Датчик давления
Изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в условиях воздействия нестационарных температур, например в двигателях внутреннего сгорания. С этой целью воспринимающая мембрана соединена с разделительной мембраной штоком. На разделительной мембране установлена гибкая теплоизоляционная прокладка, которая закреплена при помощи кольцевой насадки. Между воспринимающей и разделительной мембранами установлена перегородка, выполняющая функцию теплового экрана. На воспринимающей мембране сформированы тензорезисторы, включенные в измерительную мостовую цепь. Тензорезисторы, расположенные по дуге окружности, своей срединной частью размещены на окружности с радиусом, равным расстоянию от центра мембраны до середины радиальных тензорезисторов. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (l9) (И) 1511 4 С 01 L 9/04
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
M А ВТОРСН0МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
1 (21) 4232999/24-10 (22) 21,04,87 (46) 30.11.89. Вюл, !1- 44 (71) Пензенский политехнический инс титут (72) В.А. Васильев и А.И.Тихонов (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М !462128, кл. С 01 L 9/04, 1986. (54) ДАТ Ч11К ДАВ1П . НИЯ (57) Изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в условиях воэдейс твия нестационарных температур, например в двигателях внутреннего сгоИзобретение отног.ится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений в двигателях внутреннего сгорания, Цель изобретения — .Релпчеиие точности при работе в условиях действия циклического термоудара повышенной температуры, I!a фиг.! представлена конструкция датчика; на фиг.2 — расположение тензорезисторов «а мембране: на фиг,3 распределение температуры по поверхности мембраны, Датчик давления содержит корпус 1, воспринимающую мембрану 2, на которой сформированы по интегральной технологии металлопленочные текзорезисторы
3-6. Воспринимающая мембрана 2 выпол- . нена заодно со штоком 7> установленным в ее центре. Шток 7 соединен с
2 рания, С этой целью воспринимающая мембрана соединена с разделительной мембраной штоком. На разделительной мембране установлена гибкая теплоиэоляционная прокладка, которая закреплена при помощи кольцевой насадки. Между воспринимающей и разделительной. мембранами установлена перегородка, выполняющая функцию теплового экрана, На воспринимающей мембране сформированы тензореэисторы, включенные в измерительную мостовую цепь. Тензореэисторы, расположенные по дуге окружности, своей срединной частью размещены на окружности с радиусом, равным расстоянию от центра мембраны до середины радиальных тензорезисторов, 3 ил. разделительной мембраной 8, на которой при помощи кольцевой насадки 9 saкреплена прокладка 10, выполненная из гибкого теплоиэоляционного материала, например, из асбеста.
Между воспринимающей 2 и разделительной 8 мембранами установлена перегородка 11 с отверстием в центре„
Перегородка 11 может быть выполнена, например, иэ керамики, Через отверстие в перегородке 11 пропущен шток
7. Полость 12 между воспринимающей
2 и разделительной 8 мембранами вакуумирована..Замембранная полость 13 вакуумирована или заполнена инертным газом, Тензорезисторы 3-6, установленные на воспринимающей мембране
2, включены в мостовую измерительную цепь. Расположение тенэорезистороа
1525504
3-6 на мембране 2 представлено на, фиг ° 2. Тенэорезисторы 3 и 5 ° установ" ленные в радиальном направлении, выполнены составными иэ двух равных
5 частей. Тензорезисторы 4 и 6, расположенные по дуге окружности, своей срединной частью размещены на окружности с радиусом, равным расстоянию от центра воспринимающей мембраны 2 до середины радиальных тенэорезисторов 3 и 5.
Датчик давления работает следующим образом.
Измеряемое давление преобразуется разделительной мембраной 8 в силу, которая передается посредством штока
7 воспринимающей мембране 2. Последняя прогибается и тенэореэисторы 3-6 воспринимают ее деформацию. Тензоре- 2ð зисторы 3 и 5 воспринимают радиальную деформацию, а тензорезисторы . и 6окружную. На выходе мостовой измерительной схемы, образованной из тенэорезисторов 3-6, появляется сигнал, 25 пропорциональный измеряемому давлению, При работе датчика в условиях действия циклического. термоудара повышенной температуры, среда воздействует на гибкую теплоиэоляционную,про- -.10 кладку 10, которая передает (н силу своей гибкости) распределенную нагрузку на разделительную мембрану 8 и одновременно снижает тепловое воздействие на нее Теплоизоляционная прокладка 10 способствует уменьшению теплопередачи от измеряемой среды через шток 7 к воспринимающей мембра-. не 2. Благодаря наличию теплоиэоляционной прокладки 10 снижаются темпе-,10 ратурные деформации разделительной мембраны 8 и, как следствие, уменьшается температурная погрешность, вызванная температурными деформациями мембраны.
Поскольку внутренняя полость I 2 между воспринимающей 2 и разделительной 8 мембранами вакуумирована, в конструкции датчика практически исклю-50 чена теплопередача от разделительной мембраны 8 к воспринимающей мембране эа счет." теплопроводности газа и теп-; лопередачи путем коннекции. Кроме того, вакуумирование полости 12 поз оляет исключить воэможность влияния теплового расширения газа, Все это также снижает температурную-погрешнос ть °
Для уменьшения теплопередачи путем излучения, в конструкции предусмотрена теплоизоляционная перегородка 11, которая позволяет преградить поток теплового излучения от разделительной мембраны 8 к воспринимающей мембране 2 и тем. самым уменьшить.ее температуру, что, н свою очередь, приводит тоже к уменьшению температурной погрешности, Теплопередача со стороны измеряемой среды к воспринимаюшей мембране 2 происходит, н основном, через стенки корпуса 1 и шток 7, Теплопередача осуществляется за счет теплопронодности материала штока 7 и корпуса 1.
Поскольку шток 7 с разделительной мембраной 8 значительно увеличивают тепловую инерццонность воспринимающей мембраны 2, циклическое изменение температуры измеряемой среды почти не передается.на носпринимающую мембрану 2 и на последней имеет место установившаяся температура, практически с линейно меняющимся градиентом по радиусу. Наличие градиента температуры обусловлено различием температурных условий в центре, где распстожен шток 7, и на периферии, н месте заделки.
Распределение температуры по радиусу воспринимающей мембраны, полученное экспериментальным путем, представлено на фиг,З. Вследствие наличия градиента температуры по радиусу мембраны, температура в различных точках радиальных тензорезисторов 3 и 5 пе одинакова. Температура в центре Ме»6раны максимальна и минимальна на периферии. Поскольку н месгах установ-ки радиальных тензорезисторон 3 и 5 градиент температуры меняется линейно от начала до конца каждого тенэорезистора, то точка среднего значения температуры совпадает с центром радиалы ых тепзорезисторов. При этом изменение сопротивлений радиальных тенэореэисторон определяется средним значением температуры этих тензорезисторов.
Поскольку тенэорезисторы 4 и 6 расположены по дуге окружности и своей срединной частью размещены на окружности с радиусом ro, ранным расстоянию от центра мембраны до середины радиальных тензорезисторов 3 и
5, то изменения.сопротивлений этих тенэорезисторон равны изменениям со15255 противлений от температуры тензорезисторов 3 и 5, Так как тензорезисторы 3 и 5, 4 и 6 включены в мостовую измерительную схему, то в ней происходит саМокомпенсация температур5 ной погрешности, Применение изобретения позволяет уменьшить температурную погрсы.ость в условиях действия циклического тер- 10 моудара повышенной температуры до
0,5-37., Уменьшение температурной погрешности повышает точность и стабильность датчика, в котором обеспечивается работа мембран и тенэореэисторов в ненапряженных тепловых режимах, что позволяет повысить надежность, Ф о р м у л а и з o (i р е т е н и я
Датчик давления, одерж;павий размешеипую в корпусе первую измеритель04 6 ную мембрану, на которой установлены тенэорезисторы по дуге окружности и в радиальном направлении, включенные в измерительный мост, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения точности в условиях действия циклического термоудара повышенной температуры, в него введены вторая разделительная мембрана, соединенная по центру штоком с первой, гибкая теплоизоляционная прокладка, закрепленная на второй мембране со стороны измеряемой среды, и теплоиэоляционная перегородка, расположенная между первой и второй мембранами, -при этом полость между мембранамч вакуумиронана, а тенэореэисторы, располо" женные по дуге окружности, размешены на окружности с радиусом, равным расстоянию от центра мембраны до середины радиальных тенэореэисторов.
12 fg
I525504
Составитель О,Слвсарев
Редактор И,Касарда Техред А.Кравчук
Корректор С.Черни
Заказ 72I?/35 Тирам 789 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101
