряемой средой, во-вторых, для равномерного распределения увеличения площади контактирования по боковой поверхности упругого элемента, в-третьих, для равномерного распределения центров "пузырькового кипения" по боковой поверхности упругого элемента. Элементы поверхности упругого элемента выполнены выпукло, так как при выполнении их вогнутыми будут образовываться острые выступы, которые могут привести к образованию повышенной напряженности электрического поля и появлению взрывоопасной ситуации. In the case of exposure to an aggressive measured medium, for example, “acetyl”, it will interact only with the material of the elastic element and will not interact with its relatively unstable additional film. The lack of interaction of the measured medium with a relatively loose and porous additional film leads to the possibility of increasing the reusability of the use of a pressure sensor. The receiving side surface of the support base is made in the form of a surface with a completely regular microrelief, firstly, to increase the contact surface area of the side surface with the measured medium, and secondly, to evenly distribute the increase in the contact area over the side surface of the elastic element, and thirdly, for uniform distribution of centers of "bubble boiling" along the lateral surface of the elastic element. The surface elements of the elastic element are convex, since when they are concave, sharp protrusions will form, which can lead to the formation of increased electric field strength and the appearance of an explosive situation.

Элементы поверхности могут быть выполнены в виде шестиугольников, так как в этом случае увеличение поверхности более равномерно распределено по поверхности упругого элемента по сравнению с выполнением элементов поверхности в виде четырехугольников. Соотношение выбрано, исходя из следующих предпосылок. Экспериментально обнаружено, что величина элемента поверхности пропорциональна отношению разницы толщины стенки опорного основания и толщины мембраны к толщине мембраны. Высота элемента пропорциональна также отношению площади мембраны π r² к площади приемной боковой поверхности упругого элемента 2 π rl. Поделив числитель и знаменатель на π r, получим указанное выше соотношение.The surface elements can be made in the form of hexagons, since in this case the surface increase is more evenly distributed over the surface of the elastic element in comparison with the execution of the surface elements in the form of quadrangles. The ratio is selected based on the following premises. It was experimentally found that the magnitude of the surface element is proportional to the ratio of the difference in the wall thickness of the support base and the membrane thickness to the membrane thickness. The height of the element is also proportional to the ratio of the membrane area π r ² to the area of the receiving side surface of the elastic element 2 π rl. Dividing the numerator and denominator by π r, we obtain the above relation.

Коэффициент К учитывает соотношение высоты элемента поверхности и геометрических размеров упругого элемента. Угол β выбран равным 30^о, а угол γ= 150^о, так как только в этом случае шестиугольник будет правильным шестиугольником, что дополнительно выравнивает распределение температуры по боковой поверхности упругого элемента. Кроме того, такие величины углов обеспечивают меньшее поверхностное трение боковой поверхности упругого элемента с измеряемой средой за счет отсутствия ребер шестиугольника, расположенных перпендикулярно направлению распространения измеряемой среды.The coefficient K takes into account the ratio of the height of the surface element and the geometric dimensions of the elastic element. The angle β is chosen equal to 30 ^about , and the angle γ = 150 ^about , since only in this case the hexagon will be a regular hexagon, which further equalizes the temperature distribution along the lateral surface of the elastic element. In addition, such angles provide less surface friction of the lateral surface of the elastic element with the medium being measured due to the absence of hexagon ribs located perpendicular to the direction of propagation of the medium being measured.

Для тонкопленочного датчика давления с размерами: r=2,5 мм; Н=0,3 мм; h= 1,5 мм; l=5 мм экспериментально определено, что минимум погрешности был при величине элемента поверхности R=0,7 мм, что соответствует К=0,35 мм. For a thin-film pressure transducer with dimensions: r = 2.5 mm; H = 0.3 mm; h = 1.5 mm; l = 5 mm it was experimentally determined that the minimum error was at a surface element R = 0.7 mm, which corresponds to K = 0.35 mm.

У тонкопленочного датчика давления Вт 237, изготовленного в соответствии с прототипом, стойкость к воздействию среды "ацетил" составляет не более двух циклов по 120 ч, стойкость тонкопленочного датчика давления, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, составляет 8-10 циклов по 120 ч каждый. Таким образом, технико-экономическими преимуществами предлагаемого изобретения являются повышение стойкости к воздействию агрессивной измеряемой среды и повышение многоразовости использования за счет отсутствия взаимодействия измеряемой среды с рыхлым и пористым материалом дополнительной пленки. The thin-film pressure sensor W 237, made in accordance with the prototype, the resistance to the action of the environment "acetyl" is not more than two cycles of 120 hours, the resistance of the thin-film pressure sensor made in accordance with the invention is 8-10 cycles of 120 hours each . Thus, the technical and economic advantages of the invention are to increase resistance to aggressive measured medium and increase reusability due to the lack of interaction of the measured medium with loose and porous material of the additional film.

Claims

1. THIN-FILM PRESSURE SENSOR, comprising a vacuum housing, a metal elastic element in the form of a round rigidly-insulated membrane with a dielectric integrated with the support base, on the surface of which are strain-sensitive elements, characterized in that, in order to increase resistance to aggressive environments and ensure reusable, the receiving side surface of the support base is made with a completely regular microrelief with convex elements.

2. The pressure sensor according to claim 1, characterized in that the surface elements have the form of identical hexagons, and their parameters are determined by the ratio

at β = 30 ^° ,
γ = 150 ^°
where r and H are respectively the radius and thickness of the membrane;
h, l, respectively, wall thickness and height of the support base;
R is the height of the surface element;
K correction factor;
β, γ, respectively, the angles counted from the lines passing through the midpoints of the opposite sides of the elements to the abscissa line drawn parallel to the receiving surface of the support base.