Способ измерения давления и преобразователь давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения давления газов и жидкостей.

Цель изобретения - повышение надежности.

На фиг.1 представлен преобразователь давления, вид сверху; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.З диаграмма распределения тангенциального и радиального напряжений по мембране; на фиг.4 - схема измерения давления с помощью преобразователя с толстопленочным тензорезистором; на фиг.5 - преобразователь давления с кольцеобразным толстопленочным тензорезистором, второй вариант; на фиг.6 - график изменения сопротивления в зависимости от радиуса для тангенциального и радиального толстопленочных тензорезисторов; на фиг.7- преобразователь давления с параллельными

тензорезисторами, третий вариант, вид сверху; на фиг.8 - то же, четвертый вариант, вид сверху; на фиг.9 - то же, пятый вариант, вид сверху.

Предлагаемый способ позволяет воспользоваться высокой чувствительностью к нормальной деформации толстопленочных резисторов для увеличения выходного сигнала при хороших шумовых характеристиках и малых деформациях керамической мембраны. Общее изменение сопротивления для толстопленочных резисторов может быть определено из выражения dR

R

Схвх + Суву + Сгег + ех еу - ег. (1)

где Сх, Су и Cz - коэффициенты тензочувст- вительности в продольном, поперечном и нормальном направлениях относительно резистора;

-4

О Ю 4 Ю

ы

ех, еу и ez - напряжения в продольном, поперечном и нормальном направлениях относительно резистора.

Способ позволяет воспользоваться тен- зочувствительностью резистора по нормали к его плоскости для увеличения выходного сигнала преобразователя давления при воздействии измеряемого давления.

В преобразователе давления, выполненном по первому варианту, используется одиночный резистор, который сориентирован радиально в центре мембраны. Мостовая измерительная схема выполнена снаружи или на недеформируемой части преобразователя. При такой конфигурации используется радиальное и тангенциальное напряжения по площади резистора, а также нормальное к плоскости резистора. Эти напряжения могут вычисляться следующим образом:

ех (1-)а2 + (3 -3)xV PI:

: 8п

еу

(1-)а2 + (гЯ -1)х2) (2)

8л

ег v1(- -((1+ V)2a2- . h2

-{1- -)4х2).

где ех, еу и ez - радиальное, тангенциальное и нормальное напряжения соответственно; Р. - приложенное давление;

vl/iv1 - коэффициенты Пуассона для подложки и резистора соответственно;

а - радиус мембраны;

Es и ЕГ - модули Юнга для резистора и подложки;

h - толщина диафрагмы;

х - радиус, на котором установлен резистор.

Измерительный преобразователь давления содержит упругую мембрану 1, на которой размещены толстопленочные компаундные тензорезисторы 2 и 3. Толстопленочные компаундные тензорезисторы выполнены методом вакуумного напыления. Измерительный преобразователь, выполненный по первому варианту (фиг.4), содержит один толстопленочный тензоре- зистор 4 в середине мембраны 1, который подключен к мостовой измерительной схеме 5.

Измерительный преобразователь, выполненный по второму варианту (фиг.5), содержит тензорезистор 6, выполненный в форме незамкнутого кольца (С-образной формы) и расположенного на периферии мембраны.

Измерительный преобразователь, выполненный по третьему варианту (фиг.7), содержит несколько тензорезисторов 7-10 в центре и на периферии мембраны, причем

тензорезисторы расположены в местах максимальной деформации и параллельны друг другу. Преобразователь, выполненный по четвертому варианту (фиг.8), содержит два. толстопленочных тензорезистора 11 и 12,

0 установленные в центральной части мембраны с двух сторон от центра, выполненные в виде прямолинейных полосок, параллельных друг другу, а на периферийной части мембраны установлены два тол5 стопленочных тензорезистора 13 и 14, выполненные С-образной формы и расположенные диаметрально противоположно друг другу. Измерительный преобразователь, выполненный по пятому варианту, со0 держит два тензорезистора С-образной формы 15 и 16 в центральной части мембраны и два тензорезистора С-образной формы 17 и 18 на периферии мембраны.

Способ осуществляют следующим об5 разом.

Мембрану с насененными на нее компа- ундными толстопленочными тензорезисто- рами нагружают измеряемым давлением, измеряют изменения сопротивлений тензо0 резисторов, происходящие в результате деформации мембраны как вдоль, так и поперек направления ориентации тензорезисторов, а давление определяют решением уравнений (1) и (2).

5 Измерительный преобразователь давления работает следующим образом.

Под действием измеряемого давления мембрана деформируется, сопротивления крмпаундных толстопленочных тензорези0 сторов меняются под действием деформации как вдоль ориентации тензорезистора, так и поперек, а также и по нормали к поверхности тензорезистора. Изменения сопротивлений резисторов регистрируются

5 измерительной мостовой схемой, по показаниям которой определяют давление.

Чувствительность толстопленочного резистора в нормальном направлении оказывается линейной, и при этом отсутствует

0 гистерезис.

Таким образом, использование изобретения позволяет получить высокоточный, малошумящий и рассчитанный на малые усилия преобразователь давления.

5 В общем случае компаунд резистора имеет диэлектрическую и проводящую составляющие. Диэлектрическая составляющая может содержать боросиликатный, свинцово-боросиликатный, алюмино-сили- катный или свинцово-силикатный тип стекла с возможными небольшими добавками окисла типа CdO, СааОз или Проводящая составляющая может быть в виде благородного металла (серебро, золото, палладий) или окисла, или их смеси, или же проводяще- го окисла благородного металла.

Применение толстопленочного резистора с меньшим удельным сопротивлением и большим размером позволяет получить снижение взрывного шума керамико-тол- стопленочных преобразователей давления. Испытания имеющихся керамико-толстр- пленочных преобразователей давления с мостиковыми сопротивлениями порядка 5000 см позволили получить уровни шума до 0,15% от номинального сигнала. Толсто- пленочные резисторы с низкой удельной проводимостью, большим размером и сопротивлением 5000 Ом дают уровни шума в 0,025% от номинального сигнала.

За счет увеличения выхода толстопле- ночного резистора при использовании его чувствительности в нормальном направлении необходимы малые усилия в диафрагме. При этом увеличивается надежность преоб- разова теля.

Если требуется более низкое потребление энергии, удельная проводимость толстой пленки может быть повышена за счет несколько большего шума, при этом сохра- няются тот же уровень максимального напряжения в мембране и тот же выходной сигнал.

На фиг.5 показан преобразователь, в котором на мембране 11 установлен кольце- вой толстопленочный резистор 6 вблизи от внешней окружности мембраны, Этот резистор также соединен со схемой для измерения изменений сопротивления. Результатом является несколько более низ- кий выход, поскольку радиальное и тангенциальное напряжения имеют противоположные знаки.

При работе устройства используется способность толстопленочного резистора измерять напряжение в любом направлении, Наружные датчики, которые в известных преобразователях давления ориентируются для измерения радиального напряжения, в предлагаемом преобразова- теле ориентируются для измерения тангенциального напряжения вдоль оси резистора и радиального напряжения, перпендикулярного оси резистора (фиг.7, 8 и 9). Резисторы образуют кольцевые области у внешней кромки диафрагмы. Это приводит к тому, что dR/R для длинного кольцевого резистора аналогично dR/R для короткого резистора, сориентированного для измерений радиального напряжения, поэтому выходной сигнал аналогичен сигналу известных преобразователей давления. Такая ориентация позволяет получить более длинные обладающие большим сопротивлением и низким удельным сопротивлением малошумящие резисторы, чем в случае известной конфигурации.

Так как толстопленочный резистор чувствителен к напряжениям, параллельным и перпендикулярным оси резистора, то можно выбирать другие конфигурации резистоФормула изобретения 1. Способ измерения давления с помощью преобразователя давления с упругой диафрагмой, на которой размещен один или несколько компаундных толстопленочных тензорезисторов, включающий нагру- жение диафрагмы измеряемым давлением и измерение относительного изменения сопротивления тензорезисторов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, измеряют изменения сопротивления тензорезисторов, происходящие в результате деформации диафрагмы как вдоль, так и поперек направлений ориентации тензорезисторов, и изменения сопротивления тензорезисторов вычисляют по формуле

d R

-- Схвх + Суву + Cz6z + ех - ву - вг.

к

где Сх, Су, Cz - коэффициенты тензочувстви- тельности для деформации соответственно в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тензорезистора;

ех, еу и ez - компоненты тензора деформации в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тензорезистора,

которые вычисляют в соответствии с уравнениями

ех 4 0-)а2 + (31 -3}xV PI: ES 8h2

(1-V2)a2 + ( -1)х2)-

ez Р- v1(l (О4 )2a2- ЕГ8 h2

- (1 + v) Ax2), где Р - приложенное к диафрагме давление;

v1 - коэффициенты Пуассона для материалов подложки и тензорезистора;

а - радиус диафрагмы;

Es, Ег - модули Юнга тензорезистора и подложки; . h - толщина диафрагмы;

х - радиус, на котором располагается тензорезистор.

2; Преобразователь давления, содержащий корпус, установленную в нем упругую диафрагму с размещенным на ее поверхности по крайней мере одним толстрпленоч- ным тензорезистором и электронную схему для измерения изменений сопротивлений тензорезисторов, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения надежности и точ1 ности измерений, в нем толстопленочный тензорезистор выполнен удлиненной формы в направлении пропускания тока.

3.Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в нем толстопленочный тензорезистор выполнен кольцеобразной формы, а диафрагма выполнена в виде диска, причем тензорезистор размещен на периферийной части диска.

4.Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что диафрагма выполнена в виде диска, на поверхности которого размещены дополнительные толстоплёночные

тензорезисторы, причем все тензорезисто- ры имеют удлиненную форму и параллельны относисительно друг друга.

5.Преобразователь по п.З, отличаю- щ и и с я тем, что на поверхности диска в

его центральной части с двух сторон от центра установлены два тензорезистора, выполненные в виде прямолинейных полосок, параллельных друг другу, а на периферий- ной части диска установлены два тензорезистора кольцеобразной формы, расположенные диаметрально противоположно друг другу.

6.Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что по крайней мере одна

поверхность диафрагмы выполнена круглой и на ней в ее центральной части с двух сторон от центра размещены два толстопле- ночных тензорезистора кольцеобразной формы, а на периферийной части диафрагмы с двух диаметрально противоположных сторон размещены два тензорезистора петлеобразной формы.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. Цель - повышение надежности. На керамическую мембрану вакуумнымнапылениемнаносят толстопленочные тензорезисторы различных конфигураций. Под действием измеряемого давления мембрана деформируется, при этом сопротивление тензорезисторов меняется в результате деформации как вдоль направления ориентации тензорези- стора, которое совпадает с направлением протекания тока, так и поперек этого направления, а также в направлении нормали к плоскости тензорезисторэ, В результате приращение сопротивления достаточно велико как при размещении тензорезисторов в центре мембраны, так и на периферии, причем достигается также уменьшение отношения сигнал - шум. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

/

фие. 1 .

(Риг. 2

-го

Фиг.5

Фиг. 4

/

8§

I

.

5s O

,r./

, .Ф

f S

,y ,&

r

Ш

CM

..-%

.-их. Л-и

.&

, V

.;Ј .- .

5

ч

cn o

Si

&

&

A 4

12

16