СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ Российский патент 2005 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по температурной погрешности.

Известен способ компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей мостовой схемы, заключающийся в расчете номиналов термозависимых компенсационных резисторов, для компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей, подключения их в мостовую схему датчика, установке их в корпус датчика и последующей проверкой аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей (см. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под редакцией Е.П.Осадчего, 1979). Однако использование данного метода при настройке датчиков крайне затруднительно по следующим причинам.

1. При изменении напряжения питания датчика в процессе эксплуатации по сравнению с напряжением питания при настройке и аттестации появляются дополнительные температурные погрешности. Природа их возникновения двоякая, то есть одновременно присутствуют два механизма образования температурных погрешностей:

- изменение коэффициента преобразования функции преобразования (ФП) датчика, так как напряжение питания непосредственно входит в коэффициент преобразования;

- искажение температурных полей и полей температурных деформаций УЭ в зоне установки тензорезисторов при изменении степени разогрева тензорезисторов током питания.

Первый фактор характерен только при работе датчика в режиме выходного сигнала, когда расшифровку измеряемого параметра производят по номинальной функции преобразования (НФП). При работе датчика в режиме относительных изменений сопротивлений (режим калибровки) данный механизм образования дополнительных температурных погрешностей отсутствует в силу независимости функции преобразования (ФП) от напряжения источника питания (см. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под редакцией Осадчего Е.П., 1979 г.).

Известно (см. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под редакцией Осадчего Е.П., 1979 г.), что значение начального разбаланса тензорезисторного датчика с предварительно сбалансированной мостовой цепью при воздействии температуры может быть записано в виде:

где U_пит - напряжение питания мостовой схемы;

- коэффициент симметрии мостовой схемы;

Δα=(α₁+α₄)-(α₂+α₃) - температурный коэффициент сопротивления мостовой измерительной цепи;

α₁, α₂, α₃, α₄ - температурные коэффициенты сопротивления рабочих тензорезисторов R₁, R₂, R₃, R₄ соответственно;

Δt=Т-Т_o - диапазон изменения температуры;

Т и Т_o - значения температур в процессе эксплуатации и в процессе аттестации соответственно.

Для оценки влияния изменения напряжения питания на дополнительную аддитивную температурную погрешность можно записать изменение значения начального разбаланса с предварительно сбалансированной мостовой измерительной цепью при одновременном изменении напряжения питания и температуры в виде:

где ΔU - изменение напряжения питания при эксплуатации.

Для оценки влияния изменения напряжения питания на дополнительную мультипликативную температурную погрешность необходимо, по аналогии с аддитивной температурной чувствительностью, вывести аналитическое выражение для мультипликативной температурной чувствительности датчика. Для этого необходимо последовательно рассмотреть зависимости от температуры отдельных тензорезисторов, установленных на УЭ, а затем уже мостовую измерительную цепь в целом.

Согласно функции преобразования тензорезистора относительное изменение сопротивления при одновременном воздействии деформации ε_lo=const и температуры можно записать в виде:

где ε_lt - относительная деформация УЭ при воздействии температуры;

ΔR_tε - приращение сопротивления тензорезистора, установленного на УЭ, при одновременном воздействии постоянной измеряемой деформации и температуры;

K_t - коэффициент тензочувствительности тензорезистора при воздействии температуры;

R_o - исходное значение сопротивления тензорезистора без воздействия деформации и температуры.

Пренебрегая жесткостью тензорезистора и считая, что относительная деформация УЭ равна относительной деформации тензорезистора, установленного на нем согласно закону Гука, можно записать:

где σ_о - напряжения УЭ при воздействии измеряемого параметра;

E_t - модуль упругости материала УЭ при рабочей температуре Т;

E_о - модуль упругости материала УЭ при начальной температуре Т_о;

η_э - температурный коэффициент модуля упругости материала УЭ.

Тогда, выражая K_t через температурный коэффициент тензочувствительности, функцию преобразования тензорезистора, установленного на УЭ, при одновременном воздействии деформации и температуры можно записать:

где - относительная деформация УЭ при начальной температуре Т_о;

ε_ro=К_o·ε_lo - относительное изменение сопротивления тензорезистора при начальной температуре Т_о;

α_k - температурный коэффициент тензочувствительности тензорезистора;

К_о - коэффициент тензочувствительности тензорезистора при начальной температуре Т_о.

Так как коэффициент тензочувствительности при воздействии температуры можно представить как K_t=ε_rt/ε_lo, то используя формулу (2), можно записать:

Откуда, продифференцировав по температуре, можно определить температурный коэффициент тензочувствительности тензорезистора, установленного на УЭ, при одновременном воздействии деформации и температуры:

То есть для получения минимального температурного коэффициента тензочувствительности тензорезистора, установленного на УЭ, необходимо, чтобы α_k=η_э.

Для количественной оценки влияния температуры на чувствительность тензорезистора, установленного на УЭ, перейдем к определению его мультипликативной температурной чувствительности. Тогда, с учетом формулы (3), мультипликативная температурная чувствительность тензорезистора, установленного на УЭ, будет иметь вид:

Согласно функции преобразования тезорезистора, установленного на УЭ, при одновременном воздействии постоянной деформации и изменении температуры относительное изменение сопротивления i-го тензорезистора можно представить:

Откуда приращение относительного изменения сопротивления тензорезистора за счет изменения температуры будет:

Тогда, используя функцию преобразования мостовой измерительной цепи и зная приращение относительного изменения сопротивления от температуры каждого тензорезистора, включенного в мостовую измерительную цепь, можно записать изменение выходного сигнала мостовой цепи от температуры при одновременном воздействии деформации и температуры:

Используя формулу (3), полученное выражение можно представить в виде:

В связи с тем, что УЭ изготавливается из одного куска материала, температурные коэффициенты модуля упругости в местах установки тензорезисторов будут равны между собой, так как существующими разбросами в процессе изготовления заготовки можно пренебречь, то есть η_э1=η_э2=η_э3=η_э4=η_э. Кроме того, в связи с тем, что тензорезисторы, устанавливаемые на УЭ, изготавливаются из одной катушки тензопровода (для проволочных тензорезисторов) или изготовление тензорезисторов в мостовой схеме производится в едином технологическом цикле (для датчиков, выполненных в микроэлектронном исполнении) из одного куска (навески) исходного материала, разбросом температурных коэффициентов тензочувствительности можно пренебречь, то есть α_к1=α_к2=α_к3=α_к4=α_к. Тогда приращение выходного сигнала от изменения наклона градуировочной характеристики при изменении температуры можно записать в виде:

Полученное выражение является основным уравнением для определения мультипликативной погрешности тензорезисторного датчика при воздействии температуры.

Переходя к температурной чувствительности датчика, можно определить мультипликативную температурную чувствительность. Так как коэффициент чувствительности измерительной цепи равен отношению выходного сигнала к входному, то можно записать:

а приращение коэффициента чувствительности от изменения температуры

Тогда аналитическое выражение мультипликативной температурной чувствительности примет вид:

Тогда при одновременном изменении напряжения питания и температуры изменение выходного сигнала может быть представлено в виде:

Используя выражения (1) и (8), можно оценить аддитивную и мультипликативную температурные чувствительности при изменении напряжения питания:

- аддитивная температурная чувствительность

- мультипликативная температурная чувствительность

где - аддитивная и мультипликативная температурные чувствительности в процессе аттестации датчика соответственно.

Анализ выражений (9) и (10) показывает, что дополнительные температурные погрешности при изменении напряжения питания датчика в процессе эксплуатации прямо пропорциональны величине этого изменения и обратно пропорциональны величине напряжения питания. Откуда можно утверждать, что если оценка S_ot и S_кt производится до второго знака после запятой (например, S_ot=0,67·10^-41/°С), то допустимое изменение напряжения питания в процессе эксплуатации не должно превышать ±0,1%U_пит.

Кроме того, если значения S'_ot зависит только от технологического разброса температурных коэффициентов сопротивления рабочих тензорезисторов и может быть уменьшено только за счет ужесточения технологии их изготовления, то для уменьшения значения S'_кt необходимо выбирать такие материалы УЭ и рабочих тензорезисторов, у которых выполняются требования (4) и (7), то есть материалы с максимально приближенными значениями температурного коэффициента тензочувствительности тензорезистора и температурного коэффициента модуля упругости УЭ.

Аналитическая оценка влияния изменения напряжения питания при настройке и аттестации по сравнению с эксплуатацией на температурные погрешности датчика от искажения температурных полей и полей температурных деформаций достаточно сложна и имеет значительные погрешности. Поэтому для оценки дополнительных температурных погрешностей по второму фактору рассмотрим экспериментальные данные результатов испытания трех металлопленочных тензорезисторных датчиков давления с упругими элементами в виде жесткозащемленной мембраны (типа Вт212). Выбор для исследования данного типа датчика объясняется его миниатюрностью (диаметр рабочей мембраны равен 5 мм), что позволяет максимально уменьшить эти дополнительные погрешности и, если мы придем к выводу о необходимости учета этих погрешностей на данной конструкции, то их учет на других конструкциях будет являться тем более необходим. Исследованию подвергались датчики с толщинами рабочих мембран 0,28 мм, 0,36 мм и 0,96 мм в диапазоне температур от -196°С (жидкий азот) до 80°С при напряжении питания от 5 до 7 В. Для исключения влияния напряжения питания на начальный уровень выходного сигнала (U_o) и выделения только температурного влияния от искажения температурных полей и полей температурных деформаций при изменении напряжения питания, последний (U_o) определялся в единицах относительного изменения сопротивления. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы по влиянию изменения напряжения питания на температурные погрешности:

1. С ростом напряжения питания U_o возрастает. Это объясняется тем, что центральные тензорезисторы расположены дальше от массивной заделки мембраны, чем краевые. Вследствие этого последние имеют лучший теплоотвод и нагреваются от тока питания меньше, чем центральные, что приводит к появлению дополнительного положительного разбаланса U_o. Кроме того, большая температура в центре мембраны, чем у заделки, приводит к появлению больших температурных деформаций тензорезисторов, расположенных в центре мембраны, чем у заделки, что также дает дополнительный положительный разбаланс.

Таблица 1Толщина мембр.Напряж. питанияТемператураUoS_ot·10^-4[1/°С]ΔS_ot·10^-4[1/°C]25÷ -19625÷8025÷ -19625÷80[мм][В][°С][%][°С][°С][°С][°С]  -196+7,6     5+25-2,3-4,27-5,1    +80-6,1     -196+8,2  0,286+25-1,2-4,2-5,1+0,37-1,2  +80-5     -196+8,6   7+25+0,5-3,9-6,3    +80-4,2      -196-4,6     5+25-1,0-1,6+1,7    +80+0,3     -196-3,8  0,366+250+1,7+0,3+0,2-2,5  +80+0,2     -196-3,4   7+25+0,5+1,8-0,8    +80+1,0      -196+14,3     5+25+4,0-4,7-3,6    +80+1,3     -196+14,4  0,966+25+4,2-4,6-3,6+0,20  +80+1,5     -196+14,4   7+25+4,4-4,5-3,6    +80+1,7    

2. С ростом толщины мембраны влияние изменения напряжения питания на температурную погрешность уменьшается. Это объясняется выравниванием температурного поля и поля температурных деформаций от прогрева УЭ током питания и при толщине мембраны 0,96 мм влияние изменения напряжения питания на температурную погрешность практически отсутствует.

3. Влияние изменения напряжения питания на температурные погрешности при разных температурах различно. Максимальное влияние оно оказывает на U_o при нормальных температурах и это влияние уменьшается при повышенных и пониженных температурах, так как они оказывают большее влияние на температурное поле УЭ, чем выделяемое тепло от прогрева тензорезисторов током питания.

4. В связи с тем, что наклон характеристики U_o от изменения напряжения питания уменьшается как в сторону положительных, так и отрицательных температур, то значения S_ot имеют разные знаки (в сторону отрицательных температур имеет знак плюс, а в сторону положительных температур - знак минус). То есть характеристика температурной погрешности от изменения напряжения питания нелинейная и требует специального подхода при ее компенсации (например, она не может быть скомпенсирована схемными методами).

5. Из результатов испытаний видно, что дополнительная температурная погрешность от изменения напряжения питания в два - два с половиной раза превышает допустимую температурную погрешность (S_ot=1·10^-41/°C). Поэтому учет этой погрешности при конструировании датчиковой аппаратуры обязателен и требует применение компенсации. А в связи с тем, что компенсация невозможна схемными методами, то в процессе настройки, аттестации и эксплуатации необходимо ужесточить допуск на изменение напряжения питания в пределах ±0,1% U_пит, так как в этом случае влиянием обоих механизмов возникновения дополнительных температурных погрешностей можно будет пренебречь.

2. Аналогичное с предыдущим воздействие на S_ot оказывают метод подвода тепла и место установки компенсационных элементов при настройке и аттестации датчиков.

Под методом подвода тепла будем подразумевать контакт с теплоносителями различных элементов датчиков. Например, при температурной настройке и аттестации датчиков давления они помещаются, как правило, в термокамеру, где температура воздействует на его корпус, а при эксплуатации, где основным теплоносителем является измеряемая среда, температура воздействует на приемную полость датчика. А так как от места контакта со средой зависят тепловые потоки в теле датчика, а следовательно, и температурные поля и поля температурных деформаций УЭ, то в процессе эксплуатации появляются дополнительные температурные погрешности, вызываемые методом подвода тепла.

3. В зависимости от места установки в датчике компенсационных элементов последние будут находиться в разных температурных условиях по сравнению с рабочими тензорезисторами, и особенно это усугубляется при различных методах подвода тепла, что также приводит к появлению дополнительных температурных погрешностей.

Для количественной оценки влияния метода подвода тепла и места расположения компенсационных элементов на температурные погрешности были проведены испытания двух типов тензорезисторных датчиков давления:

- датчика с воспринимающей мембраной и УЭ в виде полого стержня с наклеенными тензорезисторами (типа Вт951) - 2 шт., с разными по величине компенсационными термозависимыми резисторами R_β;

- металлопленочного датчика с УЭ в виде жесткозащемленной мембраны (типа Вт212) - 2 шт. - один с диаметром рабочей мембраны 5 мм и компенсационным термозависимым резистором R_β, напыленным непосредственно на УЭ в месте установки тензорезисторов; второй с диаметром рабочей мембраны 8 мм и с компенсационным термозависимым резистором R_β, вынесенным за пределы УЭ.

В таблице 2 приведены результаты испытаний указанных датчиков при подводе тепла на приемную полость (теплоноситель - жидкий азот) и при погружении датчика полностью в жидкий азот. В обоих случаях снимался начальный уровень выходного сигнала и определялась аддитивная температурная чувствительность датчика S_ot.

Из анализа результатов испытаний, приведенных в таблице 2, видно, что в зависимости от конструктивного исполнения датчика, места расположения и величины компенсационных элементов влияние метода подвода тепла различно:

- чем больше габариты УЭ датчика (датчик ВТ-951), тем больше искажаются температурное поле и поле температурных деформаций и тем большую погрешность вносит метод подвода тепла;

- чем дальше отнесены компенсационные элементы от измерительной схемы (датчик ВТ-212), тем больше изменяется градиент температур между компенсационными элементами и измерительной схемой и тем большую температурную погрешность вносит метод подвода тепла;

- чем больше по величине компенсационное термозависимое сопротивление (датчик ВТ-951), тем большее влияние оказывает на него изменение градиента температур между ним и измерительной схемой, тем большую температурную погрешность вносит метод подвода тепла;

- у варианта датчика ВТ-212 при установке компенсационного термозависимого элемента на УЭ в зоне расположения рабочих тензорезисторов, даже для больших номиналов R_β дополнительная температурная погрешность меньше, чем для малых номиналов R_β, но вынесенных за пределы УЭ;

- дополнительная температурная погрешность, вносимая методом подвода тепла, может более чем в три раза превышать допустимые значения температурной погрешности датчика, поэтому без учета влияния метода подвода тепла нельзя получить датчик требуемой точности.

Очень часто, при настройке датчиков, не учитывают фактор наличия перепада температур между измерительной схемой и компенсационными элементами. Поэтому компенсационные элементы располагают произвольно в объеме датчиков, а то и вне его, и из-за смены места их установки при окончательном монтаже изменяется градиент температур между ними и измерительной схемой. Это приводит к тому, что данные при настройке и аттестации не совпадают и тем больше не совпадают, чем больше изменяется градиент температур и большее значение номинала резистора R_β. Очень часто, настроенные таким образом датчики уже при аттестации выходят за допуск технических условий [ТУ] по температурной погрешности.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по температурной погрешности, который позволил бы повысить точность компенсации аддитивной температурной погрешности в процессе настройки.

Технический результат - повышение точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по температурной погрешности.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- материалы упругого элемента и рабочих тензорезисторов выбирают из условия максимального приближения по температурному коэффициенту модуля упругости упругого элемента и температурному коэффициенту тензочувствительности рабочих тензорезисторов;

- изготовление термозависимых компенсационных резисторов производят по той же технологии, что и рабочие тензорезисторы, но из материала с низким значением коэффициента тензочувствительности (близким к единице);

- установку термозависимых компенсационных резисторов производят на упругом элементе в зоне расположения рабочих тензорезисторов;

- настройку и аттестацию датчика проводят при строго фиксированном значении напряжения питания с точностью до ±0,1% номинального значения;

- настройку и проверку температурных погрешностей датчика производят либо в установке, обеспечивающей подачу теплоносителя с температурой, равной температуре рабочей среды в условиях эксплуатации, непосредственно в приемную полость датчика, если основным теплоносителем в процессе эксплуатации является измеряемая среда, либо датчик помещают в камеру тепла, если основным теплоносителем в процессе эксплуатации является окружающая среда.

Способ осуществляется следующим образом.

В предлагаемом способе, как и в случае компенсации по прототипу, компенсация температурной погрешности заключается в расчете номиналов термозависимых компенсационных резисторов, для компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей, подключения их в мостовую схему датчика, установке их в корпус датчика и последующей проверкой аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей.

Для исключения вышеперечисленных недостатков прототипа в процессе настройки необходимо выполнение следующих требований:

1. Для исключения влияния изменения напряжения питания на точность настройки по составляющим (аддитивная и мультипликативная) температурной погрешности необходимо, с одной стороны, ужесточить требования по изменению напряжения питания в процессе настройки, аттестации и эксплуатации, а с другой стороны, - конструктивно обеспечить минимизацию этих погрешностей в исходном состоянии до проведения настройки. Это может быть достигнуто ужесточением требования на изменение напряжения питания в пределах ±0,1% U_пит и выбором материалов УЭ и рабочих тензорезисторов с максимально приближенными значениями температурного коэффициента тензочувствительности тензорезистора и температурного коэффициента модуля упругости УЭ.

2. Для исключения дополнительных температурных погрешностей от места установки термозависимого компенсационного резистора как в процессе настройки и аттестации, так и в процессе эксплуатации датчика, и в особенности при его работе в нестационарных температурных режимах, является минимизация температурного градиента между измерительной схемой и компенсационным резистором. Это может быть достигнуто только при установке компенсационного резистора на УЭ непосредственно в зоне установки рабочих тензорезисторов. При этом обеспечение полной идентичности теплопередачи от УЭ к компенсационному резистору и рабочим тензорезисторам может быть получено только при одной технологии их изготовления и установки на УЭ. Но так как рабочие тензорезисторы устанавливаются в зоне воздействия деформаций УЭ от измеряемого параметра, то для исключения влияния деформаций на номинал компенсационного резистора последний должен быть изготовлен из материала с коэффициентом тензочувствительности, близким к единице.

3. Для исключения влияния метода подвода тепла на температурные погрешности датчиков давления необходимым условием при настройке и аттестации является получение идентичного распределения температурных полей и полей температурных деформаций в местах установки тензорезисторов по сравнению с температурными полями и полями температурных деформаций в процессе эксплуатации, и в особенности при работе датчика в нестационарных температурных режимах. Это может быть получено только при идентичном подводе теплоносителя к датчику как в процессе настройки и аттестации, так и в процессе эксплуатации. Таким образом, появляется требование разработки специальных приспособлений для подачи теплоносителя в приемную полость датчика давления при проведении настройки и аттестации для случая, когда основным теплоносителем в процессе эксплуатации датчика является измеряемая среда. Если при эксплуатации датчика основным теплоносителем является окружающая среда, то в процессе настройки и аттестации достаточно помещать датчик в термокамеру.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по температурной погрешности. Способ заключается в расчете номиналов термозависимых компенсационных резисторов для компенсации температурных погрешностей, подключении их в мостовую схему датчика, установке их в корпус датчика и последующей проверке аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей. При этом материалы упругого элемента и рабочих тензорезисторов выбирают из условия максимального приближения по температурному коэффициенту модуля упругости упругого элемента и температурному коэффициенту тензочувствительности рабочих тензорезисторов. Изготовление термозависимых компенсационных резисторов производят по той же технологии, что и рабочих тензорезисторов из материала с низким значением коэффициента тензочувствительности (близким к единице). Установку компенсационных резисторов производят на упругом элементе в зоне расположения рабочих тензорезисторов. Настройку и проверку температурных погрешностей датчика производят при строго фиксированном значении напряжения питания с точностью до ±0,1% номинального значения либо в установке, обеспечивающей подачу теплоносителя с температурой, равной температуре рабочей среды в условиях эксплуатации, непосредственно в приемную полость датчика, если основным теплоносителем в процессе эксплуатации является измеряемая среда, либо при помещении датчика в термокамеру, если основным теплоносителем в процессе эксплуатации является окружающая среда. Технический результат - повышение точности. 2 табл.

Способ температурной настройки тензорезисторного датчика давления с мостовой измерительной цепью, заключающийся в расчете номиналов термозависимых компенсационных резисторов для компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей, подключении их в мостовую схему датчика, установке их в корпус датчика и последующей проверкой аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей, отличающийся тем, что материалы упругого элемента и рабочих тензорезисторов выбирают из условия максимального приближения по температурному коэффициенту модуля упругости упругого элемента и температурному коэффициенту тензочувствительности рабочих тензорезисторов, изготовление термозависимых компенсационных резисторов производят по той же технологии, что и рабочих тензорезисторов, но из материала с низким значением коэффициента тензочувствительности (близким к единице), установку компенсационных резисторов производят на упругом элементе в зоне расположения рабочих тензорезисторов, а настройку и проверку температурных погрешностей датчика производят при строго фиксированном значении напряжения питания с точностью до ±0,1% номинального значения либо в установке, обеспечивающей подачу теплоносителя с температурой, равной температуре рабочей среды в условиях эксплуатации, непосредственно в приемную полость датчика, если основным теплоносителем в процессе эксплуатации является измеряемая среда, либо при помещении датчика в термокамеру, если основным теплоносителем в процессе эксплуатации является окружающая среда.