Сенсор тиску та температури

Реферат: UA 91062 U UA 91062 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до приладів, що одночасно вимірюють диференційний тиск та диференційну температуру в точках прикладання диференційного тиску та абсолютні значення тиску та температури і може використовуватись в кріогенній, авіакосмічній техніці та кріоенергетиці. Відомий сенсор тиску і температури [А.с. СССР № 1605688, кл. G01B7/16 "Устройство для измерения механических деформаций и температуры", 1989], що складається з двох тензорезисторів зі схемою обробки сигналу. Однак, даний сенсор вимірює тільки абсолютні значення тиску та температури, вимірювання диференційного тиску не передбачене, температурний діапазон роботи обмежений. Найбільш близьким є сенсор тиску та температури, що містить чотири тензорезистори, з'єднані у мостову схему зі схемою вторинної обробки сигналу [А.О. Дружинін, О.П. Кутраков, С.М. Матвієнко. Сенсор тиску та температури. Патент на корисну модель № 10360 від 15.11.2005]. В ньому окрім вимірювання абсолютних значень тиску та температури досягнуто одночасне вимірювання диференційного тиску та диференційної температури в точках прикладання диференційного тиску. Однак в такому сенсорі не передбачено вимірювання тиску і температури за кріогенних температур (4,2-77 К), що, тим самим, призводить також до обмеження робочого температурного діапазону. В основу корисної моделі поставлена задача створення сенсора тиску та температури, працездатного в широкому діапазоні температур, в тому числі за кріогенних температур, в якому нова концентрація домішки бору дозволила б забезпечити стабільність роботи сенсора одночасно зі збереженням достатньо високого значення коефіцієнта тензочутливості в широкому діапазоні температур: від кімнатної температури до температури рідкого гелію. Поставлена задача вирішується тим, що сенсор тиску та температури, що містить чотири тензорезистори, з'єднані у мостову схему зі схемою вторинної обробки сигналу, в якому згідно з 19 -3 корисною моделлю, тензорезистори вибрані з концентрацією бору, яка становить (1-3)10 см при кімнатній температурі. 19 -3 Використані тензорезистори з концентрацією бору (1-3)10 см при кімнатній температурі, приводить до зміни електропровідності, яка відповідає металевому типу при кріогенних температурах, що забезпечує стабільність параметрів сенсора одночасно зі збереженням достатньо високого значення коефіцієнта тензочутливості при температурі рідкого гелію і, тим самим, досягається розширення робочого температурного діапазону. На фіг. 1 показано сенсор тиску та температури, на фіг. 2. зображено температурну залежність коефіцієнта тензочутливості тензорезисторів де: 1 - перший тензорезистор; 2 другий тензорезистор; 3 - третій тензорезистор; 4 - четвертий тензорезистор; 5 - перше джерело струму; 6 - друге джерело струму; 7 - перший масштабуючий підсилювач; 8 - другий масштабуючий підсилювач; 9 - третій масштабуючий підсилювач; 10 - четвертий масштабуючий підсилювач; 11 - перший суматор; 12 - другий суматор; 13 - перший диференційний підсилювач; 14 - другий диференційний підсилювач. Сенсор тиску та температури містить перший тензорезистор 1, другий тензорезистор 2, третій тензорезистор 3, четвертий тензорезистор 4, перше джерело струму 5, друге джерело струму 6, перший масштабуючий підсилювач 7, другий масштабуючий підсилювач 8, третій масштабуючий підсилювач 9, четвертий масштабуючий підсилювач 10, перший суматор 11, другий суматор 12, перший диференційний підсилювач 13, другий диференційний підсилювач 14, причому перший вивід першого тензорезистора 1 з'єднаний з землею і першим виводом другого тензорезистора 2, другий вивід першого тензорезистора 1 з'єднаний з першим виводом третього тензорезистора 3 і з входом другого масштабуючого підсилювача 8, другий вивід другого тензорезистора 2 з'єднаний з першим виводом четвертого тензорезистора 4 і з входом третього масштабуючого підсилювача 9, другий вивід третього тензорезистора 3 з'єднаний з виходом першого джерела струму 5 і з входом першого масштабуючого підсилювача 7, другий вивід четвертого тензорезистора 4 з'єднаний з виходом другого джерела струму 6 із входом четвертого масштабуючого підсилювача 10, вихід першого масштабуючого підсилювача 7 з'єднаний з неінвертуючим входом першого диференційного підсилювача 13, з першим входом першого суматора 11 і одночасно є виходом сенсора по параметру вимірювальної температури першого середовища U(T1), вихід другого масштабуючого підсилювача 8 з'єднаний з другим входомпершого суматора 11, вихід третього масштабуючого підсилювача з'єднаний з першим входом другого суматора 12, вихід четвертого масштабуючого підсилювача з'єднаний з другим входом другого суматора 12, з інвертуючим входом першого диференційного підсилювача 13 і одночасно є виходом сенсора по параметру вимірювальної температури другого середовища 1 UA 91062 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 U(T2), вихід першого суматора 11 з'єднаний з неінвертуючим входом другого диференційного підсилювача 14 і одночасно є виходом сенсора по параметру вимірювального тиску першого середовища U(P1), вихід другого суматора 12 з'єднаний з інвертуючим входом другого диференційного підсилювача 14 і одночасно є виходом сенсора по параметру вимірювального тиску другого середовища U(P2), вихід другого диференційного підсилювача 14 є виходом сенсора по параметру вимірювального диференційного тиску U(dP), вихід першого диференційного підсилювача 13 є виходом сенсора по параметру вимірювальної диференційної температури U(dT). Сенсор тиску та температури працює наступним чином. Тензорезистори 1-4, що розташовані на мембранах, являють собою міст Уінстона, причому перший і третій тензорезистори 1 і 3 розміщені на мембрані, на яку діє тиск Р1 і температура Т1 першого середовища, а другий і четвертий тензорезистори 2 і 4 розміщені на мембрані, на яку діє тиск Р2 і температура Т2 другого середовища, крім цього перший і другий тензорезистори 1 і 2 розміщені на тих ділянках мембран, де тиск приводить до їх деформації розтягу, а третій і четвертий тензорезистори 3 і 4 розміщені на тих ділянках мембран, де тиск приводить до їх деформації стиску. Деформація розтягу і стиску призводить до одночасного збільшення опорів третього і четвертого тензорезисторів 3 і 4 і відповідно до зменшення опорів першого і другого тензорезисторів 1 і 2. Зміна температури не впливатиме на зміну потенціалів між верхнім виводом першого тензорезистора 1 і верхнім виводом другого тензорезистора 2, тому що зміниться в одну сторону відповідно опір першого і третього тензорезисторів 1, 3 та другого і четвертого тензорезисторів 2, 4. При прикладанні до мембран диференційного тиску між верхнім виводом першого тензорезистора 1 і верхнім виводом другого тензорезистора 2 появиться пропорційна до диференційного тиску різниця потенціалів, яка прикладається між входами другого і третього масштабуючих підсилювачів 8 і 9. З виходів другого і третього масштабуючих підсилювачів 8 і 9 ця різниця потенціалів подається на перший та другий суматори 11 та 12 і підсилюється першим диференційним підсилювачем 13. Перший та другий суматори 11 та 12 призначені для внесення додаткової температурної поправки в сигнал деформації, яка необхідна для усунення похибки, зумовленої розкидом температурного коефіцієнта опору тензорезисторів 1-4. З виходу першого диференційного підсилювача 13 пропорційна до диференційного тиску напруга подається на вихід сенсора по параметру вимірювального диференційного тиску U(dP). На виході першого суматора 11 будемо мати напругу U(P1), яка пропорційна до абсолютного тиску Р1 першого середовища, аналогічно на виході другого суматора 12 будемо мати напругу U(P2), яка пропорційна до абсолютного тиску Р2 другого середовища. Так як перший і третій тензорезистори 1 і 3 розміщені на першій мембрані, до якої прикладається тиск Р1 першого середовища, то зміна її температури призведе до зміни спаду напруги між землею і верхнім виводом третього тензорезистора 3. Ця напруга підсилюється до необхідного рівня першим масштабуючим підсилювачем 7 і подається на вихід сенсора по параметру вимірювальної температури першого середовища U(T1). При зміні температури другої мембрани, до якої прикладається тиск Р2 другого середовища, зміниться спад напруги між землею і верхнім виводом четвертого тензорезистора 4, який підсилюється до необхідного рівня четвертим масштабуючим підсилювачем 10 і подається на вихід сенсора по параметру вимірювальної температури другого середовища U(T2). Між виходами першого і четвертого масштабуючих підсилювачів 7 і 10 будемо мати різницю потенціалів, яка є пропорційна до різниці температур між виходами першого і четвертого масштабуючих підсилювачів 7 і 10 будемо мати різницю потенціалів, яка є пропорційна до різниці температур між мембранами. Ця різниця потенціалів підсилюється першим диференційним підсилювачем 13 і подається на вихід сенсора по параметру вимірювальної диференційної температури U(dT). При зміні диференційного тиску різниця потенціалів між верхнім виводом третього тензорезистора 3 і верхнім виводом четвертого тензорезистора 4 не зміниться, так як не зміняться сумарний опір першого і третього тензорезисторів 1 і 3 та сумарний опір другого і четвертого тензорезисторів 2 і 4. Крім того при однакових температурах мембран ця різниця потенціалів дорівнюватиме нулю. Перше та друге джерела струму 5 і 6 призначені для задання стабільного постійного струму через третій і перший тензорезистори 3 і 1 та відповідно через четвертий і другий тензорезистори 4 і 2. Підстроювання струму через третій і перший тензорезистори 3 і 1 або через четвертий і другий тензорезистори 4 і 2 дасть змогу усунути зміщення нуля при незначному розкиді параметрів тензорезисторів. В свою чергу застосування тензорезисторів на основі НК кремнію р-типу, вибраних з 19 -3 концентрацією (1-3)10 см при кімнатній температурі, які мають металевий тип провідності, 2 UA 91062 U 5 10 тобто близьку до лінійної, температурну залежність опору в широкому інтервалі температур 4,277 К (фіг. 2), що дає можливість застосовувати такий сенсор у цьому температурному інтервалі. Коефіцієнт тензочутливості таких тензорезисторів при кріогенних температурах дорівнює -3 К4,2к=276 при деформації розтягу ε=+1,2610 відн. од. і К4,2К=116 при деформації стиску ε=-3 1,2610 відн. од., що в кілька десятків разів перевищує коефіцієнт тензочутливості відомих тензорезисторів, призначених для застосування за кріогенних температур. Все це має принципове значення для сенсорів тиску і температури і дозволяє використовувати такі тензорезистори в сенсорах, призначених для роботи за кріогенних температур. Таким чином, вибрані тензорезистори забезпечують стабільність параметрів сенсора одночасно зі збереженням достатньо високого значення коефіцієнта тензочутливості при температурі рідкого гелію, розширити робочий температурний діапазон. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Сенсор тиску та температури, що містить чотири тензорезистори, з'єднані у мостову схему зі схемою вторинної обробки сигналу, який відрізняється тим, що тензорезистори вибрані з 19 -3 концентрацією бору, яка становить (1-3)10 см при кімнатній температурі. 3 UA 91062 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4