Способ измерения давления и преобразователь давления

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХЕСПУБЛИК 716979 А+., Я НИЕ И Е ОПИ ПАТЕН кокс Компани (08) и Майкл Л,Стурлстопленочные тенждународного симА. 8.05,86. НИЯ ДАВ АВЛЕНИЯ ится к из ь использ Е рительано для све т,вид с вид с ПГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Дзе Бабкокк энд Ви(56) Говард А,Нилсен, Тозодатчики. Труды 32 мпозиума по приборам Я(57) Изобретение отноной технике и может бь 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; на фиг 5- преобразователь давления с кольце- образным 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 2 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 тензорезистора, В результате приращение сопротивления достаточно велико как при размещении тензорезисторов в центре мембраны, так и на периферии, причем достигается также уменьшение от ношения сигнал - шум. 6 з,п, ф-лы, 9 ил. езисторами, третий вариант,на фиг,8 - то же, четвертый варирху; на фиг.9 - то же, пятый варирху. длагаемый способ позволяет восться высокой чувствительностью к ной деформации толстопленочных ов для увеличения выходного сигхороших шумовых характеристиалых деформациях керамической ы, Общее изменение сопротивлеолстопленочных резисторов может еделено из выраженияех+ Суеу+ Суе+ ех- еу - еъ (1) у и С - коэффициенты тензочувстсти в продольном, поперечном и ном направлениях относительно пользова нормаль резистор нала при ках и м мембран ния для т быть опрбй Ягде Сх, С вительно нормаль резисторех, еу и ет - 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. Ори 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) х )-и Р 1;Е. 82еу= -(1 - Р) а + (гР - 1) х ) - Р); (2) 8 Ьек = - Р - р 1 ( - 1+ Р ) 2 а -Ег 8- (1 - Р) 4 х Д.где ех, еу и ег - радиальное, тангенциальноеи нормальное напряжения соответственно;Р - приложенное давление;м Им - коэффициенты Пуассона для1подложки и резистора соответственно;а - радиус мембраны;Ез и Ег - модули Юнга для резистора иподложки;и - толщина диафрагмы;х - радиус, на котором установлен резистор,Измерительный преобразователь давления содержит упругую мембрану 1, на которой размещены толстопленочныекомпаундные тензорезисторы 2 и 3. Толстопленочные компаундные тенэореэисторывыполнены методом вакуумного напыления, Измерительный преобразователь, выполненный по первому варианту (фиг.4),содержит один толстопленочный тензорезистор 4 в середине мембраны 1, которыйподключен к мостовой измерительной схеме 5,Измерительный преобразователь, выполненный по второму варианту (фиг,5). содержит тензореэистор б, выполненный вформе незамкнутого кольца (С-образнойформы) и расположенного на перифериимембраны. Измерительный преобразователь, вы-.полненный по третьему варианту(фиг,7), содержит несколько тензорезисторов 7 - 10 вцентре и на периферии мембраны, причем5 тензорезисторы расположены в местах максимальной деформации и параллельны другдругу. Преобразователь, выполненный почетвертому варианту (фиг.8), содержит дватолстопленочных 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 тол 15 стопленочных тензорезистора 13 и 14,выполненные С-образной формы и расположенные диаметрально противоположнодруг другу, Иэмерительнь 1 й преобразователь, выполненный по пятому варианту, со 20 держит два тензореэистора С-образнойформы 15 и 16 в центральной части мембраны и два тензорезистора С-образной формы17 и 18 на периферии мембраны.Способ осуществляют следующим об 25 разом.Мембрану с насененными на нее компаундными толстопленочными тенэорезисторами нагружают измеряемым давлением,измеряют изменения сопротивлений тензо 30 резисторов, происходящие в результате деформации мембраны как вдоль, так ипоперек направления ориентации тенэорезисторов, а давление определяют решением уравнений (1) и (2).35 Измерительный преобразователь давления работает следующим образом.Под действием измеряемого давлениямембрана деформируется, сопротивлениякомпаундных толстопленочных тензорези 40 сторов меняются под действием деформации как вдоль ориентации тенэорезистора,так и.поперек, а также и по нормали к поверхности тензорезистора, Изменения сопротивлений резисторов регистрируются45 измерительной мостовой схемой, по показаниям которой определяют давление.Чувствительность толстопленочного резистора в нормальном направлении оказывается линейной, и при этом отсутствует50 гистереэис,Таким образом, использование изобретения позволяет получить высокоточный,малошумящий и рассчитанный на малыеусилия преобразователь давления.55 В общем случае компаунд резистораимеет диэлектрическую и проводящую составляющие. Диэлектрическая составляющая может содержать боросиликатный,свинцово-боросиликатный, ал юмино-силикатный или свинцово-силикатный тип стек5 10 15 20 30 35 40 45 ла с возможными небольшими добавками окисла типа СбО, СагОз или А 20 з. 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-толсто- 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 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 бВ/В для длинного кольцевого резистора аналогично бВ/В 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 ющ и й с я 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 формулеб В- = Схех + Суеу + Серег + е - е- е,Вгде Сх, Су, С, - коэффициенты тензочувствительности для деформации соответственно в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тензорезистора;е, еу и е - компоненты тенэора деформации в продольном, поперечном и нормальном направлениях пленки тенэореэистора,которые вычисляют в соответствии с уравнениямиех = - (3 (1 г) ат+ (3 Р - 3) х )-г Р;82 е= 1 ( 3 Р (1 - Р ) а + (Р - 1) х ) - Р); 8 Ь е= - (Р - ю ( - 1+ т=) 2 а1 1 ЗРЕг 8 Р- (1+ Р) 4 х ,где Р - приложенное к диафрагме давление;ю и ю - коэффициенты Пуассона для материалов подложки и тензорезистора;а - радиус диафрагмы;Ез, Е - модули Юнга тенэорезистора и подложки;й - 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 толстопленочным тензорезистором и электронную схему для измерения изменений сопротивлений тензорезисторов, о т л и ч а ю щ и й с я 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 а ющ и й с я 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 ющ и й с я тем, что диафрагма выполнена в виде диска, на поверхности которого размещены дополнительные толстопленочные тензорезисторы, причем все тензорезисторы имеют удлиненную Форму и параллельныотносисительно друг друга.5. Преобразователь по п,З, о т л и ч а ю 5 щ и й с я тем, что на поверхности диска вего центральной части с двух сторон от центра установлены два тензорезистора, выполненные в виде прямолинейных полосок,параллельных друг другу, а на периферий 10 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 15 щ и й с я тем, что по крайней мере однаповерхность диафрагмы выполнена круглойи на ней в ее центральной части с двухсторон от центра размещены два толстопленочных тензорезистора кольцеобразной20 формы, а на периферийной части диафрагмы с двух диаметрально противоположныхсторон размещены два тензорезистора петлеобраэной Формы,Подписноеитета по изобретениям и открытиям приква, Ж, Раушская наб 4/5