ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Преобразователь давления, содержащий корпус с упругой мембраной с размещенными на ее поверхности радиальными и окружными тензорезисторами, расположенными на одинаковом расстоянии от центра и включенными в мостовую измерительную схему, отличающийся тем, что каждое плечо мостовой схемы содержит два идентичных, включенных последовательно и расположенных симметрично относительно центра мембраны тензорезистора, при этом любые смежные плечи мостовой схемы ориентированы по общему для них диаметру и расположены параллельно или перекрестно друг другу.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления в условиях динамического и направленного температурного воздействия на преобразователь давления.
Известны преобразователи давления, содержащие корпус с упругой мембраной с размещенными на ее поверхности тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему (патент РФ №2028585, 1995; патент РФ №2026537, 1995; патент РФ №2028583, 1995). Для устранения чувствительности преобразователя давления к динамическим температурным воздействиям со стороны контролируемой среды на мембрану с противоположной тензорезисторам стороны наносится теплоизолирующий слой, толщина которого меняется определенным образом от центра мембраны к ее периферии. Подобная мера позволяет в определенной степени приблизить картину температурного градиента в теле мембраны к осесимметричной, когда температурные изменения сопротивлений плеч моста близки между собой и вызывают разбаланс моста в меньшей степени относительно случая, когда теплоизоляция отсутствует. Недостатками такого технического решения является возможность компенсации динамического температурного воздействия только в узком диапазоне скоростей изменения температуры и чувствительность к неосесимметричным температурным полям.
Известны преобразователи давления, в которых чувствительность к динамическому температурному воздействию снижается за счет расположения тензорезисторов мостовой схемы на одинаковом расстоянии от центра мембраны, причем радиальные размеры тензорезисторов одинаковы (авторское свидетельство СССР №1686318, 1991; авторское свидетельство СССР №1462128, 1989; авторское свидетельство СССР №1474486, 1989; патент РФ №2375689, 2009; патент РФ №2391640, 2009). При таком выполнении каждый тензорезистор усредняет (интегрирует) температуру областей мембраны в радиальном направлении и имеет при этом близкие температурные приращения сопротивления при осесимметричном градиенте температуры, вызванном осесимметричным термоударом. Подобные температурные изменения тензорезисторов автоматически компенсируются мостовой схемой. Недостатком этих технических решений является невозможность компенсации таких температурных воздействий, которые сопровождаются возникновением в теле мембраны преобразователя неосесимметричных температурных полей.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является преобразователь давления (СССР, авторское свидетельство №1751645, 1992), содержащий корпус с упругой мембраной с размещенными на ее поверхности радиальными и окружными тензорезисторами, расположенными на одинаковом расстоянии от центра и включенными в мостовую измерительную схему. В данном устройстве компенсация динамического неосесимметричного температурного воздействия осуществляется благодаря выполнению радиальных и окружных тензорезисторов с одинаковым радиальным размером и размещению смежных плеч моста в одной температурной зоне.
Недостатком этого технического решения является зависимость степени компенсации неосесимметричного температурного воздействия на преобразователь от направления этого воздействия относительно ориентации тензомоста на мембране преобразователя, поскольку у тензорезисторов одинаковым является только радиальный размер. Удовлетворительная компенсация термоударов возможна только в направлении диаметра, вдоль которого размещены тензорезисторы.
Задачей полезной модели является создание устройства преобразователя давления с достижением следующего технического результата: уменьшение чувствительности преобразователя давления к статическому и динамическому осесимметричному и неосесимметричному температурному воздействию произвольного направления.
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователе давления, содержащем корпус с упругой мембраной с размещенными на ее поверхности радиальными и окружными тензорезисторами, расположенными на одинаковом расстоянии от центра и включенными в мостовую измерительную схему, каждое плечо мостовой схемы содержит два идентичных, включенных последовательно и расположенных симметрично относительно центра мембраны тензорезистора, при этом любые смежные плечи мостовой схемы ориентированы по общему для них диаметру и расположены параллельно или перекрестно друг другу.
Сущность данного изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
фиг. 1 - схематичное представление конструкции преобразователя давления;
фиг. 2 - электрическая схема включения тензорезисторов преобразователя;
фиг. 3 - варианты размещения тензопреобразователей мостовой схемы на мембране преобразователя;
фиг. 4 - варианты включения тензорезисторов в мостовую схему.
Преобразователь давления в соответствии с фиг. 1 содержит корпус 1 с упругой мембраной 2, которая, в частном случае, может быть выполнена заодно с корпусом. На поверхности мембраны размещены радиальные и окружные тензорезисторы 3, включенные в мостовую схему, имеющую выводы 4. Элементы крепления преобразователя на объекте и герметизации полости с измерительной схемой на чертеже условно не показаны. Стрелкой указано направление воздействия измеряемого давления Р на преобразователь.
Преобразователь давления работает следующим образом. Измеряемое давление подается на мембрану преобразователя и деформирует ее. При этом радиальные и окружные тензорезисторы, включенные в мостовую схему, получают противоположные по знаку приращения сопротивлений. Вследствие этого на диагонали моста возникает напряжение, пропорциональное приложенному давлению.
При работе преобразователя давления в условиях динамических и направленных статических температурных воздействий его измерительная мембрана имеет неравномерное распределение температуры, вследствие чего тензорезисторы получают дополнительные индивидуальные приращения сопротивлений. В результате такого воздействия на измерительной диагонали мостовой схемы возникает дополнительный разбаланс, обусловленный наличием температурных градиентов на поверхности мембраны. При выравнивании температуры на поверхности мембраны температурный разбаланс моста исчезает.
В основу технического решения данной полезной модели положено свойство мостовой измерительной схемы автоматически компенсировать изменения напряжения на измерительной диагонали при одинаковых приращениях сопротивлений смежных плеч моста. Кроме того, используется свойство тензорезистора усреднять (интегрировать) температуру на площади, которую он занимает на контролируемой поверхности, т.е. сопротивление тензорезистора соответствует средней по его площади температуре. Таким образом, решение задачи уменьшения чувствительности преобразователя давления к статическому и динамическому осесимметричному и неосесимметричному температурному воздействию произвольного направления сводится к такому расположению тензорезисторов, при котором смежные плечи моста находятся в идентичных температурных условиях (а именно, смежные плечи находятся в одной и той же температурной зоне, а сами тензорезисторы имеют идентичные геометрические и электрические характеристики).
Для решения поставленной задачи каждое плечо мостовой схемы содержит два идентичных включенных последовательно сопротивления (см. фиг. 2). Тензорезисторы расположены на мембране датчика симметрично относительно ее центра, при этом любые смежные плечи моста ориентированы по общему для них диаметру, располагаясь при этом параллельно или перекрестно друг другу.
На фиг. 3 показаны некоторые возможные варианты размещения тензорезисторов, удовлетворяющие указанным требованиям. Здесь приведены варианты параллельного (фиг. 3, а, в) и перекрестного (фиг. 3, б, г) размещения тензорезисторов смежных плеч, а также варианты ориентации относительно общего диаметра смежных плеч моста, симметричных относительно диагонали питания (фиг. 3, а, б) и относительно измерительной диагонали (фиг. 3, в, г).
На фиг. 4 приведены электрические схемы соединения радиальных и окружных тензорезисторов в мостовую схему для различных вариантов размещения тензорезисторов на мембране датчика.
Рассмотрим работу преобразователя давления при различных видах температурного воздействия на него со стороны измеряемого процесса и окружающей среды.
При работе заявляемого преобразователя в условиях статических или медленно изменяющихся температур, когда температурные градиенты в измерительной мембране отсутствуют или минимальны, все тензорезисторы мостовой схемы имеют практически одинаковую температуру. Предлагаемое техническое решение имеет преимущества по отношению к известной схеме моста с четырьмя тензорезисторами и их размещением симметрично относительно центра мембраны (в частности, по отношению к прототипу), поскольку в нем использован другой вариант усреднения температуры тензорезисторами. В известных схемах тензорезистор каждого плеча моста усредняет температуру определенной «собственной» зоны мембраны преобразователя между ее центром и периферией, т.е. каждое плечо моста имеет индивидуальную зону усреднения температуры. Любые несоответствия температур данных зон мембраны сопровождаются возникновением дополнительного сигнала на измерительной диагонали моста. В предложенном решении два тензорезистора каждого плеча моста усредняют температуру симметричных относительно центра мембраны зон, т.е. имеют «приведенную» к центру мембраны температуру. Смежные плечи моста, ориентированные относительно общих диаметров, также имеют одинаковую приведенную к центру моста температуру. Таким образом, температуры всех плеч моста будут иметь приведенное к единой точке значение, что делает схему более устойчивой к температурным флуктуациям мембраны.
Динамическое воздействие температуры на преобразователь давления (термоудар) сопровождается кратковременным возникновением на поверхности мембраны преобразователя градиентов температуры. В зависимости от характера такого воздействия различают осесимметричный термоудар, при котором изотермы температурного поля представляют собой концентрические окружности с центром, совпадающим с центром мембраны, и неосесимметричный термоудар, когда линии изотерм смещены относительно центра мембраны и в общем случае не являются окружностями. При динамическом термоударе картина температурного поля непрерывно меняется во времени. После момента возникновения термоудара градиенты температуры на поверхности мембраны сначала возрастают, достигая некоторого максимума, определяемого скачком температуры, а затем уменьшаются до нуля при стабилизации температуры преобразователя. Поэтому для уменьшения чувствительности преобразователя давления к термоударам различной природы необходимо обеспечить его минимальную восприимчивость к осесимметричным и неосесимметричным температурным полям на поверхности мембраны.
При осесимметричном температурном воздействии на преобразователь давления температурное поле его мембраны имеет изотермы в виде концентрических окружностей с центром, совпадающим с центром мембраны. Тензорезисторы обладают свойством усреднения (интегрирования) температурного воздействия по занимаемой ими поверхности. Поэтому расположение идентичных окружных и радиальных тензорезисторов симметрично относительно центра мембраны на одинаковом удалении от него приводит к возникновению в тензорезисторах одинаковых температурных приращений, которые не приводят к разбалансу моста.
При неосесимметричном температурном воздействии на преобразователь давления его мембрана будет иметь сложное температурное поле, изотермы которого в общем случае не являются окружностям. Каждая область размещения тензорезисторов будет иметь свою температуру. В областях, расположенных вдоль одного диаметра мембраны симметрично ее центру, размещены последовательно включенные тензорезисторы смежных плеч мостовой схемы. За счет указанного размещения суммарное сопротивление каждого смежного плеча будет иметь одинаковое приращение, обусловленное действием термоудара, и разбаланс мостовой схемы не будет происходить.
Следует заметить, что в предложенном техническом решении температурные изменения сопротивлений тензомоста не вызывают разбаланса мостовой схемы при любых скоростях изменения температурного поля мембраны преобразователя давления. Компенсация осуществляется как при динамическом температурном воздействии, так и при нахождении преобразователя в зоне действия статического температурного градиента, когда преобразователь находится между источником и «поглотителем» теплового излучения.
Механизм устранения влияния температурных воздействий на выходной сигнал преобразователя давления в предлагаемой полезной модели может быть дополнительно показан при помощи формул. Например, для схемы размещения и включения тензорезисторов в соответствии с фиг. 3, а и фиг. 4, а напряжение на измерительной диагонали будет иметь вид
12
21
31
42
11
22
32
41
1
2
3
4
Предположим, при некотором температурном воздействии на преобразователь давления значения средних температур в зонах размещения тензорезисторов R-R, R-R, R-R и R-R будут соответственно T, T, T и T. Выражение для напряжения на измерительной диагонали с учетом температурных приращений сопротивлений тензорезисторов будет следующим:
Тензорезисторы, расположенные в одной зоне, получат одинаковые приращения сопротивления
1
2
1
3
3
4
2
4
Поскольку каждое плечо моста состоит из двух последовательно включенных идентичных тензорезисторов, суммарное температурное приращение сопротивления плеча R будет равно приращению сопротивления плеча R и будет соответствовать средней между T и Tтемпературе, а суммарные приращения сопротивлений плеч R и R будут также равны и будут соответствовать средней между T и T температуре
Напряжение на измерительной диагонали при температурном воздействии будет
Учитывая, что все тензорезисторы идентичны, а смежные плечи моста получили одинаковые приращения, видно, что такое изменение сопротивлений плеч не вызывает изменение выходного напряжения моста.
Аналогичным образом может быть показан механизм устранения температурных влияний для других видов размещения тензорезисторов и схем их включения.
Для доказательства получения заявленного положительного результата предложенного в полезной модели технического решения было проведено математическое моделирование различных видов температурного воздействия на измерительный преобразователь давления и определена реакция на это воздействие со стороны преобразователей с известным размещением тензорезисторов, в частности, в соответствии с прототипом, и с их размещением в соответствии с предлагаемой полезной моделью. Моделировалось изменение формы поверхности температурного поля мембраны и смещение температурного поля относительно центра мембраны. При различных сочетаниях моделируемых параметров определялась максимальная приведенная погрешность преобразователя для всех возможных углов ориентации мостовой схемы на мембране относительно направления смещения оси температурной поверхности.
Результаты математического моделирования свидетельствуют о том, что предложенный преобразователь давления с параллельным размещением смежных плеч моста позволяет уменьшить максимальную приведенную погрешность от действия неосесимметричного температурного воздействия в 2…4 раза по отношению к прототипу в зависимости от соотношения коэффициента формы температурного поля и коэффициента смещения при самых неблагоприятных углах ориентации мостовой схемы относительно оси смещения температурного поля. Размещение тензорезисторов смежных плеч моста перекрестно позволяет уменьшить указанную погрешность более чем в 10…15 раз. В зоне наиболее вероятных значений коэффициента формы температурного поля от 0 до 1,5 и коэффициента смещения температурного поля относительно центра мембраны от 0 до 0,7 достигается снижение указанной погрешности более чем в 100 раз.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет уменьшить максимальную дополнительную приведенную погрешность преобразователей давления, возникающую при осесимметричном и неосесимметричном статическом и динамическом температурном воздействии различной угловой ориентации, и может найти применение при измерении давления в условиях статических и динамических направленных температурных воздействиях на преобразователь давления со стороны измеряемой и окружающей среды.