Датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 818556 А 5 6 019/ Б ЕТЕН н изме компе ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Пензенский политехнический институт (72) Е.М,Белозубов, В,П.Маланин, Н,В, Бело- зубова и В,В.Пащенко(56) Авторское свидетельство СССР М 1765729, кл. 6 01 9/04, 1988. . (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение может быть использовано при измерениях с повышенной точностью давлений в условиях воздействия нестациоарной температуры измеряемой среды. В связи с тем, что размеры резистивных элеИзобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, пред. назначенным для использования вразличных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условияхвоздействия нестационарной температурыизмеряемой среды (термоудара).Целью изобретения является повышение точности в условиях действия термоудара и увеличение чувствительности,На фиг,1 изображен общий вид датчикадавления; на фиг.2 - местона фиг,1; нафиг,З - местона фиг,1.Датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент в виде круглой жесткозащемленной мембраны 2, выполненной заодно целое с опорным основанием 3, на,которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенныепо дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5,Радиальные и окружные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соев радиальных и окружных тензорезив в направлении радиуса мембраны и ого основания одинаковы, а располои размеры всех резистивных элеов идентичны, то, несмотря на ционарный характер изменения темуры, среднеинтегральная температуементов окружных и радиальных резисторов, изменяясь со временем, одинакова в каждый момент времени. ызывает одинаковые изменения со- влений, в результате в мостовой схеме рения температурная погрешность нсируется. 3 ил,менто сторо опорн жение мент неста перат ра эл тензо будет Это в проти диненных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных на границе раздела 7 мембраны и опорного основания элементов. Каждый элемент радиального тензорезистора (см.фиг,З) выполнен в виде последовательно соединенных на границе раздела мембраны и опорного основания отрезка кольца 8, ограниченного с наружной стороны окружностью 9, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с внутренней стороны - границей раздела 7 мембраны и опорного основания, с боковых сторон-ломаной прямой, Каждый тензоэлемент окружного тензорезистора (см.фиг.2) выполнен в виде параллельно соединенных по границе раздела мембраны и опорного основания отрезка кольца 12, ограниченного с наружной стороны границей раздела мембраны и опбрного основания, с внутренней стороны- окружностью, расположенной на мембране и равноудаленной от границы раздала мембраны и опорного основания, с боковых сто 1818556рон-ломаной прямой. Параметры тензоэлементов мембраны выбраны по представленным соотношениям,Датчик давления работает следующим образом, При воздействии на мембрану давления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на пленарной стороне мембраны радиальных я, и тангенциальных егдеформаций.В связи с выбранной конфигурацией окружного тензорезистора (см.фиг,2) реэистивный элемент окружного тензорезистора подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резисторного квадрата окружного тензорезистора увеличится. Вследствие аналогичных причин резистивный элемент радиального тензорезистора (см,фиг.З) повергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного элемента радиального тензорезистора уменьшится. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по границе раздела мембраны идентичных элементов, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных элементов, а изменения сопротивлений соответствующих резистивных элементов равны между собой, Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных резисторов преобразуются мостовой съемной в электрический сигнал, который поступает навыходные контакты датчика.В связи с тем, что сопротивления элементов тензорезисторов распределены по радиусу мембраны таким образом, что максимумы сопротивлений находятся на границе раздела мембраны и опорного основания, изменения сопротивлений элементов тензорезисторов будут больше, чем если бы распределение величины сопротивлений было равномерным, Это связано с тем, что при выбранной топологии основную роль в изменении сопротивлений играют радиальные деформации, как существенно превалирующие по величине надтангенциальными, При воздействии неста 5 ционарной температуры измеряемой средытермоудара) вследствие различных термических сопротивлений сравнительно тонкоймембраны и массивного опорного основания на мембране возникает неравномерное"0 полетемператур. В связис тем, что размерырезистивных элементов радиальных и окружных тензорезисторов в направлении ра- диуса мембраны и опорного основанияодинаковы; и расположение и размеры всех15 резистивных элементов идентичны, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной сторонемембраны, среднеинтегральная температура элементов окружных и радиальных тен 20 зорезисторов, изменяясь со временем,будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов вкаждый конкретный момент времени выэы 25 вает одинаковые изменения сопротивленийтензорезисторов, которые вследствие вклю-.чения тензорезисторов в мостовую схемувзаимно компенсируются. Полсжительнуюроль также играет минимальная скоростьЗ 0 изменения температуры в зонах установкитенэореэисторов. В связи с тем, что сопротивления элементов тензорезисторов распределены по радиусу мембраны такимобразом, что максимумы сопротивлений на-,З 5 ходятся на границе раздела мембраны иопорного основания, то изменение сопр 6- тивлений элементов тензорезисторов от изменения температуры при термоударебудет существенно уменьшено по сравне 40 нию с равномерным распределением сопротивлений -элементов по радиусумембраны. Это связано с тем, что в случаерасположения максимума сопротивленийэлементов радиальных тензорезисторов на45, одинаковом расстоянии по радиусу мембраны с расположением максимума сопротивлений элементов окружных тенэорезисторов, аименно на границе раздела мембраны и опорного основания, большие части сопротивле 50 ний элементов этих тензорезисторов будутнаходиться в полностью идентичных температурных условиях,Технико-экономическим преимуществом датчика давления является повышение .55. точности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды эа счет полной идентичности температуры и ееизменения при термоударе в зоне размещения радиальных и окружных тензорезисто 1818556ров, а также повышение чувствительности за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций эа счет размещения максимума сопротивления элемента в зоне максимального изменения деформаций и эа счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформаций. Из-за увеличения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изготавливать датчики давления на.меньшие пределы измерения, Преимуществом конструкции является также возможность существенного улучшения габаритно-массовых характеристик за счет освобождения центральной части мембраны от тенэорезисторов,Ф ор мул а из об рете н и я Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса го и толщиной Н с утолщенным периферийным основанием и закрепленные на планарной стороне мембраны и соединенные низкоомными перемычками в измерительную мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, каждый из которых выполнен в виде множества тенэоэлементов, соединенных последовательно между собой другими низкоомными перемычками, при этом каждый тензоэлемент выполнен в виде отрезка кольца, внешняя дуга которого расположена на периферийном основании по окружности радиуса г 1, а внутренняя дуга - на мембране окружности радиуса г, причем дуги равноудалены от окружности радиусу го, а радиусы г 1 и г 2 выбраны из соотношений г 1г, + 0,5 Н, г 20.8 го, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности вусловиях действия термоудара и увеличения чувствительности, в нем длина внешней дуги тензоэлемента равна длине внутренней дуги, при этом каждая боковая сторона 10 теноэлемента выполнена в виде ломаной прямой, образованной двумя прямыми отрезками, которые соединены в точке, расположенной на окружности г причем прямые отрезки боковых сторон окружного 15 тензоэлемента, расположенные на мембра-не, направлены по соответствующим лучам центрального угла 01, который определен из соотношения 01 = 2 агсзп2 га прямые отрезки боковых сторон радиального тензоэлемента, расположенные на периферийном основании, направлены по 25 соответствующим лучам центрального углаОг, который определен из соотношения02 = 2 агсзп-о2 гогде о - минимально допустимое расстояние между концами дуг окружного тензоэлемента и точками соединения отрезков прямых боковых сторон радиального тенэоэлемента.1818556 Составитель О.СлюсарТехред М,Моргентал Народ Корректор С.Лисина дакт изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 1935 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5