Датчик давления

; 11,фгггг",; ггг. ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ АВТ(54) ДАТЧИК ДАВ тельство СС9/04, 1986НИЯ.А ОСУДАРСТВЕННЫгй КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Цель изобретения - повышение точности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды, повышение чувствительности и эксплуатационных воэможностей за счет учета неравномерности температур и возникающих термодеформаций в зоне установки тензорезисторов, расположенных на различных расстояниях от центра мембраны, расположения тензоэлементов в зонах максимального изменения деформаций и суммирования изменений выходных сигналов измерительных мостов, а также за счет возможности получения с одного датчика ин 1675702 А 1 формаций о давлении и распределении температур на мембране, В датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным участком и с жестким центром и измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 5 равномерно расположенных на поверхности мембраны по радиальным направлениям тензоэлементов 6 одноименного изменения от измеряемого давления, введен дополнительный измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 8 равномерно расположенных на поверхности мембраны по тангенциаль- З ным направлениям тензоэлементов 9 одноименного изменения от измеряемого давления. Причем тензоэлементы обоих мостов выполнены в виде идентичных квадратов, две противолежащие стороны которых располокены параллельно радиусам мембраны, проведенным через центры соответствующих квадратов, и тензоэлементы одноименного изменения размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны, а размеры сторон каждого квадрата определены по представленному в описании соотношению, 3 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 Изобретение относится к измерлтельной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара), а также в системах управления, регулирования и защиты ответственных агрегатов, где требуется повышенная информативность.Целью изобретения является повышение точности при воздействии нестационарной температуры, повышение чувствительности и эксплуатационных возможностей.На фиг. 1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг. 2 - сечение А - А на фиг, 1, на фиг, 3 - схема включения датчика,Датчик давления содержит мембрану 1 с утолщенным периферийным участком 2 и жестким центром 3, измерительный мост 4, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 5 равномерно расположенных на поверхности мембраны по радиагьным направлениям тензоэлементов 6, Каждое плечо моста образовано тензоэлементами пдноименного изменения от измеряемого давления,Например, тензорезистор Я 1 образован тензоэлементами 6, сопротивления которых под во действием измеряемого давления уменьшаются, В 2 - тензоэлементами., сопротивления которы: увеличлваются и т.п, Дополнительный измерительный мост 7, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 8 равномерно располокенных на поверхности мембраны по тангенциальным направлениям тензоэлементов 9, Тензоэлементы обоих мостов выполнены в виде идентичных квадратов, Две противолежащие стороны каждого квадрата расположены параллельно радиусам мембрань, проведенным через центры соответствующего квадрата, Тензорезисторы с помощью контактных площадок 10 соединены с выводами 11 корпуса, В случае выполнения мембраны из электропзоводного материала тензорезисторы, низкоомные перемычки и контактные перемычки изолированы с помощью диэлектрической пленки 12.Датчик давления работает следующим образом,При воздействии на мембрану давления на ее поверхности возникают радиальные и тангенциальные деформации. В связи с тем, что каждое плечо измерительного моста образовано последовательным соединением равномерно расположенных на мембране по радиальным направлениям тензоэлементов, выполненных в виде квадратов, то тензоэлементы, расположенные на границе раздела мембраны и периферийного основания (тензорезисторы В 1 и В 3), подвергнутся воздействию сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины тензоэлемента, В результате этого воздействия соп ротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы В 1 и Я 3, а следовательно, и самих тензорезисторов В 1 и В 3 уменьшится,Тензоэлементы, расположенные на гранлце раздела мембраны и жесткого центра (тензорезисторы Я 2, В 4), подвергаются воздействис растягивающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины тензоэлемента. В силу этого воздействия сопротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы Я 2, В 4, а следовательно, и самих тензореэисторов В 2 и В 4 увеличивается, В связи с тем, что каждое плечо измерительного моста образовано последовательным соединением равномерно расположенных на границе раздела мембраны и периферийного основания (тензорезисторы В б и В 8) подвергнутся воздействию сжимающих радиальных деформа ций, напра влен н ых пер пенди куля р но дллне тензоэлемента. В результате этого воздействия сопротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы Я б и В 8, а следовательно, и самих тензооезисторов В б и В 8, увеличивается,Тензоэлементы, расположенные на границе раздела мембраны и жесткого центра (тензорезисторы В 5, В 7), подвергаются воздействию растягивающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длины тензоэлемента. В силу этого воздействия сопротивление тензоэлементов, образующих тензорезисторы В 5, В 7, а следовательно, и самих тензорезисторов В 5, В 7, уменьшается, Г 1 ри воздействии тангенциальных деформаций происходят аналогичные процессы, Изменение сопротивлений тензорезисторов В 1 и В 4 измерительным мостом 4 преобразуется в выходной сигнал, Изменение сопротивлений тензорезисторов В 5 - В 8 измерительным мостом 7 преобразуется в выходной сигнал, Выходной сигнал измерительного моста 4 усиливается дифференциальным усилителем 13, Выходной сигнал измерительного моста 7 усиливается дифференциальным усигителем 14,На выходе дифференциального усилителя 15 появляется сигнал, пропорциональный разности сигналов с измерительных мостов 4 и 7, В случае, если датчик находит 1675025 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ся в стационарных температурных условиях, т.е. когда температура в области границы раздела мембраны и жесткого центра и температура в области границы раздела мембраны и периферийного основания не отличаются друг от друга, в связи с тем, что тенэореэисторы образованы идентичными элементами в виде квадратов и в связи с тем, что две противолежащие стороны каждого квадрата расположены параллельно радиусам мембраны, проведенным через центры соответствующего квадрата, разность сигналов с измерительных мостов равна нулю.На выходе дифференциального усилителя 16 появляется сигнал пропорциональных сумме сигналов измерительных мостов, так как сигнал с дополнительного измерительного моста прежде, чем попасть на вход дифференциального усилителя 16, инвертируется инвертором 17 с коэффициентом усиления. При воздействии на мембрану датчика нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различного термического сопротивления непосредственно мембраны и места присоединения периферийного основания с элементами установки датчика температура области границы раздела мембраны и жесткого центра отличается от температуры границы раздела мембраны и периферийного основания. При этом характер изменения сопротивлений тензорезисторов от разницы температур на мембране у одного из измерительных мостов с увеличением давления совпадает с характером изменения сопротивлений двух противолежащих тензорезисторов, распололенных в области границы раздела мембраны и жесткого центра, а характер изменения сопротивлений противолежащих тенэорезисторов, расположенных в области границы раздела мембраны и жесткого центра, у другого измерительного моста от разницы температур противоположен изменению сопротивлений этих тензорезисторов от увеличения давления,Аналогичное соотношение характеров изменений наблюдается между изменениями сопротивлений тензорезисторов от термодеформаций, возникающих в результате неравномерности температур на мембране и изменениями сопротивлений тензорезисторов от давления в связи с тем, что характер изменения термодеформаций совпадает с характером изменения температур на мембране.Например, температура области границы раздела мембраны и жесткого центра превышает температуру области границы раздела мембраны периферийного основания. Тогда при одинаковом ТКС тензорезисторов (а он одинаков, так как тензозлементы обоих мостов изготавливаются в одном технологическом цикле) увеличение сопротивлений тенэорезисторов Р 2, Р 4 от измеряемого давления совпадает с увеличением сопротивления тенэорезисторов В 2 и й 4 от разницы температур на мембране, а увеличение сопротивлений тенэорезисторов Й 5 и В 7 от разницы температур противоположен изменению сопротивлений тензорезисторов Я 5 и Я 7 от увеличения давления (от увеличения давления сопротивления тензорезисторов й 5 и В 7 уменьшаются),Вследствие различного изменения (по знаку) сопротивлений тензорезисторов от давления и разницы температур в измерительном и дополнительном мосте и в связи с одинаковой величиной изменения сопротивлений тензорезисторов от давления и изменения температуры (т.е. изменения сопротивлений по амплитуде в измерительном мосте от изменения давления равно изменению сопротивлений тензореэисторов в дополнительном мосте, а изменение сопротивлений по амплитуде тензорезисторов от изменения температуры равно изменению сопротивлений тензорезисторов дополнительного моста от изменения температуры), так как размеры тензозлементов обоих тензомостов идентичны, они попарно находятся на одинаковом расстоянии от центра мембраны и идентично ориентированы относительно центра мембраны. на выходе дифференциального усилителя 15 образуется выходной сигнал, пропорциональный разности температур(так как термодеформации тоже характеризуют эту разность) на мембране, а на выходе дифференциального усилителя 16 образуется выходной сигнал, пропорциональный удвоенному значению давления, измеренного каждым измерительным мостом. Размеры сторон резистивных квадратов выбраны в соответствии с представленным соотношением, исходя из необходимости максимального повышения чувствительности к измеряемому давлению.Преимуществом датчика давления является повышение точности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды эа счет возможности учета неравномерности температур и возникающих эа счет этой неравномерности термодеформаций в зоне размещения тензоэлементов, расположенных на различных расстояниях от центра мембраны. Преимуществом конструкции является также повышение чувствительности за счет размещения тензоэлементов в зоне макси 1675702мального изменения деформаций от измеряемого давления и суммирования изменений выходных сигналов измерительного и дбполнительного тензомостов. Другим примуществом конструкции является павы шение функциональных воэможностей за счет получения с одного датчика информации о давлении и информации о распределении температуры на мембране, которая характеризует скорость изменения неста ционарной температуры измеряемой среды. Преимуществом конструкции является также то, что возможно раздельное двухканальное снятие информации о давлении с измерительного и дополнительного тензо мостов с дифференциальных усилителей 13 и 14. Формула изобретения20Датчик давления, содержащий корпус, мембрану, выполненную с жестким центром и по периферии за одно целое с корпусом, закрепленные на планарной стороне мембраны тензорезисторы, соединены по 25 радиальным направлениям низкоомными перемычками в измерительный мост, два противоположных плеча которого образованы тензорезисторами, расположенными по периферии мембраны, а два других - на 30 границе раздела мембраны и жесткого центра, отличающийся тем,что,с целью повышения точности при воздействии не- стационарной температуры, повышения чувствительности и расширения эксплуата ционных возможностей, в него введены четыре дополнительных тензорезистора,закрепленных на планарной стороне мембраны и соединенных по тангенциальным направлениям первыми дополнительными низкоомными перемычками в дополнительный измерительный мост, два противоположных плеча которого образованы двумя дополнительными тензорезисторами, расположенными по периферии мембраны, а два других плеча - двумя другими дополнительными тенэорезисторами, расположенными на границе раздела мембраны и жесткого центра, при этом каждое плечо дополнительного измерительного моста, расположенное по периферии и на границе раздела мембраны и жесткого центра, пот парно симметрично относительно центра мембраны соответствующему плечу измерительного моста, а каждый тенэорезистор выполнен в виде последовательно соединенных вторыми дополнительными низкоомными перемычками идентичных тенэоэлементов, которые выполнены в форме квадрата, одна из сторон которого параллельна радиусу мембраны, проведенному через центр квадрата, а размер стороны квадрата а определен из соотношения: а = / 1 макси Рудгде Рмакс - максимальная мощность рассеиваемая плечом моста, мАт;и - количество тенэоэлементов в плече моста,Руд - максимально допустимая поверхностная рассеиваемая мощность, мВт/мм .Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Га а, 101 Заказ 2994 Тираж 339 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5