Датчик давления
Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Номер патента: 1744531
Автор: Белозубов
Текст
СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1)5 0 01 1 9/04 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ титут фиможет вления оздей- измения: в орпус, ем, окго - - 1 т 3енвля- ельоры кси- де- иях ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1337691, кл, О 01 1 9/04, 1985.Авторское свидетельство СССРМ 1615578, кл. 6 01 1 9/04, 1988,(57) Использование: изобретениебыть использовано для измерения дас повышенной точностью в условияхствия нестационарной температурыряемой среды, Сущность изобретдатчике давления, содержащеммембрану с периферийным основан 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.Известен датчик давления, предназначенный для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой 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 ра 1744531 А 1 ружные и радиальные тензбрезисторы, выполненные соответственно в виде идентичных тензоэлементов, соединенных ниэкоомными перемычками и размещенных на периферии мембраны на одинаковом расстоянии 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 связаны с размерами мембраны и периферийного основания представленными соотношениями. Одинаковая температура радиальных и окружных тензореэисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения их сопротивлений, которые в мостовой схеме взаимно уничтожаются, 1 з.п,ф-лы, 3 ил. иусу мембраны, причем окружные тенэоезисторы своей срединной частью размещены на окружности с радиусом где го - расстояние от цен ьсередины тензорезистора,радиальном направлении;ЬР - длина тензореэистора, размещного в радиальном направлении,Недостатком данной конструкции яется сравнительно низкая чувствитность, связанная с тем, что тензорезистрасположены в зоне воздействия немамальных радиальных и тангенциальныхформаций. Погрешность датчика в услов50 55 воздействия нестационарной температуры измеряемой среды также весьма высока вследствие расположения тензорезисторов в зонах идентичного изменения температур. Это связано с тем, что, хотя окружные тензорезисторы находятся в зоне, где температура на мембране равна среднему значению температуры краев радиальных тенэорезисторов, среднеинтегральная температура окружных тензореэисторов не соответствует среднеинтегральной температуре радиальных тензорезисторов вследствие принципиально нелинейного распределения температурного поля по радиусу мембраны. Нагревостойкость конструкции также недостаточна, так как окружные и радиальные тензорезисторы находятся в отличных друг от друга температурных условиях вследствие различной температуры саморазогрева током питания из-за различного расстояния от места расположения тензорезисторов до опорного основания, через которое в основном происходит теплопередача тепла от тензореэисторов, В результате в данной конструкции невозможно применение повышенного напряжения с целью увеличения выходного сигнала.Наиболее близок к предлагаемому датчику давления, 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 расстоянии Яц от центра дна стакана.Недостатком известной конструкции является сравнительно небольшая чувствительность, связанная с тем, что тензорезисторы реагируют на радиальные и тангенциальные деформации, образуемые в данной конструкции, в результате воздействия измеряемого давления только на мембрану датчика, т.е, в известной конструкции чувствительность датчика полностью определяется только геометрическими размерами и физическими характеристиками материала мембраны (толщиной, диаметром, модулем упругости и т.п,). Весьма частое варьирование материалов и размеров мембраны является недостаточным для получения требуемой чувствительности. При этом эффективность увеличения чувствительности за счет изменения материала мембраны ограничена невозможностью применения материалов, не пригодных для технологических процессов формирования 5 10 15 20 25 30 35 40 тенэорезисторов (например, тонкопленочной технологии), или не совместимых с измеояемыми соедами и т,п,Недостатком известной конструкции является также сравнительно большая погрешность в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие сравнительно большой неравномерности температурного поля в зоне расположения тензореэисторов,Кагревостойкость известной конструкции также недостаточная вследствие расположения тензорезисторов на некотором расстоянии от опорного основания,Цель изобретения - повышение чувствительности, уменьшение погрешности при воздействии нестационаоной температуры измеряемой среды и повышение нагревостойкости эа счет расположения тенэорезисторов в зоне максимальных деформаций, увеличения деформаций вследствие суммирования деформаций от воздействия измеряемого давления на мембрану с деформациями от воздействия измеряемого давления на цилиндрическое основание, за счет повышения равномерности температурного поля в зоне установки тензорезисторов и за счет расположения тензорезисторов в непосредственной близости с опорным основанием.На фиг,1 изображен предлагаемый датчик давления, общий вид; на фиг,2 - узлыина фиг.1; на фиг.3 - графики зависимости деформаций, воздействующих на тензоэлементы.Толщины диэлектрической, реэистивной и контактной пленок для наглядности увеличены. Датчик давления содержит вакуумированный корпус 1, мембрану 2 с периферийным основанием 3, окружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы, Окружные тензорезисторы 4 и радиальные тенэорезисторы 5 выполнены в вире 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 расстоянии от центра мембраны. Периферийное основание выполнено в виде расположенного в плоскости мембраны консольного участка 8, выполненного за одно целое с цилиндрическим опорным основанием 9. Продольная ось цилиндрического опорного основания перпендикулярна плоскости мембраны, Размеры и местонахождение тенэоэлементов связаны с размерами мембраны и периферийного основания предлагаемыми соотношениями,Корпус и упругий элемент выполнен из сплава 70 НХБМО, на поверхности мембраны и консольного участка нанесен диэлектрик 10 в виде структуры А 20 з - 302 толщиной 3 мкм. Тензорезисторы выполнены из сплава П 65 ХС с поверхностным сопротивлением 100 Ом/квадрат. Низкоомные перемычки выполнены в виде структуры Ч - М толщиной 1,5 мкм. При нормальном значении сопротивления 700 Ом и поверхностном сопротивлении 100 Ом/квадрат количество квадратов в окружных и радиальных резисторах одинаково и равно отношению сопротивления тензорезисторов к поверхностному сопротивлению, т.е. рано 7,Датчик давления работает следующим образом.Давление измеряемой среды воздействует на мембрану и цилиндрическое опорное основание. Под воздействием измеряемого давления на мембрану в ней и консольном участке возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны и консольного участка радиальных аитангенциальных я, деформаций (фиг.2, Зб).Под воздействием измеряемого давления на цилиндрическое опорное основание в месте сопротивления мембраны и опорного основания возникает изгибающий момент Мг и усилие, направленное по радиусу мембраны (фиг,За), На фиг.За изображены направления Мг и Тг, выбранные за положительные. Воздействие изгибающего момента приводит к появлению в мембране дополнительных напряжений, максимальная величина которых наблюдается в области сопряжения мембраны и цилиндрического опорного основания, Напряжения вызывают деформации на планарной части мембраны и консольного участка, характер которых изображен на фиг.Зв. Из фиг.Зв видно, что в области сопряжения мембраны и опорного основания деформации от изгибающего момента (в результате воздействия давления на цилиндрическое опорное основание) совпадают по знаку с деформациями, вызванными воздействием измеряемого давления на мембрану датчика. Воздействие усилия Т приводит к появлению растягивающих деформаций на поверхности мембраны, ограниченной радиусом мембраны, и сжимающих деформаций в области сопряжения мембраны и цилиндрического опорного основания (ф и г.З г). В связи с выбранными размерами тензоэлементов и их местоположением тензоэлемент окружного тензорезистора (фиг.2, узел ) подвергается воздействию растяги вающих тангенциальных деформаций евызванных воздействием измеряемого давления на мембрану направленных вдоль резистора, и сжимающих радиальных деформаций е, вызванных воздействием 10 измеряемого давления на мембрану, сжимающих радиальных деформаций ям, вызванных воздействием измеряемогодавления на цилиндрическое опорное основание, Деформации ег, е,я направлены перпенди кулярно длине тензоэлемента.В результате воздействия таких деформаций сопротивление каждого тензоэлемента окружного тензорезистора увеличивается, Вследствие аналогичных 20 причин тензоэлементы радиального тензорезистора (фиг.2, узел ) подвергаются воздействию растягивающих тангенциальных деформаций е, вызванных воздействием измеряемого давления на мембрану, на правленных перпендикулярно длине тензоэлемента, и сжимающих радиальных деформаций яг, вызванных воздействием измеряемого давления на мембрану, сжимающих радиальных деформаций Ь, вы званных воздействием измеряемогодавления на цилиндрическое опорное основание, сжимающих радиальных деформаций яе, вызванных воздействием измеряемого давления на цилиндрическое 35 опорное основание. Деформации я, е,е, направлены вдоль длины тензоэлемента. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата уменьшается. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных идентичных тензоэлементов, то изменение сопротивле ний окружных и радиальных тензорезисторов равно сумме измерений сопротивлений соответствующих тензоэлементов. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных тензорезисторов и 50 уменьшение сопротивлений противоположно включенных резисторов преобразуются мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика, При этом вследствие воздействий дополнительных деформаций, образующихся в результате воздействия измеряемой среды на цилиндрическое опорное основание, величина выходного сигнала больше чем у известного датчика, При воздействии5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 нестационарной температуры измеряемой среды (термоударе) на мембране возникает неравномерное поле температур (фиг.Зд). На фиг.Зд приведена экспериментально определенная зависимость распределения температуры на планарной стороне мембраны через 0,1 с после подачи на мембрану датчика давления жидкого азота с температурой Тс, Из фиг,Зд видно, что неравномерность температурного поля в предлагаемой конструкции существенно меньше по сравнению с известным датчиком вследствие близости термических сопротивлений мембраны и цилиндрического опорного основания из-за равенства их толщины, При этом в области размещения тензорезисторов скорость изменения температурного поля как по радиусу, так и во времени минимальна, В связи с выбранными размерами и местонахождением тензоэлементов и предлагаемыми соотношениями размеров цилиндрического опорного основания, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной стороне мембраны, температура тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов (как это видно из фиг.З), изменяясь со временем, остается одинаковой в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. При этом, так как в результате выбранных соотношений скорость изменения температурного поля как по радиусу, так и во времени в области размещения тензорезисторов меньше по сравнению с известным датчиком то и меньше погрешность при воздействии нестационарной температуры, Вследствие расположения тензоэлементов в месте сопряжения мембраны и цилиндрического опорного основания существенно облегчается 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 давления по сравнению с известным является повышение чувствительности от 30 до 100 О, уменьшение погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды в 1,9 раза и повышение нагревостойкости в 1,6 раза за счет расположения тензорезисторов в зоне максимальных деформаций, увеличения максимальных де 1где,и - коэф ициент Пуасс формаций вследствие суммирования деформаций от воздействия измеряемого давления на мембрану с деформациями от воздействия измеряемого давления на цилиндрическое основание, за счет повышения равномерности температурного поля в зоне установки тензорезисторов и за счет расположения тензорезисторов в непосредственной близости с опорным основанием. Павы шение чувствительности позволяет при тех же конструктивных размерах изготовить датчики давления на меньшие пределы измерения. Например, невозможно было изготовить тонкопленочные датчики давления с радиусом мембраны 2,5 мм на давление менее 2,8 МПа (вследствие невозможности изготовления 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.Оормула изобретения 1, Датчик давления, 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 расстоянии Яц от центра дна стакана, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности при воздействии нестационарной температуры, увеличения чувствительности и повышения термостойкости, в нем на внешней боковой поверхности стакана канцентрично его внутреннему диаметру, равному 2 йм, выполнена на расстоянии Ьк от наружной поверхности дна стакана кольцевая проточка ширинойи с внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра стакана на 2 Ьц, причем размеры и расположение тензоэлементов выбраны из соотношенийа пц,Вц = Йм+ 0,5 Н; й.=ц= Н,2, Датчик по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что в нем ширина кольцевой проточкивыполнена по соотношению
СмотретьЗаявка
4774125, 25.12.1989
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
БЕЛОЗУБОВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ
МПК / Метки
МПК: G01L 9/04
Опубликовано: 30.06.1992
Код ссылки
<a href="https://patents.su/7-1744531-datchik-davleniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Датчик давления</a>
Предыдущий патент: Датчик давления
Следующий патент: Тензорезисторный датчик давления
Случайный патент: Устройство для обработки пульпообразной суспензии твердых веществ