Устройство для измерения давления и температуры

Устройство для измерения давления и температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для одновременного и независимого измерения давления и температуры с применением полупроводниковых тензорезисторов. На упругом элементе 1 установлены тензорезисторы 2 и 3, причем если типы проводимости и соответственно знаки тензочувствительности одинаковы, то тензорезисторы устанавливаются в местах с противоположными знаками деформации, а если типы проводимости различны, то тензорезисторы размещены в местах с одинаковыми знаками деформации. Параметры тензорезисторов 2 и 3 с учетом величин деформаций выбраны так, чтобы изменения их сопротивления ΔR<SB POS="POST">1</SB> и ΔR<SB POS="POST">2</SB> под действием давления удовлетворяли условию ΔR<SB POS="POST">1</SB>+ΔR<SB POS="POST">2</SB>=0. При этом один измерительный прибор реагирует только на изменение деформации чувствительного элемента 1, т.е. на изменение давления, а другой - только на изменение температуры. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s G 01 (9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

5 5 Х (Рцг1 (21) 4644763/24-10 (22) 31,01.89 (46) 23,12.90. Бюл, N 47 (71) Воронежский политехнический институт (72) Н.К.Седых, А.И.Дрожин, А.И.Панков и

В,А..Родин (53) 531.787 (088.8) (56) Ваганов В.И. Интегральные тензопре- образователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

Эрлер В. и Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами. — М.:

Мир, 1974, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для одновременного и независимого измерения. Ж, » 1615577 А1 давления и температуры с применением полупроводниковых тензорезисторов, На упругом элементе 1 установлены тенэорезисторы 2 и 3, причем если типы проводимости и соответственно знаки тензочувствительности одинаковы, то тенэорезисторы устанавливаются в местах с противоположными знаками деформации, а если типы проводимости различны, то тензореэисторы размещены в местах с одинаковыми знаками деформации. Параметры тензорезисторов 2 и 3 с учетом величин деформаций выбраны так, чтобы изменения их сопротивления AR> и ЛЯ2 под действием давления удовлетворяли условию Л R + Л Rz = О. При этом один измерительный прибор реагирует только на изменение деформации чувствительного элемента 1, т.е. на изменение давления,,а другой — только на изменение температуры. 6 ил.

1615577

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

Цель изобретения — обеспечение одновременности измерения давления и температуры, На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 — принципиальная электрическая схема включения тенэарезисторов в мостовую цепь и подключения их к измерительным приборам; на,фиг. 3-6 — варианты размещения тензорезисторов на упругом элементе.

Устройство содержит упругий элемент 1, на котором размещены тензорезисторы 2 и 3, основание 4 с электрическими выводами 5, корпус 6, мембрану 7, гайку 8. Тензорезисторы 2 и 3 вместе с резисторами 9 и 10 соединены в мостовую схему (фиг. 2), в одну диагональ которой включен источник 11 питания, а в другую — измерительный и рибор 12.

Между резисторами и тензорезисторами включены разделительные диоды 13 и 14, параллельно к тензорезисторам подключен второй измерительный прибор 15 для измерения температуры..

Для термокомпенсации выходного сигнала и одновременного измерения давления и температуры устанавливаются на упругий элемент 1 по два тензорезистора 2 из полупроводниковых монокристаллов.

Каждый тензорезистор имеет по два омичных контакта с токовыводами 16-19. Крепление тензореэисторов 2 к упругому элементу 1 осуществляется клеем, цементами или другими видами связующих, При размещении тензореэисторов на одной стороне упругого элемента, где деформации одного знака, используются тенэорезисторы 2 и 3 с проводимостями дырочной (р) и электронной (и). При размещении тензореэисторов по разные стороны упругого элемента, когда они испытывают деформации разных знаков (фиг, 3 и 4), используются тензорезисторы одного типа проводимости. При деформации упругого элемента деформируются и тенэорезисторы, Суммарное сопротивление тенэорезисторов остается постоянным и не зависит от деформации:

Rp(1) + "(n(2) = R. (1)

Это происходит потому, что сопротивление тензорезисторов 3 увеличивается, а тензорезисторов 2 уменьшается.

hRp(1) Мп(2) = 0 (2)

Тензорезисторы, изготовленные из полупроводника р-типа, имеют коэффициент тензочувствительности Кр положительный, при деформации растяжения его сопротивление возрастает. Тензорезисторы из полупроводника и-типа имеют К> отрицательный, при деформации растяжения его сопротивление уменьшается.

У тензорезисторов с одним типом про5 водимости (фиг. 3 и 4) тензорезистор 3 испытывает, например, деформацию растяжения, а тензорезистор 2 сжимается. Сопротивление тензорезистора 3 (R1) будет при этом увеличиваться, а тензорезистора 2 (R2)

10 будет уменьшаться. При последовательном соединении тензореэисторов их суммарное сопротивление при выполнении условий (2) будет постоянно — выражение (1).

Условие (2) будет выполняться при соот15 ветствующем подборе параметров тензорезисторов. Изменение сопротивления тензорезисторов при деформации таковы;

/ р(1) = р(1) Кр(1) (3)

A Rn(2) = Rn(2) Kn(2) E2 . (4)

20 Учитывая, что

Rp(1) = Рр(1) Ip(1)/Sp(1): (5)

Rn(2) = Pn(2) In(2)/Sn(2) (6) условие (2) можно представить в виде

Pp(1) Ip(1) Sp(1)/<1>

25 =О, (7)

ГДЕPp(1), Pn(2) Ip(1), (п(2) Sp(1), Sn(2), Кр(1), Kn(2). я1, Pz — удельные сопротивления, длины, площади поперечного сечения, коэффициенты тензочувствительности и деформации тенэорезисторов 3 и 2 соответственно.

Преобразуя выражение (7), получают

In (2) Е1 рр (1) Кр (1) Sn {2) (8)

Ið (1) pn (2) Кп (2) Sp (1)

Отношение деформации тенэорезисторов в процессе работы остается постоянным при любых их величинах:

К = 1 11/1 21. (9)

Соотношение (8) с учетом (9} примет вид

Iri (2 ) / р(h) Kp (1) Sn (2)

Ið I1) pi {2) Кп (2 I Sp (1)

Подбор параметров согласно (10) позволяет выполнить условия (i) и (2). Сопротивление тензореэисторов при последовательном со45 единении не будет зависеть от деформации, а будет зависеть только от температуры.

Тенэорезисторами, соединенными последовательно, измеряется температура, они же, вкл1оченные одновременно E мостовую схему, позволяют по разбалансу моста измерять давление (перемещение) (фиг. 2).

Тенэорезисторы 3 и 2 с сопротивлениями 9 и 10 образуют мостовую схему, которая питается от источника 11, разбаланс моста, пропорциональный давлению (перемещению), регистрируется измерителем 12. Диоды 13 и 14 разделяют цепи питания моста и измерителя 15 сопротивления суммарного сопротивления тензорезисторов 3 и 2, которое пропорционально температуре, Одно1615577 временно происходит измерение давления (перемещения) и температуры, Отношение сопротивлений тенэорезисторов в рабочем диапазоне температур должно оставаться постоянным при отсутствии деформации:

Rp(1)/Rn(2) = cOASt. (11)

Тогда мост будет. сбалансирован при любой температуре, а его разбаланс будет пропорционален давлению (перемещению). Отношение (11) выполняется при условии одинаковых температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) тенэореэисторов — a. Сопротивление тензорезисторов зависит от температуры согласно

Йр()) = Rp () ),(1+ ат ); . (12)

Rn(2) = Rn 2 )n(" + Q t ). (< 3)

C учетом (12) и (13) соотношение (11) примет вид

Rp l1)o (1 + < t ) р (1) Rp (1)п

К гЬ(1 +аР) R.ti R. гl. где Rp г ) )<), Rn (2) — сопротивление тенэорезисторов при С, температура тенэорезисторов с .

При условии равенства ТКС тензореэисторов и подбора их параметров согласно (10) датчик давления (перемещения) термокомпенсирован при различных по величине деформациях тенэорезисторов и одновременно измеряется температура.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления и температуры, содержащее упругий чувствительный элемент, на котором размещены первый и второй тенэорезисторы, первый измерительный прибор, источник питания, первый и второй резисторы, причем первые выводы первого и второго тензорезисторов подключены параллельно к первому входу первого измерительного прибора, к второму входу которого подключены первые выводы первого и второго резисторов, вторые выво5 ды которых подключены к клеммам источника питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения одновременного измерения давления и температуры, в него дополнительно введены второй измеритель10 ный прибор и первый и второй диоды, при этом первый вывод первого диода подключен к второму выводу первого резистора, второй его вывод подключен параллельно с вторым выводом первого тензореэистора к

15 первому входу второго измерительного прибора, а второй вывод второго диода подключен к второму выводу второго резистора, первый его вывод подключен параллельно с вторым выводом второго тензорезистора к

20 второму входу второго измерительного прибора, причем параметры тензорезисторов выбраны из условия г 1 / p > I p < K p > S n 2

/7п2 I п2 Кп2 Sp1

25 где р, г2 — относительные деформации первого и второго тензорезисторов;

PP 1 И)Оп 2 УДЕЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ первого и второго тензорези30 сто ров;

I Р 1 И ) п2 ДЛИНЫ ПЕРВОГО И BTOPOrO тензорезисторов;

S р 1 и S и 2 — площади поперечных сечений первого и второго тензо35 резисторов;

К р 1 и К и 2 — коэффициенты тензочувствительности первого и второго тензорезисторов, 1615577

18

Фиг.4

17 18

Составитель А.Зосимов

Техред M.Ìoðãåíòàë

Корректор Л,Пилипенко

Редактор Е.Папп

Заказ 3981 Тираж 469 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС гСР

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

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