Способ измерения давления и преобразователь давления

 

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 тензорезистора, 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 (9/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4356834/10 (22) 17.11,88 (31) 131873 (32) 11.12,87 (33) 08 (46) 29.02,92. Бюл. hL 8 (71) Дзе Бабкокк энд Вилкокс Компани (US) (72) Юджин Скуратовски и Майкл Л,Стурдервант (US) (53) 531.787 (088.8) (56) Говард А, Нилсен, Толстопленочные тензодатчики. Труды 32 международного симпозиума по приборам f SA. 8.05.86. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для

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.3- диаграмма распределения тангенциального и радиального напряжений по мембране; на фиг.4 — схема измерения давления с помощью преобразователя с толстопленочным тензорезистором; нв фиг.5- преобразователь давления с кольцеобразным толстопленочным тенэорезистором, второй вариант; на фиг.6 — график изменения сопротивления в зависимости от радиуса для тангенциального и радиального толстопленочных тенэореэисторов; на фиг.7преобразователь давления с параллельными, Ы„„1716979 АЗ измерения давления, Цель — повышение надежности, На керамическую мембрану вакуумным напылением наносят толстопленочные тензорезисторы различных конфигураций. Под действием измеряемого давления мембрана деформируется, при этом сопротивление тензорезисторов меняется в результате деформации как вдоль направления ориентации тензорезистора, которое совпадает с направлением протекания тока, так и поперек этого направления, а также в направлении нормали к плоскости тенэорезистора, В результате приращение сопротивления достаточно велико как при размещении тенэореэисторов в центре мембраны, так и на периферии, причем достигается также уменьшение отношения сигнал — шум. 6 з.п, ф-лы, 9 ил. тенэорезисторами, 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 бй

= С»е»+ Cyey+ Czez+ е»- еУ вЂ” ек, (1) где С», СУ и С вЂ” коэффициенты тензочувствительности в продольном, поперечном и нормальном направлениях относительно резистора;

1716979 е„еу и е — напряжения в продольном, поперечном и нормальном направлениях относительно резистора.

Способ позволяет воспользоваться тензочувствительностью 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: е = — (— (1.Р) а +(ЗР— 3) x )-v Р);

Е 8h еу = — ((1 — тv= ) а + (v — 1) х ) ) Pj; (2)

8h е = — (Р— v (((1+ Р)2а—

Ег 8h — (1 — Р) 4х )). где e„, еу и ez — радиальное, тангенциальное и нормальное напряжения соответственно;

Р— приложенное давление;

v Им — коэффициенты Пуассона для

1 подложки и резистора соответственно; а — радиус мембраны;

Ез 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 тенэореэисторы выполнены методом вакуумного напыления. Измерительный преобразователь, выполненный по первому варианту (фиг.4), содержит один толстопленочный тензорезистор 4 в середине мембраны 1, который подключен к мостовой измерительной схеме 5, Измерительный преобразователь, выполненный по второму варианту (фиг.5). содержит тенэореэистор б, выполненный в форме незамкнутого кольца (С-образной формы} и расположенного на периферии мембраны.

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

5 тензорезисторы расположены в местах максимальной деформации и параллельны друг другу. Преобразователь, выполненный по четвертому варианту (фиг.8), содержит два толстопленочных тензорезистора 11 и 12, 10 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 тол15 стопленочных тензорезистора 13 и 14, выполненные С-образной формы и расположенные диаметрально противоположно друг другу, Измерительный преобразователь, выполненный по пятому варианту, со20 держит два тензореэистора 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 об25 разом.

Мембрану с насененными на нее компаундными толстопленочными тенэорезисторами нагружают измеряемым давлением, измеряют изменения сопротивлений тензо30 резисторов, происходящие в результате деформации мембраны как вдоль, так и поперек направления ориентации тенэорезисторов, а давление определяют решением уравнений (1) и (2).

35 Измерительный преобразователь давления работает следующим образом.

Под действием измеряемого давления мембрана деформируется, сопротивления компаундных толстопленочных тензорези40 сторов меняются под действием деформации как вдоль ориентации тенэорезистора, так и.поперек, а также и по нормали к поверхности тензорезистора. Изменения сопротивлений резисторов регистрируются

45 измерительной мостовой схемой, по показаниям которой определяют давление.

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

50 гистереэис.

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

55 В общем случае компаунд резистора имеет диэлектрическую и проводящую составляющие. Диэлектрическая составляющая может содержать боросиликатный, свинцово-боросиликатный, ал юмино-силикатный или свинцово-силикатный тип стек1716979

20

40

45 ла с возможными небольшими добавками окисла типа Cd0, Са20з или А!20з. Проводящая составляющая может быть в виде благородного металла (серебро, золото, палладий) или окисла, или их смеси, или же проводящего окисла благородного металла.

Применение толстопленочного резистора с меньшим удельным сопротивлением и большим размером позволяет получить снижение взрывного шума керамико-толстопленочных преобразователей давления.

Испытания имеющихся керамико-толстопленочных преобразователей давления с, мостиковыми сопротивлениями порядка

5000 см позволили получить уровни шума до

0,15;4 от номинального сигнала. Толстопленочные резисторы с низкой удельной проводимостью, большим размером и сопротивлением 5000 Ом дают уровни шума в

0,025 от номинального сигнала.

За счет увеличения выхода толстопленочного резистора при использовании его чувствительности в нормальном направлении необходимы малые усилия в диафрагме.

При этом увеличивается надежность преобразователя.

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

На фиг.5 показан преобразователь, в котором на мембране 11 установлен кольцевой толстопленочный резистор б вблизи от внешней окружности мембраны, Этот резистор также соединен со схемой для измерения изменений сопротивления.

Результатом является несколько более низкий 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 изве-. стных преобразователях давления ориентируются для измерения радиального напряжения, в предлагаемом преобразователе 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 резистора, Формула изобретения

1. Способ измерения давления с помощью преобразователя давления с упругой диафрагмой, на которой размещен один или несколько компаундных толстопленоч-. ных тензорезисторов, включающий нагружение диафрагмы измеряемым давлением и измерение относительного изменения сопротивления тенэорезисторов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения надежности, измеряют изменения сопротивления тенэорезисторов, происходящие в результате деформации диафрагмы как вдоль, так и поперек направлений ориентации тензорезисторов, и изменения сопротивления тензорезисторов вычисляют по формуле

de — = Схех + Cyey + Czez + е„— е„— ег, R где C><, Cy, С, — коэффициенты тензочувствительности для деформации соответственно в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тензорезистора; е, еу и е — компоненты тензора деформации в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тенэореэистора, которые вычисляют в соответствии с уравнениями

ex = — (— (1 -1Р) а + (3 Р— 3) х 2) Р Р);

8 2

ey= " (— 3P (1 — Р) а2+(Р— 1) х ) — Р);

8п е = — (Р— v (— ((1 + т ) 2а

1 13Р z

Er 8 2 — (1+ v)4х)), где Р— приложенное к диафрагме давление;

v u v — коэффициенты Пуассона для ма1 териалов подложки и тензорезистора; а — радиус диафрагмы;

Ез, Š— модули Юнга тенэорезистора и подложки;

h — толщина диафрагмы;

1716979 х — радиус, на котором располагается тензореэистор.

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, о т л и ч à юшийся тем, что в нем толстопленочный тензореэистор выполнен кольцеобраэной формы, а диафрагма выполнена в виде диска, причем тензорезистор размещен на периферийной части диска.

4. Преобразователь по п.2, о т л и ч а юшийся тем, что диафрагма выполнена в виде диска, на поверхности которого размещены дополнительные толстопленочные тензорезисторы, причем все тенэорезисторы имеют удлиненную форму и параллельны относисительно друг друга.

5. Преобразователь по п,З, о т л и ч а ю5 шийся 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 периферий10 ной части диска установлены два тензорезистора кольцеобразной формы, расположенные диаметрально противоположно друг другу.

6, Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю15 шийся 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

20 формы, а на периферийной части диафрагмы с двух диаметрально противоположных сторон размещены два тензорезистора петлеобраэной формы, 1716979

1716979

1716979

Составитель А.Зосимов

Редактор Л,Веселовская Техред М.Моргентал Корректор Л.Патай

Заказ 621 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101