Датчик давления

(54) ДАТЧИК Д (57) Использ быть использо при работе в у Сущность иэо зисторы Я 1 и й )кащих плеч м КФ- другую па рительной схе ствии термоуд тут фи- итехФ.СоГОСУДАР СТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР .ОПИСАНИЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(71) Научно-исследовательский инстиэических измерений и Пензенский полнический институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 1474486, кл. 6 01 1 9/04, 1988,Авторское свидетельство СССРМ 1462128, кл,(3 01 1 9/04, 1988,Изобретение .относится к измерительной технике и может быть использовано дляизмерения давления при работе в условияхдействия термоудара,Известен датчик давления, в которомустойчивость к теплоудару достигается путем расположения концов тензореэистора вформе дуги на окружностях,проведенныхчерез концы прямолинейных тензорезисторов,Недостатком данной конструкции явля-.ется большая температурная погрешность к:несимметричному термоудару, так как притаком термоударе температурные условияработы каждого из тензорезисторов резкоотличаются от температурных условийэтих тензорезисторов при осесимметрич=ном термоударе, Кроме того; различные па-,разитные деформации, обусловленные,например, конструктивными несовершенствами закрепления мембраны в корпуседатчика и характеризующиеся несимметричным распределением по радиусу .мембраны, вызывают появление дополнительных погрешностей.Наиболее близким к предлагаемому яв ляется датчик давления, содержащий кор 1751645 А АВЛЕНИЯование: изобретение может вано для измерения давления словиях действия термоудара, боетения: поскольку тензоре образуют одну пару близлеоста, а тензореэисторы ВЗ иру, то сигнал на выходе измемы не изменяется при воздейара, 4 ил пус с установленной в нем мембраной, на которой закреплены в окружном и радиальном направлениях составнйе"из двухчастей тензорезисторы, собранные в мостовую измерительную цепь. Радиальные тензорези- .сто ры раси"оложен ы вблизи одного диаметра в периферийной части мембраны, а окружные - вблизи другого, перпендикулярного первому, диаметра, на окружностях, проходящих через концй частей радиальных тензорезисторов.Указанное конструктивное решение обеспечивает одинаковые температурные условия окружныхМ радиальных тензорезисторов и высокую уСтойчивость к воздействию осесимметричного термоудара. Однако при воздействии несимметричного термоудара такое конструктивное решение. приводит к появлению большой температурной погрешности, которая возникает из-за различия температурных условий работы окружных и радиальных тензорезисторов. Датчик имеет также большие дополнительные погрешности, обусловленные паразитными неосесимметричными деформациями.1751645 воспринимают радиальную деформацию, а тензорезисторы 2 и 3 - комбинацию окружных и радиальных деформаций, Под действием деформаций тензорезисторы 1 и 4 уменьшают свое сопротивление, а тензоретехнологическими трудностями, поскольку зисторы 2 и 3 увеличивают. В результате этого на выходе мостовой измерительной значение температур в местах расположения первой и второй части окружного тензорезистора разные; что приводит при цепи появляется сигнал,. пропорциональный измеряемому давлению. При действии несимметричного термо 10 удара, например, обусловленного. прохождением жидкого азота по трубопроводу ров, к разным температурным условиям их давление которого измеряется датчиком работы,:., давления, установленного перпендикуляр- Цель изобретения - повышение точно. но направлению прохождения азота, темпести в условиях воздействия йесимметрично-ратура на поверхности мембраны го термоудара "распределяется так, как показано на фиг, 4 Поставленная цель достигается тем, что . (распределение получено для трех моменв датчике давления; содержащем корпус с тов времени; т=Ъ, т= сг и т= тз на основе экспериментальных данных). Стрелкой О условно показано направление движения жидкого азота. . Вследствие несимметричного относирой закреплены первый, второй, третий и четвертый тензорезисторы, соединенные в моставую измерительную схему, при этом тельноцентра мембраны(оси.температурТ) первый ичетвертый из них включены в про-. 25 распределения температуры по радиусу,температура для заданного момента времетивоположные плечи моста, расположены в радиальном .направлении симметрично ни при относительном значении радиуса,равного, например,+х 1/г, не равна температуре при отноСительном значении радиуса,друг другу относительно центра мембраны и выполнены в виде двух йоследовательно соединенных между собой своими первыми 30 равного минус х 1/г. При указанномна фиг., концами. идентичных и расположенных па направлении движения жидкого азота раллельно друг другу симметрично относи- температура приотрицательных значениях тельно оси мембраны тензоэлементов,относительного радиуса для каждого мопрямоугольной формы; причем конец каж- мента времени выше, чем при положительдого из тензоэлементов расположен на гра .ных значениях относительно радиуса. Температурйые условия работы пары тензорезисторов В 1 и В 2 отличаются от темперанице раздела мембраны и периферийного основания: второй и третий тензорезисторы выполнены прямоугольной формы, причем турных условий работы другой парыпервый конец второго тензорЕзистора со- . тензорезисторов(В 3 и В 4),вмещен со вторым концом, расположенного .40 Изменение сопротивлений тензорезийо одну сторону оси мембраны тензоэле- старое под действием термоудара опредемента первого тензореэистора, а конец третьего тензорезистора совмещен аналоляется средним по длине тензорезистора значением температуры. Из термоударных гично с расположенным по другую сторону характеристик (см. фиг, 4) видно, что значеот оси. мембраны вторым концом тензозле ния температуры, соответствующие средне- мента четвертого тензорезистора, при этом . му по длине тензорезистора В 1 значению вторые концы второго и третьего тензорези- температуры, для моментов времени т 1, 12 и сторов расположены на окружностей, прохо- тз соответствейно равны Т 1, Тг и Тз, а дящей через первые концы тензоэлементов значения температур, соответствующих первого и четвертого тензорезисторов. 50 среднему по длине тензорезистора В 4; знаНа фиг, 1 показана конструкция предла-чению температуры, для тех же моментовф гаемого датчика давления; на фиг. 2 - схема времени равнысоответственно Т 1, Тг иЭрасположения тензорезисторов на мембра- Тз .не; на фиг. 3 - мостовая измерительная схеформируется. Тензорезисторы 1 и 4 теризующееся средним по его длине Кроме того, выполнение окружного тензорезистора с такими же температурными . характерйстиками, как и у раДиального тензорезистора, сопряжено со значительными одинаковом удельном сопротивлении материала тензорезисторов к разной их длине, приводящей к различию условийтеплоотдачи радиального и окружного тензорезистозакрепленной в нем мембраной с утолщенным периферийным основанием, йа котома; на фиг. 4 - распределение температуры на поверхности мембраны.Датчик работает следующим образом, При подаче измеряемого давленйя через,штуцер 7 на мембрану 6, последняя деВ датчике тензорезистор В 2 установлен в той же зоне (на том же протяжении отно-, сительного радиуса), что и тензорезистор В 1, и значения температур этого тензорезистора для каждого момента времени, харакзначениям, равно средним значениям температур тензорезистора В 1.Аналогично можно сказать, что средняя температура тензо резистора ВЗ в любой момент времени равна средней температуре 5 тензорезистора В 4.Из этого следует, что в любой момент времени изменение сопротивления тензо-резистора В 2 под действием несимметричного термоудара (а симметричного тем 10 более) равно изменению сопротивления тензорезистора В 1, а изменение сопротивления тензорезистора ВЗ - изменению сопротивления тензорезистора В 4, Поскольку тензорезисторы В 1 и В 2 образуют одну пару 15 близлежащих плеч моста (см. фиг, 2), а тензорезисторы ВЗ и В 4 - другую пару близлежащих плеч, то сигнал на выходе измерительной цепи не изменяется при воздействии термоудара, резко уменьшается 20 динамическая температурная погрешность и становится практически равной нулю,Эта погрешность может быть рассчитана по формулеа 1 Лт 1+ а 4 Лт 4 - а Лт 2 +аз Ьтз 25 У и(1) где а 1, а 2, аз, а 4 - температурные коэффи циенты сопротивления тензорезисторов В 1, ВГ, В 3, В 1 соответственно; ЛТ 1, ЬТ 2. ЬТз, ЛТ 4 - изменения температур по длине тензорезисторов В 1, В 7, В 3, ВФсоответствени но, я 1 - относительное изменение1=1 сопротивления всех плеч измерительйой цепи от номинального давления,Для предлагаемой конструкции а 1 = а 2 = аз = а 4=а; ЛТ 1 =ЛТ 2=ЬТ 1; ЬТз=ЬТ 4 40г =ЛТ 2, поэтому формулу (1) можно представить в виде:Й ЬТ 1ЬТ 2 - ЬТ 1 -ЬТ 2 ) Ъ и О.Ег 451=1Видно, что теоретическое значение динамической температурной погрешности предлагаемой конструкции датчика равно нулю, а экспериментальные исследования 50 показывают, что она при несимметричном термоударе лежит в пределах 0,5 - 1 ф, а при симметричном термоударе в пределах О,З,6 О. Динамическаятемпературная погрешность прототипа при несимметричном 55 термоударе составляет 6-15.Кроме того, предлагаемое изобретениепозволяет существенно снизить погрешность от паразитных неравномерных деформаций, обусловленных, например, моментом затяжки, обеспечивает благоприятные технологические условия для выполнения требованияа 1 = а 2= аз= а 4,Таким образом, предлагаемый датчик давления" вытодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для измерения давлений в условиях действия несимметричноготермоудара, Его при- менение выгоДйо также при действии осесимметричного термоудара,Технико-экономическим и реимуществом использования технического решения является повышение точности измерения давления при несимметричном термоударе в (6 - 30), а при симметричном (в 1,5-3) раза.Формула изобретенияДатчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной с утолщенным периферийным основанием, на которой закреплены первый, второй, третий и четвертый тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, при этом первый и четвертый из них включены в противоположные плечи моста, расположены в радиальном направлении симметрично друг другу относительно центра мембраны и выполнены в виде двух последовательно соединенных между собой своими первыми концами идентичных и расположенныхпараллельно друг другусимметрично относи-. тельно оси мембраны тензоэлементов прямоугольной формы, причем конец каждогоиз тензоэлементов расположен на границе раздела мембраны и периферийного основания, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения в уС- ловиях воздействия несимметричного термоудара, в нем второй и третий. тензо резистор вь 1 г 1 оЛ йеньг прямоугольной формы, причем первый конец второго тензорезистора совмещен с вторым концом расположенного по одну сторойу оси мембраны тензоэлемента первого тенэорезистора, а конец третьего тенэорезистора совмещен аналогично с расйоложенным по другую сторону от оси мембраны вторым: концом тензоэлемента четвертого тензорезистора, при этом зторйе концы второго и третьего тензорезисторов расположены на окружности, проходящей через первые концы тензоэлементов первого и четвертого тензорезисторов.и ГКНТ ССС венно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Про аз 2687 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти113035, Москва, Ж, Раушская нэб 4/5