Способ температурной компенсации тензорезисторных датчиков

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании и изготовлении тензорезисторных датчиков при повышении технологичности термокомпенсации. Сущность изобретения: измеряют начальные выходные сигналы датчика при двух значениях рабочего диапазона температур, включают термочувствительный резистор в одно из плеч мостовой схемы, герметизируют датчик в нормальных климатических условиях. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании и изготовлении тензорезисторных датчиков.

Известен способ компенсации влияния температуры на тензорезисторы, в котором рабочий и компенсационный тензорезисторы устанавливают в месте измерения и соединяют их в смежные плечи измерительной мостовой схемы, причем компенсационный тензорезистор закрепляют на упругой микробалочке и деформируют так, чтобы деформация компенсационного тензорезистора была адекватна деформации рабочего тензорезистора (а.с. СССР N 305347, 1971).

Недостатком этого способа является сложность технической реализации, особенно в современных датчиках, имеющих малые габариты и вес, а также малая точность компенсации из-за невозможности получения одинаковой деформации компенсационного и рабочего тезорезистора.

Известен также способ термокомпенсации тензодатчиков сопротивления, при котором компенсационные тензорезисторы наклеивают на компенсационную пластину и включают в смежные плечи моста симметрично с рабочими тензорезисторами, наклеенными на деталь, причем на деталь и компенсационную пластину дополнительно наклеивают одинаковые термозависимые сопротивления, включаемые в зависимости от знаков температурных коэффициентов сопротивления рабочих и компенсационных тензорезисторов в соответствующие плечи измерительного моста (а.с. СССР N 311133, 1971).

Недостатком указанного способа является малая точность компенсации из-за разброса в характеристиках тензорезисторов и термозависимых сопротивлений и влияния клеевых слоев. Кроме того, мала технологичность проведения процесса термокомпенсации из-за наличия большого числа таких трудноконтролируемых операций, как наклейка, изготовление компенсационной пластины с требуемыми тепловыми и упругими характеристиками. Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является способ температурной компенсации тензорезисторных датчиков, заключающийся в том, что датчик нагревают, определяют величину и знак температурной погрешности, по которым рассчитывают величину и расположение термочувствительного резистора и включают его в мостовую схему, при этом термочувствительный резистор помещают в герметичный сосуд, который перед включением термочувствительного резистора в мостовую схему и определением его расположения вакуумируют, а затем повышают давление в сосуде до достижения темпе- ратурной компенсации (а.с. СССР N 805061, 1981).

Недостатками способа являются трудность технической реализации из-за необходимости использования сложного градуировочно-испытательного оборудования, которое требуется для вакуумирования сосуда и поддержания в нем необходимого давления; малая точность термокомпенсации, особенно при достаточно больших скоростях изменения температуры измеряемой среды из-за значительной тепловой инерционности системы термочувствительный резистор - газ - сосуд, так как газ имеет малый коэффициент теплопроводности.

Целью изобретения является повышение технологичности термокомпенсации.

Цель достигается тем, что в способе температурной компенсации тензорезисторных датчиков, включающем измерение начальных выходных сигналов при двух значениях рабочего диапазона температур, расчет величины и знака изменения сопротивления термочувствительного резистора, включения его в зависимости от знака изменения сопротивления в одно из плеч мостовой схемы, определяют начальные выходные сигналы датчика по герметизации, после чего изменяют рассчитанное сопротивление термочувствительного резистора на величину, выбранную из соотношения (1) Δr_β= 0,01465·S (1) где S - чувствительность датчика; R - сопротивление плеча мостовой схемы датчика; α_β - температурный коэффициент сопротивления материала термочувствительного резистора, и герметизируют датчик в нормальных климатических условиях.

На чертеже показано подсоединение измерительных приборов к датчику при реализации предлагаемого способа термокомпенсации.

На чертеже показаны электрические выводные проводники 1-8 датчика, тензорезисторный датчик 9, подвергаемый термокомпенсации, источник 10 питания, измерительный прибор-вольтметр 11.

П р и м е р. Выводы 1-8 тензорезисторного датчика в незагерметизированном состоянии подсоединяют к источнику 10 питания и измерительному прибору 11. После пятиминутного прогрева датчика током питания измеряют по измерительному прибору начальный выходной сигнал U_оb1 при нормальных климатических условиях. Далее помещают датчик в термостат с жидким азотом и выдерживают при температуре минус 196^оС в течение не менее 40 мин и измеряют при этой температуре начальный выходной сигнал датчика U_ob2. После этого рассчитывают величину и знак изменения сопротивления термочувствительного резистора известным образом, например, по формуле r_β= (2) (Осадчий Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин/М.: Машиностроение, 1979, с. 67).

Здесь К - коэффициент, равный отношению сопротивлений близлежащих резисторов мостовой схемы, в нашем случае К = 1; U_пит - напряжение питания датчика; t₁ - температура - нормальных климатических условий; t₂ = 196^оС.

Далее определяют, на какую величину необходимо изменить рассчитанное сопротивление термочувствительного резистора из соотношения (3): Δr_β= 0,1465·S (3) где S = S - чувствительность дат- чика; U_вых - выходное напряжение датчика;
Р_н - номинальное измеряемое давление;
R - сопротивление одного плеча мостовой схемы;
α_β - температурный коэффициент сопротивления материала терморезистора.

Величины U_вых, U_пит, Р_н берут из технологического паспорта на датчик, рассчитывают S, а α_β берут из сертификата на материал термочувствительного резистора в соотношении с (4):
R_β= r_β+Δr_β (4) и известным способом изготавливают термочувствительный резистор с величиной сопротивления, равной R_β. После этого подключают резистор в датчик между контактами 7 и 8, разомкнув между ними перемычку. При положительном знаке Δr_β , R_β включают в плечо тензорезистора R₄, а при отрицательном знаке Δr_β , R_β включают в плечо тензорезистора R₃. Окончательно герметизируют датчик в нормальных климатических условиях.

Справедливость соотношения (3) можно показать следующим образом.

Изменение давления газа во внутренней полости датчика давления при воздействии температуры аналогично изменению давления измеряемой среды, но имеет противоположную направленность. И, соответственно, так как изменение давления внешней cреды изменяет cопротивление тензорезиcторов, то и изменение давления газа во внутренней полости датчика от температуры приведет к аналогичному изменению сопротивления тензорезистора, но противоположного знака. Таким образом, можно скомпенсировать изменение давления во внутренней полости датчика введением дополнительного компенсационного резистора, сопротивление которого зависит от температуры. А так как в тензорезисторных датчиках есть термочувствительный резистор для компенсации изменения начального выходного сигнала от температуры, то, с целью повышения технологичности термокомпенсации, целесообразно совместить указанные датчики в одном термочувствительном резисторе, величина которого определяется следующим образом: при изменении давления во внутренней полости датчика на ΔР_tизменение тензорезисторного датчика давления с мостовой измерительной схемой составит
ΔR_t= · ΔR_н (5) где ΔР_t - изменение давления во внутренней полости датчика от температуры;
Р_н - номинальное давление;
Δ R_н - абсолютное изменение сопротивления датчика, приведенное к одному плечу от воздействия давления. Изменение сопротивления термочувствительного резистора от температуры ΔR_βt компенсирующего изменение давления во внутренней полости датчика от температуры, будет равно
ΔR_βt=Δr_βα_βΔt, (6) где Δr_β - величина сопротивления термочувствительного резистора, на которую необходимо изменить термочувствительный резистор для компенсации изменения давления внутренней полости от температуры;
α_β - температурный коэффициент сопротивления материала термочувствительного резистора;
Δt - диапазон рабочих температур. Приняв выражения (5) и (6), получим: Δr_β·α_βΔt = (7)
В соответствии с законом Шарля (см. Канкин Н.И., Ширкевич П.Г. Справочник по элементарной физике/M: Наука, 1966, с. 65)
ΔP_t= P_o· · Δt (8) где Р_o - давление газа во внутренней полости датчика при нормальных климатических условиях. Величину ΔR_н определим из выражения U = U_пит· · ε_r= U_пит· ·
(9) Отсюда, учитывая, что у реальных датчиков К = 1, найдем выражение для ΔR_н ΔR_н= (10) Подставляя выражение (8) и (10) в (7), получим соотношение (3).

Использование данного способа температурной компенсации тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной схемой, по сравнению с существующими способами, имеет следующие преимущества: повышается технологичность термокомпенсации за счет обеспечения возможности измерения начальных выходных сигналов датчика при воздействии испытательных температур в негерметичном состоянии: не требуется сложное и громоздкое герметизирующее испытательное оборудование, которое изготавливается в индивидуальном порядке для каждого датчика; уменьшается время измерения и испытания, а также время контактирования датчика с измеряемой средой.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ преимущественно с мостовой схемой, включающий операции измерения выходных сигналов тензорезисторного датчика при двух значениях температур из рабочего диапазона, расчет параметров термочувствительного резистора, включение его в цепь мостовой схемы и герметизацию корпуса датчика, отличающийся тем, что, с целью улучшения технологичности процесса температурной компенсации, до герметизации измеряют начальные выходные сигналы тензорезистивного датчика, по результатам изменений корректируют расчетную величину сопротивления термочувствительного резистора на величину ΔR , определяемую соотношением

где U₁ - выходное напряжение тензорезисторного датчика;
U₂ - напряжение питания тензорезисторного датчика;
R - сопротивление плеча мостовой схемы;
P - номинальное измеряемое давление;
α - температурный коэффициент материала термочувствительного резистора,
и затем герметизируют корпус тензорезисторного датчика в нормальных климатических условиях.

РИСУНКИ

Рисунок 1