Датчик тиску для середовищ з нестаціонарними температурами

Датчик тиску для середовища з нестаціонарною температурою, що містить корпус, круглу мембрану, яка жорстко защемлена у корпусі, тензорезистори, які розташовані на мембрані, який відрізняється тим, що містить додаткову круглу мембрану з тензорезисторами, яка ідентична за статичною і динамічною характеристиками до існуючої мембрани, але виготовлена з матеріалу з коефіцієнтом лінійного теплового розширення відмінного від такого ж коефіцієнта існуючої мембрани, і встановлена в корпусі поруч з існуючою мембраною. (19) (21) a201101318 (22) 07.02.2011 (24) 10.10.2011 (46) 10.10.2011, Бюл.№ 19, 2011 р. (72) ТИХАН МИРОСЛАВ ОЛЕКСІЙОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА" (56) UA 84786 C2, 25.11.2008 JP 2000065666 A, 03.03.2000 US 5386729 07.02.1995 CN 101819079 A, 01.09.2010 SU 1781572 A1, 15.12.1992 3 96250 зазнають різних прогинів і, таким чином, отримуються різні вихідні сигнали з тензорезисторів 3 і 5. За цією різницею встановлюється істинне значення вимірюваного тиску. Маємо мембрани 1 і 2 з абсолютно ідентичними геометричними параметрами, умовами закріплення та фізико-механічними характеристиками своїх матеріалів, за винятком коефіцієнта лінійного теплового розширення  л . Такими матеріалами є, наприклад, залізо-нікель-титанові сплави 36НХТЮ w 2 (r, t )  2 2 2 2 задачі, n1  n1  n , n2  n2  n 2 n1  c 4  n (5) w *2 (r, t )  p0 ( t )  n n 0 2 n  n n 0 2 n  Фn (kn  r )  2 n2  c 4  4 n R 4  2 N2 ( t ) n ,  R2 2   n 0 n  Фn (kn  r )  ~n 2 (8), 4 ~2 де n  c 4  n . R4 З іншого боку, такі ж деформації повинні отримати мембрани 1 і 2 під дією істинного значення тиску p0 ( t ) , але при дії стискуючих (розтягуючих) сил в їхній площині, що залежать від термонапружень. Тобто при дії зусиль N1( t ) чи N2 ( t ) . Отже n1 0  2 N1( t ) n ,  R2 w *2 (r, t )  p2 ( t )  t  Фn (kn  r )   ними, оскільки спотворені термонапруженнями у мембранах 1 і 2, і завдяки різним значенням коефіцієнтів лінійного розширення є різні. Беручи до уваги (5) і (6), при дії цих тисків мембрани 1 і 2 мали б зазнати таких деформацій   w *1 (r, t )  p1( t )   Фn (kn  r )  ~n (7) 2 n n 0  Фn (kn  r )   n  p()  e ( t )  sin(n1(t  ))d w *1 (r, t )  p0 ( t )  R 4 D El , D - циліндрична жорсткість,   12(1  2 )p   p  l - питома вага одиниці площі мембран 1 і 2, p - густина матеріалу мембран 1 і 2, J ( )  I ( )  J0 (n )  I1(n ) . n  1 n 0 2n 2 n  J0 (n )  I0 (n ) Використовуючи спосіб вимірювання динамічного тиску [наприклад - Спосіб вимірювання динамічного тиску. Патент України №88936, Бюл. №23, 2009], отримуємо два (з мембран 1 і 2) значення тиску p1( t ) , і p2 ( t ) . Однак, ці значення не є істин При наявності цих зусиль і вимірюваного тиску p(t ) , прогини мембран 1 і 2 описуються інтегральними рівняннями [Тихан М.А. Тензометрические датчики переменного давления для систем автоматики с нестационарными термовлияниями. Автореф. диссер. на соискание ученой степени канд. техн. наук.-Пенза, 1995г.,-18с] n1 4 n c4   E л2 1 R l   T(r, z, t )dzdr (4). 1  R 0 0  - частоти власних коливань мембран 1 і 2 з демпфуванням, коефіцієнт демпфування, n  E л1 1 R l   T(r, z, t )dzdr (3) 1  R 0 0  n , n - власні значення відповідної межової R kn  де T(r, z, t) - температурні поля у тілі мембран 1 і 2 з радіусом R , товщиною l , модулем пружності E , коефіцієнтами лінійного теплового розширення  л1 , і  л2 ,  - коефіцієнт Пуассона. Еквівалентні цим напруженням зусилля на одиницю периметра є такими w1(r, t )  n n2 0 J0 (n ) - функції Бесселя першого і другого роду,  E л2 1 1 R l   T(r, z, t )dzdr , (2) 1  R l 0 0 N2 ( t )  n1 власна функція відповідної межової задачі, I0 (n ) і і N1( t )  t  де r - біжуча координата по площині мембран 1 і 2, Фn(kn  r )  J0 (kn  r )  I0 (n )  J0 (n )  I0 (kn  r )  E л1 1 1 R l   T(r, z, t )dzdr (1) 1  R l 0 0 r ( t )2   ( t )2    Фn (kn  r )   n  p()  e ( t )  sin(n2 (t  ))d (6), ( л  13  1061/ С) і 44НХТЮ ( л  8  1061/ С ) , інші ж параметри мембран 1 і 2 є однаковими. Тобто за нормальних умов мембрани 1 і 2 мають ідентичні статичну і динамічну характеристики. Мембрани 1 і 2 з тензорезисторами 3 і 5 сприймають в загальному випадку динамічний тиск p(t ) , та зазнають впливу нестаціонарної температури T(t) . Тоді, термонапруження, що виникнуть у мембранах 1 і 2 становитимуть r ( t )1   ( t )1  4   p0 ( t )  n  Фn (kn  r )   p0 ( t )  n 0 c4  4 n 4 R  Тому 2 N1( t ) n  R2 n  Фn (kn  r )  n 0  4 c  4 n R4  2 N2 ( t ) n  R2 (9) (10) 5 96250 p2 ( t )    n 0 n  p1( t )    Фn (kn  r )  ~n 2  Фn (kn  r )  ~n 2 n 0  p0 ( t )   p0 ( t )  6  n n 0 2 ~2 N1( t ) n n   R2  n  Фn (kn  r )   Фn (kn  r )  2 ~2 N2 ( t ) n n 0 n   R2 Таким чином, з рівняння (11) отримуємо n (11) (12).  E л1 1 R l   T(r, z, t )dzdr 2 2 1  R 0 0 ~2 N1( t ) n n ~2 n  n  R2  R2 , (13) p0 ( t )  p1( t )  p1( t ) ~2 ~2 n n а з рівняння (12) 2 n 2  E л2 1 R l   T(r, z, t )dzdr 2 1  R 0 0 n ~2  n  R2 (14).  p2 ( t ) ~ n ~2 N2 ( t ) n   R p0 ( t )  p 2 ( t ) ~2 n Прирівнюючи (13) і (14), маємо тому ~2 Rl  (p ( t )  p2 ( t )(1   )R3  T(r, z, t )dzdr   n 2 1 (15)  En (p1( t ) л1  p2 ( t ) л 2 ) 00 і   л2 (p1( t )  p2 ( t ))  p0 ( t )  p2 ( t )1   (16).  p1( t ) л1  p2 ( t ) л2  Отримана залежність дає змогу обчислювати дійсне значення вимірюваного динамічного (або статичного) тиску при дії нестаціонарної температури. Причому таке обчислення завдяки простоті математичних процедур здійснюється практично в реальному часі, а отже можна Комп’ютерна верстка Д. Шеверун здійснювати швидкодіюче коригування додаткової похибки. Пропонований датчик дозволяє підвищити точність вимірювання тиску в умовах як статичних, так і нестаціонарних температур і, таким чином, розширити область його застосування. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601