SU1744531A1 - Датчик давлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение может быть использовано дл  измерени  давлени  с повышенной точностью в услови х воздействи  нестационарной температуры измер емой среды. Сущность изобретени : в датчике давлени , содержащем корпус, мембрану с периферийным основанием, окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные соответственно в виде идентичных тензоэлементов, соединенных низкоомными перемычками и размещенных на периферии мембраны на одинаковом рассто нии от ее центра, периферийное основание выполнено в виде расположенного в плоскости мембраны консольного участка, выполненного за одно целое с цилиндрическим опорным основанием, а размеры и местоположение тензоэлементов св заны с размерами мембраны и периферийного основани  представленными соотношени ми. Одинакова  температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменени  их сопротивлений, которые в мостовой схеме взаимно уничтожаютс . 1 з.п.ф-лы, 3 ил. сл С

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным дл  использовани  в различных област х науки и техники, св занных с измерением давлени  в услови х воздействи  нестационарной температуры измер емой среды.

Известен датчик давлени , предназначенный дл  измерени  давлени  в услови х воздействи  нестационарной температуры измер емой среды, содержащий корпус, упругий элемент в виде круглой мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием , на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные на дуге окружности и по раг - го - тг Кр,

диусу мембраны, причем окружные тензорезисторы своей срединной частью размещены на окружности с радиусом

J

3

где г0 - рассто ние от центра мембраны до середины тензорезистора, размещенного в радиальном направлении;

Тр - длина тензорезистора, размещенного в радиальном направлении.

Недостатком данной конструкции  вл етс  сравнительно низка  чувствительность , св занна  с тем, что тензорезисторы расположены в зоне воздействи  немаксимальных радиальных и тангенциальных деформаций . Погрешность датчика в услови х

j

4 СЯ

СО

воздействи  нестационарной температуры измер емой среды также весьма высока вследствие расположени  тензорезисторов в зонах идентичного изменени  температур . Это св зано с тем, что, хот  окружные тензорезисторы наход тс  в зоне, где температура на мембране равна среднему значению температуры краев радиальных тензорезисторов, среднеинтегральна  температура окружных тензорезисторов не соответствует среднеинтегральной температуре радиальных тензорезисторов вследствие принципиально нелинейного распределени  температурного пол  по радиусу мембраны. Нагревостойкость конструкции также недостаточна, так как окружные и радиальные тензорезисторы наход тс  в отличных друг от друга температурных услови х вследствие различной температуры саморазогрева током питани  из-за различного рассто ни  от места расположени  тензорезисторов до опорного основани , через которое в основном происходит теплопередача тепла от тензорезисторов . В результате в данной конструкции невозможно применение повышенного напр жени  с целью увеличени  выходного сигнала.

Наиболее близок к предлагаемому датчику давлени , содержащий корпус, выполненный за одно целое с ним чувствительный элемент в виде цилиндрического стакана с воспринимающим давление дном толщиной Н, на наружной поверхности которого закреплены соединенные низкоомными окружными и радиальными перемычками идентичные тензоэлементы с размерами а и расположенные на одинаковом рассто нии от центра дна стакана.

Недостатком известной конструкции  вл етс  сравнительно небольша  чувствительность , св занна  с тем, что тензорезисторы реагируют на радиальные и тангенциальные деформации, образуемые в данной конструкции, в результате воздействи  измер емого давлени  только на мембрану датчика, т.е. в известной конструкции чувствительность датчика полностью определ етс  только геометрическими размерами и физическими характеристиками материала мембраны (толщиной, диаметром , модулем упругости и т.п.). Весьма частое варьирование материалов и размеров мембраны  вл етс  недостаточным дл  получени  требуемой чувствительности. При этом эффективность увеличени  чувствительности за счет изменени  материала мембраны ограничена невозможностью применени  материалов, не пригодных дл  технологических процессов формировани 

тензорезисторов (например, тонкопленочной технологии), или не совместимых с из- мео емыми средами и т.п.

Недостатком известной конструкции

 вл етс  также сравнительно больша  погрешность в услови х воздействи  нестационарной температуры измер емой среды вследствие сравнительно большой неравномерности температурного пол  в зоне расположени  тензорезисторов.

Нагревостойкость известной конструкции также недостаточна  вследствие расположени  тензорезисторов на некотором рассто нии от опорного основани .

Цель изобретени  - повышение чувствительности , уменьшение погрешности при воздействии нестационарной температуры измер емой среды и повышение нагрево- стойкости за счет расположени  тензорезисторов в зоне максимальных деформаций, увеличени  деформаций вследствие суммировани  деформаций от воздействи  изме- р емого давлени  на мембрану с деформаци ми от воздействи  измер емого давлени  на цилиндрическое основание , за счет повышени  равномерности температурного пол  в зоне установки тензорезисторов и за счет расположени  тензорезисторов в непосредственной близости

с опорным основанием.

На фиг.1 изображен предлагаемый датчик давлени , общий вид; на фиг.2 - узлы I и II на фиг.1; на фиг.3- графики зависимости деформаций, воздействующих на тензоэлементы .

Толщины диэлектрической, резистив- ной и контактной пленок дл  нагл дности увеличены.

Датчик давлени  содержит вакуумиро- ванный корпус 1, мембрану 2 с периферийным основанием 3, окружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы. Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тензорезисторы 5 выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 7. Тензоэлементы выполнены в виде квадратов, однако

возможно и другое исполнение. Тензоэлементы расположены на одинаковом рассто нии от центра мембраны. Периферийное основание выполнено в виде расположенного в плоскости мембраны консольного

участка 8, выполненного за одно целое с цилиндрическим опорным основанием 9. Продольна  ось цилиндрического опорного основани  перпендикул рна плоскости мембраны. Размеры и местонахождение тензозлементов св заны с размерами мембраны и периферийного основани  предлагаемыми соотношени ми.

Корпус и упругий элемент выполнен из сплава 70НХБМЮ, на поверхности мембраны и консольного участка нанесен диэлектрик 10 в виде структуры - SI02 толщиной 3 мкм. Тензорезисторы выполнены из сплава П65ХС с поверхностным сопротивлением 100 Ом/квадрат. Низко- омные перемычки выполнены в виде структуры V - NI толщиной 1,5 мкм. При нормальном значении сопротивлени  700 Ом и поверхностном сопротивлении 100 Ом/квадрат количество квадратов в окружных и радиальных резисторах одинаково и равно отношению сопротивлени  тензоре- зисторов к поверхностному сопротивлению , т.е. рано 7,

Датчик давлени  работает следующим образом.

Давление измер емой среды воздействует на мембрану и цилиндрическое опорное основание. Под воздействием измер емого давлени  на мембрану в ней и консольном участке возникают радиальные и тангенциальные напр жени , которые привод т к по влению на планарной стороне мембраны и консольного участка радиальных Јг и тангенциальных е деформаций (фиг.2, 36).

Под воздействием измер емого давлени  на цилиндрическое опорное основание в месте сопротивлени  мембраны и опорного основани  возникает изгибающий момент Mr и усилие, направленное по радиусу мембраны (фиг.За). На фиг.За изображены направлени  Мг и TV, выбранные за положительные . Воздействие изгибающего момента приводит к по влению в мембране дополнительных напр жений, максимальна  величина которых наблюдаетс  в области сопр жени  мембраны и цилиндрического опорного основани . Напр жени  вызывают деформации на Планерной части мембраны и консольного участка, характер которых изображен на фиг.Зв. Из фиг.Зв видно, что в области сопр жени  мембраны и опорного основани  деформации от изгибающего момента (в результате воздействи  давлени  на цилиндрическое опорное основание ) совпадают по знаку с деформаци ми , вызванными воздействием измер емого давлени  на мембрану датчика . Воздействие усили  Тг приводит к по влению раст гивающих деформаций на поверхности мембраны, ограниченной радиусом мембраны, и сжимающих деформаций в области сопр жени  мембраны и цилиндрического опорного основани  (фиг.Зг).

В св зи с выбранными размерами тен- зоэлементов и их местоположением тензоэ- лемент окружного тензорезистора (фиг.2, узел ) подвергаетс  воздействию раст гивающих тангенциальных деформаций е, вызванных воздействием измер емого давлени  на мембрану направленных вдоль резистора , и сжимающих радиальных деформаций ег, вызванных воздействием

измер емого давлени  на мембрану, сжимающих радиальных деформаций Јм , вызванных воздействием измер емого давлени  на цилиндрическое опорное основание. Деформации Ег, ем,Ј0 направлены перпендикул рно длине тензоэлемента.

В результате воздействи  таких деформаций сопротивление каждого тензоэлемента окружного тензорезистора увеличиваетс . Вследствие аналогичных

причин тензоэлементы радиального тензорезистора (фиг.2, узел ) подвергаютс  воздействию раст гивающих тангенциальных деформаций е , вызванных воздействием измер емого давлени  на мембрану, направленных перпендикул рно длине тензоэлемента , и сжимающих радиальных деформаций Јг, вызванных воздействием измер емого давлени  на мембрану, сжимающих радиальных деформаций Јм, вызванных воздействием измер емого давлени  на цилиндрическое опорное основание , сжимающих радиальных деформаций Ј, , вызванных воздействием измер емого давлени  на цилиндрическое

опорное основание. Деформации Јг, Јм, Eti направлены вдоль длины тензоэлемента . В результате воздействи  таких деформаций сопротивление резистивного квадрата уменьшаетс . В св зи с тем, что

окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных идентичных тензоэлементов, то изменение сопротивлений окружных и радиальных тензорезисто- ров равно сумме измерений сопротивлений соответствующих тензоэлементов. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных тензорезисторов и

уменьшение сопротивлений противоположно включенных резисторов преобразуютс  мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При этом вследствие воздействий

дополнительных деформаций, образующихс  в результате воздействи  измер емой среды на цилиндрическое опорное основание , величина выходного сигнала больше чем у известного датчика. При воздействии

нестационарной температуры измер емой среды (термоударе) на мембране возникает неравномерное поле температур (фиг.Зд). На фиг.Зд приведена экспериментально определенна  зависимость распределени  температуры на планарной стороне мембраны через 0,1 с после подачи на мембрану датчика давлени  жидкого азота с температурой Тс. Из фиг.Зд видно, что неравномерность температурного пол  в предлагаемой конструкции существенно меньше по сравнению с известным датчиком вследствие близюсти термических сопротивлений мембраны и цилиндрического опорного основани  из-за равенства их толщины. При этом в области размещени  тензорезисторов скорость изменени  температурного пол  как по радиусу, так и во времени минимальна . В св зи с выбранными размерами и местонахождением тензозлементов и предлагаемыми соотношени ми размеров цилиндрического опорного основани , несмотр  на нестационарный характер изменени  температуры на планарной стороне мембраны, температура тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов (как это видно из фиг.З), измен  сь со временем, остаетс  одинаковой в каждый конкретный момент времени. Одинакова  температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменени  сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включени  тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируютс . При этом, так как в результате выбранных соотношений скорость изменени  температурного пол  как по радиусу, так и во времени в области размещени  тензорезисторов меньше по сравнению с известным датчиком то и меньше погрешность при воздействии нестационарной температуры. Вследствие расположени  тензоэлементов в месте сопр жени  мембраны и цилиндрического опорного основани  существенно облегчаетс  также отвод тепла от тензоэлементов в опорное основание. В результате этого предлагаемый датчик можно эксплуатировать при более высокой температуре, чем известный.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика давлени  по сравнению с известным  вл етс  повышение чувствительности от 30 до 100%, уменьшение погрешности при воздействии нестационарной температуры измер емой среды в 1,9 раза и повышение нагревостой- кости в 1,6 раза за счет расположени  тензорезисторов а зоне максимальных деформаций, увеличени  максимальных деформаций вследствие суммировани  деформаций от воздействи  измер емого давлени  на мембрану с деформаци ми от воздействи  измер емого давлени  на цилиндрическое основание, за счет повышени  равномерности температурного пол  в зоне установки тензорезисторов и за счет расположени  тензорезисторов в непосредственной близости с опорным основанием.

Повышение чувствительности позвол ет при тех же конструктивных размерах изготовить датчики давлени  на меньшие пределы измерени . Например, невозможно было изготовить тонкопленочные датчики

давлени  с радиусом мембраны 2,5 мм на давление менее 2,8 МПа (вследствие невозможности изготовлени  мембраны толщиной менее 0,2 мм). В соответствии с предлагаемым решением возможно изготовление датчика с этими же размерами на давление 2,0 МПа и менее.

Claims (2)

1.Датчик давлени , содержащий корпус , выполненный за одно целое с ним

чувствительный элемент в виде цилиндрического стакана с воспринимающим давление дном толщиной Н, на наружной поверхности которого закреплены соединенные низкоомными окружными и радиальными перемычками идентичные тензоэлементы с радиальными размерами а, и расположенные на одинаковом рассто нии RH от центра дна стакана, отличающийс  тем, что, с целью повышени 

точности при воздействии нестационарной температуры, увеличени  чувствительности и повышени  термостойкости, в нем на внешней боковой поверхности стакана кон- центрично его внутреннему диаметру, равному 2RM, выполнена на рассто нии hK от наружной поверхности дна стакана кольцева  проточка шириной L и с внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра стакана на 2hu, причем размеры и расположение тензоэлементов выбраны из соотношений

а Пц;

RM RM + 0,5H; riK ,

2.Датчик по п.1,отличающийс  тем, что в нем ширина кольцевой проточки выполнена по соотношению

L

т(Ям +0.5Н ) Н

где ft

-/о

коэффициент Пуассона.

l 7

фиг.1

te,2