SU1716979A3

SU1716979A3 - Способ измерени давлени и преобразователь давлени

Info

Publication number: SU1716979A3
Application number: SU884356834A
Authority: SU
Inventors: Скуратовски Юджин; Л.Стурдервант Майкл
Original assignee: Дзе Бабкок Энд Вилкокс Компани (Фирма)
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1992-02-28
Also published as: EP0320299A3; ES2050163T3; BG49839A3; BR8804324A; EP0320299B1; DE3888118D1; AU617348B2; AU2103988A; PL276065A1; CN1033481A; DE3888118T2; CA1309879C; IN169553B; JPH01196526A; HK96594A; PL159285B1; HU210503B; EP0320299A2; HUT50388A; DD276150A5

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени давлени . Цель - повышение надежности . На керамическую мембрану вакуумнымнапылениемнанос т толстопленочные тензорезисторы различных конфигураций. Под действием измер емого давлени мембрана деформируетс , при этом сопротивление тензорезисторов мен етс в результате деформации как вдоль направлени ориентации тензорези- стора, которое совпадает с направлением протекани тока, так и поперек этого направлени , а также в направлении нормали к плоскости тензорезисторэ, В результате приращение сопротивлени достаточно велико как при размещении тензорезисторов в центре мембраны, так и на периферии, причем достигаетс также уменьшение отношени сигнал - шум. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к средствам измерени давлени газов и жидкостей.

Цель изобретени - повышение надежности .

На фиг.1 представлен преобразователь давлени , вид сверху; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.З диаграмма распределени тангенциального и радиального напр жений по мембране; на фиг.4 - схема измерени давлени с помощью преобразовател с толстопленочным тензорезистором; на фиг.5 - преобразователь давлени с кольцеобразным толстопленочным тензорезистором , второй вариант; на фиг.6 - график изменени сопротивлени в зависимости от радиуса дл тангенциального и радиального толстопленочных тензорезисторов; на фиг.7- преобразователь давлени с параллельными

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

Предлагаемый способ позвол ет воспользоватьс высокой чувствительностью к нормальной деформации толстопленочных резисторов дл увеличени выходного сигнала при хороших шумовых характеристиках и малых деформаци х керамической мембраны. Общее изменение сопротивлени дл толстопленочных резисторов может быть определено из выражени dR

R

Схвх + Суву + Сгег + ех еу - ег. (1)

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

-4

О Ю 4 Ю

ы

ех, еу и ez - напр жени в продольном, поперечном и нормальном направлени х относительно резистора.

Способ позвол ет воспользоватьс тен- зочувствительностью резистора по нормали к его плоскости дл увеличени выходного сигнала преобразовател давлени при воздействии измер емого давлени .

В преобразователе давлени , выполненном по первому варианту, используетс одиночный резистор, который сориентирован радиально в центре мембраны. Мостова измерительна схема выполнена снаружи или на недеформируемой части преобразовател . При такой конфигурации используетс радиальное и тангенциальное напр жени по площади резистора, а также нормальное к плоскости резистора. Эти напр жени могут вычисл тьс 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 напр жени соответственно; Р. - приложенное давление;

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

а - радиус мембраны;

Es и ЕГ - модули Юнга дл резистора и подложки;

h - толщина диафрагмы;

х - радиус, на котором установлен резистор .

Измерительный преобразователь давлени содержит упругую мембрану 1, на которой размещены толстопленочные компаундные тензорезисторы 2 и 3. Толстопленочные компаундные тензорезисторы выполнены методом вакуумного напылени . 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 пр молинейных 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 п тому 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 осуществл ют следующим об5 разом.

Мембрану с насененными на нее компа- ундными толстопленочными тензорезисто- рами нагружают измер емым давлением, измер ют изменени сопротивлений тензо0 резисторов, происход щие в результате деформации мембраны как вдоль, так и поперек направлени ориентации тензорезисторов , а давление определ ют решением уравнений (1) и (2).

5 Измерительный преобразователь давлени работает следующим образом.

Под действием измер емого давлени мембрана деформируетс , сопротивлени крмпаундных толстопленочных тензорези0 сторов мен ютс под действием деформации как вдоль ориентации тензорезистора, так и поперек, а также и по нормали к поверхности тензорезистора. Изменени сопротивлений резисторов регистрируютс

5 измерительной мостовой схемой, по показани м которой определ ют давление.

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

0 гистерезис.

Таким образом, использование изобретени позвол ет получить высокоточный, малошум щий и рассчитанный на малые усили преобразователь давлени .

5 В общем случае компаунд резистора имеет диэлектрическую и провод щую составл ющие . Диэлектрическа составл юща может содержать боросиликатный, свинцово-боросиликатный, алюмино-сили- катный или свинцово-силикатный тип стекла с возможными небольшими добавками окисла типа CdO, СааОз или Провод ща составл юща может быть в виде благородного металла (серебро, золото, палладий) или окисла, или их смеси, или же провод ще- го окисла благородного металла.

Применение толстопленочного резистора с меньшим удельным сопротивлением и большим размером позвол ет получить снижение взрывного шума керамико-тол- стопленочных преобразователей давлени . Испытани имеющихс керамико-толстр- пленочных преобразователей давлени с мостиковыми сопротивлени ми пор дка 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 увеличени выхода толстопле- ночного резистора при использовании его чувствительности в нормальном направлении необходимы малые усили в диафрагме. При этом увеличиваетс надежность преоб- разова тел .

Если требуетс более низкое потребление энергии, удельна проводимость толстой пленки может быть повышена за счет несколько большего шума, при этом сохра- н ютс тот же уровень максимального напр жени 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 дл измерени изменений сопротивлени . Результатом вл етс несколько более низ- кий выход, поскольку радиальное и тангенциальное напр жени имеют противоположные знаки.

При работе устройства используетс способность толстопленочного резистора измер ть напр жение в любом направлении , Наружные датчики, которые в известных преобразовател х давлени ориентируютс дл измерени радиального напр жени , в предлагаемом преобразова- теле ориентируютс дл измерени тангенциального напр жени вдоль оси резистора и радиального напр жени , перпендикул рного оси резистора (фиг.7, 8 и 9). Резисторы образуют кольцевые области у внешней кромки диафрагмы. Это приводит к тому, что dR/R дл длинного кольцевого резистора аналогично dR/R дл короткого резистора, сориентированного дл измерений радиального напр жени , поэтому выходной сигнал аналогичен сигналу известных преобразователей давлени . Така ориентаци позвол ет получить более длинные обладающие большим сопротивлением и низким удельным сопротивлением малошум щие резисторы, чем в случае известной конфигурации.

Так как толстопленочный резистор чувствителен к напр жени м, параллельным и перпендикул рным оси резистора, то можно выбирать другие конфигурации резистоФормула изобретени 1. Способ измерени давлени с помощью преобразовател давлени с упругой диафрагмой, на которой размещен один или несколько компаундных толстопленочных тензорезисторов, включающий нагру- жение диафрагмы измер емым давлением и измерение относительного изменени сопротивлени тензорезисторов, отличающийс тем, что, с целью повышени надежности, измер ют изменени сопротивлени тензорезисторов, происход щие в результате деформации диафрагмы как вдоль, так и поперек направлений ориентации тензорезисторов, и изменени сопротивлени тензорезисторов вычисл ют по формуле

d R

-- Схвх + Суву + Cz6z + ех - ву - вг.

к

где Сх, Су, Cz - коэффициенты тензочувстви- тельности дл деформации соответственно в продольном, поперечном и нормальном направлени х пленки тензорезистора;

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

которые вычисл ют в соответствии с уравнени ми

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 дл материалов подложки и тензорезистора;

а - радиус диафрагмы;

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

х - радиус, на котором располагаетс тензорезистор.

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

3.Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю- щ и и с 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, отличающийс 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 тем, что на поверхности диска в

его центральной части с двух сторон от центра установлены два тензорезистора, выполненные в виде пр молинейных 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 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.

/

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

Claims

Формула изобретения

1. Способ измерения давления с помощью преобразователя давления с упругой диафрагмой, на которой размещен один или несколько компаундных толстопленочных тензорезисторов. включающий нагружение 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 + Czez + βχ — ву ^— ez. к где Сх, С_у, C_z - коэффициенты тензочувствительности для деформации соответственно в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тензорезистора;

е_х, е_у и e_z - компоненты тензора деформации в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тензорезистора, которые вычисляют в соответствии с уравнениями ех= (1-^)а² + (зЛ-3)х²)^ Р];

^Е* 8 h² е_у= |[ΑΡ· (1-^)а² + (р2 - 1)х²)- PJ;

^Е 8 h^z _ег= 1 _[Р- ^(ЗР _{(1+ ) 2а² ^Er 8 h²

- (1 ·* v) 4х²)], где Р - приложенное к диафрагме давление: гм? - коэффициенты Пуассона для материалов подложки и тензорезистора;

а - радиус диафрагмы;

Es, Er - модули Юнга тензорезистора и подложки;

. h - толщина диафрагмы;

Ί χ - радиус, на котором располагается тензорезистор.
2. Преобразователь давления, содержащий корпус, установленную в нем упругую диафрагму с размещенным на ее поверхности по крайней мере одним толстопленочным тензорезистором и электронную схему для измерения изменений сопротивлений тензорезисторов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений, в нем толстопленочный тензорезистор выполнен удлиненной формы в направлении пропускания тока.
3. Преобразователь по п.2, отличаю· щ ий 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 тензорезисторы имеют удлиненную форму и параллельны относисительно друг друга.
5. Преобразователь по п.З, отличающийся 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 периферийной части диска установлены два тензорезистора кольцеобразной формы, расположенные диаметрально противоположно друг другу.
6. Преобразователь по п.2, о т л и ч а tout и й 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 толстопленочных тензорезистора кольцеобразной формы, а на периферийной части диафрагмы с двух диаметрально противоположных сторон размещены два тензорезистора петлеобразной формы.

Фиг. 2

Фи г. 5

I

Фиг. 3 Фиг. 9