Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов минимизации температурных погрешностей металлопленочных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации и выбор направления исследования 10
1.1. Исследование механизма возникновения температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков 10
1.2. Схемные методы минимизации температурных погрешностей 34
1.3. Конструктивные методы минимизации температурных погрешностей 42
1.4. Технологические методы минимизации температурных погрешностей 45
1.5. Выводы и выбор направления исследования 56
2. Исследование и разработка способов схемной компенсации с целью повышения точности на стройки металлопленочных датчиков 64
2.1. Разработка способов повышения точности существующих методов схемной компенсации при минимизации аддитивной температурной погрешности 65
2.2. Разработка способов схемной компенсации аддитивной температурной погрешности от влияния чувствительности датчика к моменту затяжки при установке на изделии 74
2.3. Разработка способов схемной компенсации аддитивной температурной погрешности от влияния температурного расширения газа, загерметизированного во внутренней полости датчика относительного давления 82
2.4. Расширение технологических возможностей разработанных способов схемной компенсации при минимизации аддитивной температурной погрешности 88
2.5. Выводы и рекомендации по применению 100
3. Косвенные способы минимизации температур ной погрешности металлопленочных тензорезис- торных датчиков в процессе настройки и эксплу атации 105
3.1. Разработка косвенных способов компенсации аддитивной температурной погрешности с использованием термозависимого компенсационного резистора 107
3.2. Разработка косвенных способов компенсации аддитивной температурной погрешности с использованием термонезависимого компенсационного резистора 119
3.3. Разработка косвенных способов компенсации мультипликативной температурной погрешности. 126
3.4. Разработка способов минимизации температурной погрешности в процессе изготовления настройки аттестации и эксплуатации датчиков 131
3.5. Выводы и рекомендации по применению 140
4. Разработка способов минимизации темпера турных погрешностей при работе металлопле ночных датчиков в нестационарных темпера турных режимах 148
4.1. Исследование причин возникновения температурных погрешностей тензорезисторных датчиков при нестационарных температурных режимах эксплуатации 149
4.2. Исследование и разработка способов выявления механизма возникновения температурных погрешностей при работе датчика в нестационарных температурных режимах эксплуатации 159
4.3. Анализ существующих способов компенсации аддитивной температурной погрешности при работе датчика в нестационарных температурных режимах эксплуатации 169
4.4. Исследование и разработка способов минимизации температурных погрешностей при работе датчика в нестационарных температурных режимах эксплуатации 174
4.5. Выводы и рекомендации по применению 188
Заключение 195
Список литературы 199
- Схемные методы минимизации температурных погрешностей
- Разработка способов схемной компенсации аддитивной температурной погрешности от влияния чувствительности датчика к моменту затяжки при установке на изделии
- Разработка косвенных способов компенсации аддитивной температурной погрешности с использованием термонезависимого компенсационного резистора
- Исследование и разработка способов выявления механизма возникновения температурных погрешностей при работе датчика в нестационарных температурных режимах эксплуатации
Введение к работе
Одним из наиболее мощных дестабилизирующих факторов в процессе эксплуатации датчиковой аппаратуры является температура. Диапазон изменения температуры может меняться в очень широких пределах в зависимости от объекта измерения: от нескольких градусов Цельсия при лабораторных исследованиях до нескольких сотен и даже тысяч градусов на двигателях внутреннего сгорания и силовых установках ракетной техники. При этом скорости изменения температуры имеют также очень широкий диапазон: от квазистатического (медленноменяющегося - суточное колебание температуры окружающей среды) до скачкообразного (термоудар при работе двигательных установок - до нескольких сотен градусов в секунду). Поэтому вопрос уменьшения погрешностей от воздействия температуры при разработке датчиковой аппаратуры является наиболее актуальным.
С развитием микроэлектроники все большее распространение получают в датчиках для измерения неэлектрических величин современные методы планарно-пленочной технологии изготовления. Это в частности касается и тензорезисторных датчиков, получивших в последнее время широкое распространение. По сравнению с наклеиваемыми проволочными, фольговыми или натянутыми тензорезисторами они имеют ряд существенных преимуществ. Это, прежде всего, относится к метрологическим и габаритно весовым характеристикам. В связи с тем, что в основную погрешность при передаче деформации от упругого элемента (УЭ) к тензорезистору вносит свою составляющую метод крепления последнего на УЭ, то любое механическое или клеевое крепление вносит значительные погрешности (достигающие 60-70 % от основной погрешности датчика) в передачу деформации.
Переход к металлопленочным технологиям изготовления измерительных схем датчиков позволяет исключить данные погрешности в связи с тем, что сцепление тензорезистора с УЭ в данном случае происходит на уровне атомарных связей и тем самым исключается механический или клеевой контакт между ними. Это позволяет в 3-5 раз увеличить точность измерения, значительно расширить для металлопленочных датчиков, по сравнению с наклеиваемыми тензорезисторами, температурный диапазон работы (от криогенных температур до 250-300 С) и на порядок уменьшить временную нестабильность характеристик датчика. Однако переход к микроэлектронному изготовлению датчиков накладывает новые требования не только к разработке специальных технологических процессов по изготовлению и формированию измерительных схем, но и требует новых подходов к остальным конструктивным и технологическим решениям по изготовлению датчика, и, в частности, по минимизации его температурных погрешностей.
Причины возникновения температурных погрешностей тензорезистор-ных датчиков в стационарных температурных условиях эксплуатации и методы их уменьшения достаточно изучены и при изготовлении удается скомпенсировать эти погрешности до приемлемых величин. Широко известны работы в данной области Новицкого П. В., Осадчего Е. П., Рузги 3., Хорны О., Клоковой Н. П., Сгибов А. П., Черняева В. Н., Майселла Р., Гленга В., Ти-хоненкова В. А., Тихонова А. И. и др., в которых рассматриваются различные аспекты минимизации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков.
Однако в относительных величинах в настоящее время эти погрешности достигают до 60% и более общей дополнительной погрешности от всех воздействующих факторов в процессе эксплуатации датчиковои аппаратуры. Кроме того, существующие в настоящее время способы компенсации не обеспечивают требуемой точности и, как результат, в процессе изготовления датчиковои аппаратуры по температурным характеристикам используется либо метод постепенного приближения (многократное проведение испытаний), либо селективная подборка по температурным характеристикам, что значительно усложняет технологию изготовления и удорожает продукцию. Поэтому минимизация температурных погрешностей является актуальной задачей, решение которой не только позволит расширить область примене-
7 ния тензорезисторных датчиков, но и значительно упростить технологию их изготовления и уменьшить их стоимость.
Еще менее изученным является вопрос минимизации температурных погрешностей при работе датчиковой аппаратуры в нестационарных тепловых режимах эксплуатации (в двигателях внутреннего сгорания, дизельных и компрессорных установках, реактивных двигателях летательных аппаратов, силовых установках ракетных двигателей и т.д.). Известно, что практически все датчики, разработанные на любом принципе преобразования, не исключая и тензорезисторный метод, обладают значительными (в некоторых случаях более 100%) температурными погрешностями при работе в нестационарных тепловых режимах. Поэтому вопрос выявления причин возникновения и разработка методов минимизации этих погрешностей является еще более актуальной задачей, чем решение этих вопросов для стационарного температурного режима эксплуатации датчиковой аппаратуры. Наиболее остро эта задача стоит при разработке датчиков давления, на которые кроме температуры окружающей среды действует и скачкообразно изменяющаяся во времени температура измеряемой среды (термоудар). Решение данного вопроса позволит исключить, используемые в настоящее время на изделиях, различные методы пассивной защиты датчиков (например, импульсные трубки, применяемые для защиты от термоудара), которые увеличивают габариты и веса датчиковой аппаратуры, снижают частотный диапазон измеряемого параметра, значительно увеличивают погрешность измерения, ограничивают диапазон механических воздействующих факторов и резко снижают надежность как датчиковой аппаратуры, так и всего изделия в целом.
Целью диссертационной работы является разработка способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков механических величин, как для стационарных, так и нестационарных температурных режимов эксплуатации. Эта цель достигается решением следующих основных задач.
Анализ механизмов возникновения температурных погрешностей ме-таллопленочных тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации в зависимости от конструктивных, технологических и особенностей изготовления, настройки и эксплуатации.
Анализ существующих способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков (схемных, конструктивных и технологических) с целью определения направления дальнейших исследований по их минимизации при стационарных температурных режимах эксплуатации.
Разработка общих принципов повышения точности существующих способов компенсации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации.
Разработка способов компенсации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации с целью повышения технологичности в процессе их изготовления и настройки.
Разработка косвенных способов компенсации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации, в том числе с учетом взаимной корреляции компенсационных элементов для компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности.
Анализ механизмов возникновения температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков и существующих способов их компенсации в нестационарном температурном режиме эксплуатации.
Разработка экспериментального способа выявления механизма возникновения температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации.
Разработка способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков в нестационарном температур-
9 ном режиме эксплуатации с целью использования при конструктивной реализации датчиков существующих типовых конструкций упругих элементов.
Исходя из изложенного, основными положениями, выносимыми на защиту являются: способы схемной компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности в стационарном температурном режиме эксплуатации металлопленочных тензорезисторных датчиков с целью обеспечения требуемой точности; способы схемной компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности в стационарном температурном режиме эксплуатации в зависимости от конструктивного исполнения металлопленочных тензорезисторных датчиков;: косвенные способы схемной компенсации температурной погрешности металлопленочных тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации с учетом взаимной корреляции компенсационных элементов для компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности; способ выявления механизма возникновения температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации; способы минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации с целью использования при конструктивной реализации датчиков существующих типовых конструкций упругих элементов.
Решение поставленных задач позволит не только обеспечить требуемые точности в процессе измерения, но и значительно упростить как сам процесс конструирования металлопленочных тензорезисторных датчиков, так и технологию их изготовления и настройки в процессе производства.
Схемные методы минимизации температурных погрешностей
Схемные методы компенсации эффективны при минимизации температурных погрешностей, возникающих от неверного выбора материалов тензо-резисторов и УЭ, технологических разбросов их физических параметров и некоторых конструктивных особенностей изготовления датчика (например, герметизация внутренней полости, чувствительность к момену затяжки). При этом минимизация температурных погрешностей схемными методами применима только для исключения погрешностей при работе датчика в стационарных или медленноменяющихся тепловых воздействиях.
При воздействии на тензорезисторный датчик температуры, изменяются как физические параметры самого тензорезистора - номинал сопротивления R и коэффициент тензочувствительности К (за счет ТКЛР - а„, температурного коэффициента удельного сопротивления ар и ТКЧ - а ); так и УЭ, на котором установлены тензорезисторы - габариты и модуль упругости Е (за счет ТКЛР - аэ и температурного коэффициента модуля упругости гэ).
Если изменения сопротивления тензорезистора и габаритов УЭ влияют на аддитивную температурную погрешность датчика, то изменения тензочувствительности и модуля упругости влияют на мультипликативную температурную погрешность. Поэтому в методах схемной компенсации сущест вует два вида: схемная компенсация мультипликативной составляющей температурной погрешности и схемная компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности. При этом каждый из видов компенсации имеет свой компенсационный элемент:- для компенсации мультипликативной температурной погрешности -термозависимое сопротивление Ra, включаемое в диагональ питания измерительной цепи и добавочный термонезависимый резистор Rd, применяемый для уточнения номинала и ТКС резистора Ra;- для компенсации аддитивной температурной погрешности - либо термозависимое сопротивление Rp, включаемое последовательно в плечо мостовой измерительной цепи, либо термонезависимый резистор RM, включаемый параллельно одному из плеч мостовой измерительной цепи с последующей балансировкой мостовой цепи.
Температурный коэффициент тензочувствительности тензорезистора, установленного на УЭ, определяется разницей ТКЧ тензорезистора и модуля упругости УЭ. Так как ак имеет положительные значения (для металлопле-ночных тензорезисторов), и гэ ак то, как правило, акобщ имеет положительное значение, тогда согласно формуле (1.16) можно утверждать, что с ростом температуры выходной сигнал датчика увеличивается. Однако из формулы (1.16) видно, что подбором материалов тензорезистора и УЭ (ак = Гэ) можно достичь самокомпенсации мультипликативной составляющей температурной погрешности.
В случае, если полностью скомпенсировать конструктивными методами температурную погрешность не удается, то ее компенсацию, как правило, производят схемными методами.
В связи с тем, что с ростом температуры выходной сигнал датчика возрастает, в цепь питания мостовой цепи устанавливают термозависимый резистор Ra, сопротивление которого с ростом температуры возрастает. В этом случае падение напряжения на Ra с ростом температуры также возрастает и, при постоянном напряжении источника питания, напряжение питания моста с ростом температуры будет уменьшаться, и тем самым компенсируется рост коэффициента тензочувствительности от температуры.
Задачей схемной компенсации является расчет величины Ra из условия компенсации мультипликативной температурной погрешности. Несмотря на большое разнообразие компенсационных схем, для компенсации мультипликативной температурной погрешности, наибольшее распространение в практике конструирования металлопленочных тензорезисторных датчиков нашли две схемы, представленные на рис. 1.1.
Анализ приведенных схем позволяет вывести аналитические выражения компенсационных элементов Ra и Rd для компенсации мультипликативной составляющей температурной погрешности через физические параметры элементов, входящих в мостовую измерительную цепь.
Если ТКЧ датчика ад, ТКС компенсационного резистора ак, входное сопротивление моста Rex и его температурный коэффициент аг, то согласно [1], величина компенсационного резистора Ra может быть записана в виде:
Из формулы (1.26) видно, что компенсация возможна в том случае, если ак и ад имеют одинаковые знаки, и эффективна при ак оса. Так как из практики конструирования датчиков известно, что для металлопленочных тензорезисторных датчиков ТКЧ ад находится в пределах от 1-Ю"3 1/С до 1-Ю"4 1/С, то в качестве материала компенсационного элемента выбирают медь, никель, золото, у которых ТКС - ак находится в пределах от 3-Ю"31/С доФ10 31/С.
Данная схема отличается от предыдущей тем, что при заданном значении компенсационного резистора Ra можно регулировать эквивалентное компенсационное сопротивление и его ТКС за счет подбора дополнительного, термонезависимого резистора Rd. Эта схема получила наибольшее распространение в практике конструирования в связи с технологическими трудностями получения точного значения номинала резистора Ra и существующим разбросом ТКС тензорезисторов в процессе его напыления.
Способ подгонки компенсационного резистора Ra заключается в том, что Ra выбирается фиксированной, заведомо большей, чем необходимо для компенсации мультипликативной температурной погрешности, величины, а по результатам расчета определяется требуемое значение сопротивления Rd. Поэтому формулу приведенную [1] необходимо решить относительно сопротивления Rd:ак-ад
Анализ формулы (1.27) дает те же выводы, что и для схемы рис. 1.1а по применению данной схемы как в отношении к типам датчиков, так и материалов компенсационного элемента. При этом необходимо помнить, что дополнительный резистор должен быть термонезависимым (ТКС его должен быть как минимум на два порядка меньше, чем ТКС резистора Ra), и конструктивное исполнение датчика должно обеспечивать его установку вне зоны действия температуры измеряемой среды. Минимизация аддитивной температурной погрешности
Разработка способов схемной компенсации аддитивной температурной погрешности от влияния чувствительности датчика к моменту затяжки при установке на изделии
При разработке датчиков давления необходимо учитывать, что одновременно с погрешностью от влияния момента затяжки в конструкциях датчи ков, которые изменяют начальный уровень и сам выходной сигнал при установке его на изделии (когда датчик чувствителен к моменту затяжки), возникают дополнительные температурные погрешности. В случае, когда температура окружающей или измеряемой среды отличается от температуры, при которой производилась установка датчика на изделии, возникают сжимающие или растягивающие усилия в посадочном месте датчика. А так как чувствительность датчика к моменту затяжки является следствием его чувствительности к осевым усилиям в резьбовой части, то изменение температуры ведет к изменению, как начального уровня, так и самого выходного сигнала датчика, то есть к появлению аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей.
Для расчета необходимо знать параметры посадочного места датчика, уплотнительной прокладки, посадочного места трубопровода, материалы, из которых они изготовлены, крутящим моментом Мк, с которым датчик устанавливается на изделие (трубопровод) и экспериментально определить аддитивную чувствительность датчика к моменту затяжки S0M.
Аддитивную чувствительность датчика от момента затяжки через его выходные сигналы можно записать в видегде UH0M - номинальный выходной сигнал датчика;U0M - начальный уровень выходного сигнала датчика при установкеего с моментом затяжки Мк\ Uо - начальный уровень выходного сигнала датчика; По аналогии аддитивная чувствительность датчика к осевому усилию в резьбовой части, может быть представлена в видегде Q - усилие, развиваемое в резьбовой части датчика, при установке его с заданным моментом затяжки (определяется согласно [35]).
Используя выражения чувствительностей, можно установить связь между чувствительностями датчика к осевому усилию и моменту затяжки
При изменении температуры на величину АТ = Тр-Тм, где Тм - температура в процессе монтажа датчика на изделии, а Тр - температура датчика в процессе эксплуатации, изменится осевое усилие затяжки, величину которого AQ можно определить согласно [4].
Зная чувствительность датчика к осевому усилию и изменение осевого усилия при изменении температуры, можно определить аддитивную температурную чувствительность датчика от момента затяжки:
Согласно [4], если принять допустимое значение аддитивной температурной чувствительности Sot= 1-Ю"41/С, то дополнительная аддитивная температурная погрешность только от момента затяжки превышают более чем в семь раз допустимые температурные погрешности. Отсюда следует обязательный учет при эксплуатации или компенсация данной погрешности.
Если в процессе разработки датчика не удалось исключить влияние момента затяжки на его начальный уровень, то для исключения влияния чувствительности датчика к моменту затяжки на аддитивную температурную погрешность, его установку при температурной настройке ведут со строго фиксированным значением момента затяжки. При этом расчет компенсационного элемента для компенсации аддитивной температурной погрешности, производят с учетом дополнительной температурной погрешности, появляющейся в связи с чувствительностью датчика к моменту затяжки. Это становится возможным в связи с тем, что дополнительная аддитивная температурная погрешности от момента затяжки относится к систематической, так как является результатом конструктивного исполнения датчика.
Однако, если установка датчика на изделии будет производится с другим моментом затяжки, то в силу принципиально нелинейной характеристики начального уровня выходного сигнала датчика от момента затяжки, при его эксплуатации появляется дополнительная аддитивная температурная погрешность. Поэтому необходимым условием при температурных испытаниях и эксплуатации датчика является строгая установка последнего с заданным моментом затяжки. Обычно для таких датчиков величина момента затяжки и допуск на нее оговаривается в технических условиях и инструкции по эксплуатации.
Зная аддитивную температурную чувствительность датчика от момента затяжки, можно приступить к решению вопроса минимизации данной погрешности.
Для оценки влияния момента затяжки на аддитивную температурную погрешность, датчик устанавливают в штуцер при моменте затяжки Мк, отраженном в технической документации, и снимают выходной сигнал при воздействии номинального измеряемого параметра UH0M (девиация выходного сигнала). Затем устанавливают датчик в штуцер с минимально допустимым значением момента затяжки Мктіп и определяют значение начального выходного сигнала U0\. Повторяют испытание при максимально допустимом значении момента затяжки Мктах и определяют значение начального выходного сигнала /02- По полученным данным рассчитывают аддитивную чувствительность датчика к моменту затяжки по формуле
Исходя из габаритных размеров посадочного места датчика, штуцера и уплотнительной прокладки, а также физических характеристик материалов из которых они изготовлены, согласно [35] и [4] рассчитывают осевое усилие Q в резьбовой части датчика при установке с заданным моментом затяжки и изменение осевого усилия AQt при изменении температуры в рабочем диапазоне температур. Подставляя в выражение (2.11) полученные значения S0M, Q и AQ можно определить значение аддитивной температурной чувствительности датчика по формулегде AU0M=UQ2 - UQ\ - девиация начальных выходных сигналов при установкедатчика в технологическое посадочное место с максимальным и минимальным моментами затяжки соответственно; АМк=Мктах — МктіП - девиация момента затяжки при установке датчика втехнологическое посадочное место; В связи с тем, что расчет компенсационных резисторов в обоих методах минимизации аддитивной температурной погрешности производится через ТКС мостовой цепи, то, для учета влияния момента затяжки при расчете компенсационного резистора, необходимо перевести аддитивную температурную чувствительности датчика от момента затяжки в ТКС мостовой цепи от момента затяжки.
Аддитивная температурная чувствительность датчика от ТКС тензоре-зисторов определяется согласно (1.15). По аналогии с определением температурной чувствительности датчика от ТКС тензорезисторов, запишем выражение температурной чувствительности датчика к влиянию момента затяжки SotM через ТКС мостовой цепи от влияния момента затяжки агм в виде:
Разработка косвенных способов компенсации аддитивной температурной погрешности с использованием термонезависимого компенсационного резистора
При разработке методов компенсации аддитивной температурной погрешности металлопленочных тензорезисторных датчиков с использованием термонезависимого компенсационного резистора RM, включаемого параллельно рабочему тензорезистору в определенное плечо мостовой цепи с последующей ее балансировкой, все теоретические предпосылки, касающиеся методов настройки и требований к балансировочному резистору, аналогичны предпосылкам при компенсации термозависимым резистором Щ. Отличие состоит лишь в требованиях, предъявляемых к термонезависимому компенсационному резистору Яш и выводе аналитических выражений для расчета его номинала.
Способы предварительной балансировки и выбор плеча установки термонезависимого резистора показаны в параграфе 2.1. После определения плеча подключения компенсационного резистора определяют плечо подключения балансировочного резистора из условия знака начального выходного сигнала при подключении компенсационного резистора. При подключении термонезависимого компенсационного резистора в плечи воспринимающие деформацию растяжения (плечо R\ или .) начальный выходной сигнал будет изменяться в отрицательную сторону, тогда балансировочный резистор необходимо включать либо в то же плечо, последовательно с параллельным соединением рабочего тензорезистора и компенсационного резистора, либо в противоположное плечо последовательно с рабочим тензорезистором, то есть в плечи воспринимающие деформацию растяжения (плечо R і или R4). При подключении термонезависимого компенсационного резистора в плечи воспринимающие деформацию сжатия (плечо R2 или R3) начальный выходной сигнал будет изменяться в положительную сторону, тогда, соответственно, балансировочный резистор необходимо включать в плечи воспринимающие деформацию сжатия (плечо Яг или R$).
Расчет ТКС всех элементов измерительной цепи производят через изменения начального выходного сигнала датчика без включения компенсационного резистора и при включении технологического термонезависимого компенсационного резистора Rmm и последующей балансировкой термонезависимым балансировочным резистором Re, в ранее выбранное плечо. Величина резистора Лшт должна быть заведомо меньшей, чем необходимо для компенсации аддитивной температурной погрешности, но не менее пяти номиналов сопротивления плеча, в которое подключается компенсационный резистор. Для эффективной компенсации, ТКС компенсационного резистора выбирается максимально близким к нулю, по аналогии с балансировочным резистором в пределах ±0,1% ТКС рабочих тензорезисторов, и по аналогии с балансировочным резистором определяется место его установки в датчике.
Расчет номинала компенсационного ; резистора производят исходя из того, что аддитивная температурная погрешность сбалансированной мостовой схемы зависит только от равенства сумм ТКС тензорезисторов попарно расположенных в противолежащих плечах мостовой схемы. При этом рассчитывают ТКС всех плеч мостовой цепи с учетом изменения их ТКС при подключении компенсационного и балансировочного резисторов.
Рабочий компенсационный резистор расчетной величины устанавливается в мостовую цепь путем замены в мостовой цепи технологического компен сационного резистора Дшш на расчетное значение RM, и производят окончательную балансировку мостовой цепи термонезависимым резистором, путем замены балансировочного резистора R6, установленного при балансировке мостовой цепи после подключения технологического компенсационного резистора Rutm, на резистор, необходимый для балансировки после установки рабочего компенсационного резистора RM. Номинал рабочего балансировочного резистора определяется экспериментальным путем после подключения переменного резистора в выбранное плечо.
Приведем вывод выражения для расчета номинала термонезависимого компенсационного резистора Rm, подключаемого в плечо R\, при одновременной балансировке мостовой цепи термонезависимым балансировочным резистором R6, подключаемым в плечо R\, последовательно с параллельным соединением рабочего тензорезистора и компенсационного резистора RM. При параллельном подключении компенсационного резистора RM к тензоре-зистору R\ сопротивление плеча станет подключении термонезависимого балансировочного резистора Re к параллельному соединению тензорезистора R\ и компенсационного резистора R номинал балансировочного резистора можно определить из условия баланса мостовой цепи
Откуда величина балансировочного резистора определится какДля сбалансированной мостовой цепи Rl-R4=R2-R3, после подключения компенсационного и балансировочного резисторов, общее сопротивление плеча можно определить как
Приращение общего сопротивление плеча Я0бщ\ при изменении температуры на АТ= Т— Т0, можно определить какрассчитать номинал компенсационного резистора с учетом последующей балансировки мостовой цепи термонезависимым резистором RQ.
Анализ выражения (3.22) показывает, что для расчета номинала компенсационного резистора необходимо определить, через изменения начального выходного сигнала при изменении температуры: ТКС плеча мостовой цепи, в которое включается компенсационный и балансировочный резисторы а і и выражение сс2 + а3 - а4. То есть для реализации данного условия необходимо определить ТКСы всех тензорезисторов, что потребует составления четырех независимых уравнений, через экспериментально определенные начальные выходные сигналы датчика. Это возможно только при определении начальных выходных сигналов при подключении трех, отличных по номиналу, но с одинаковыми ТКС, технологических компенсационных резисторов, с после
Исследование и разработка способов выявления механизма возникновения температурных погрешностей при работе датчика в нестационарных температурных режимах эксплуатации
Рассмотренный в предыдущем параграфе способ оценки аддитивной погрешности тензорезисторных датчиков при воздействии нестационарных тепловых режимов несет информацию о характере изменения начального уровня выходного сигнала во времени и позволяет оценить ее количественные характеристики, но определить физику возникновения и механизм образования температурной погрешности не позволяет. И как результат, невозможно наметить пути ее минимизации. Поэтому была поставлена задача разработки метода выявления механизма образования аддитивной температурной погрешности тензорезисторного датчика с мостовой измерительной цепью, который позволил бы выявить механизм образования этой погрешности, с целью определения путей ее минимизации.
Исходя из предположения о том, что причиной возникновения аддитивной температурной погрешности тензорезисторных датчиков давления при воздействии нестационарных температур являются неравномерности темпе ратурного поля и поля температурных деформаций в местах установки тен-зорезисторов, была проведена оценка поведения каждого из четырех тензоре-зисторов в процессе термоудара. Для эксперимента был выбран датчик ВТ-206 с УЭ в виде жесткозащемленной мембраны с массивной цилиндрической заделкой. Данный тип датчика был выбран для проведения эксперимента по следующим причинам:
- датчики в виде жесткозащемленной мембраны имеют ярко выраженный характер изменения начального выходного сигнала при воздействии термоудара (см. рис. П18), что позволяет проанализировать все фазы термостабилизации УЭ;
- металлопленочное исполнение позволяет получить минимальные размеры УЭ, а, следовательно, и минимальные температурные погрешности (см. рис. П18), что позволяет распространить сделанные выводы по экспериментальным данным и на другие типы датчиков, с большими температурными погрешностями.
Конструкция датчика ВТ-206 представлена на рис. 4.2, где: 1 - упругий элемент; 2 - переходная колодка; 3 - корпус датчика.
Топология измерительной схемы датчика ВТ-206 представлена на рис. 4.3, где: 1 - тензорезисторы, выполненные напылением из материала Х20Н75Ю; 2 - контактные площадки выполненные напылением из где Д#І - текущее значение абсолютного приращения сопротивления тензо-резистора; Л# - абсолютное приращение калибровочного резистора М1-М4 (см. рис. 4.6) в момент калибровки; h{ - текущее значение ординаты расшифровываемой точки на осциллограмме (см. рис. 4.6); hk - значение ординаты калибровочного импульса на осциллограмме. Результаты испытаний по выявлению механизма возникновения температурных погрешностей тензорезисторных датчиков давления при нестационарном температурном режиме представлены на осциллограмме рис. 4.5 и в таблице 4.1.
Анализируя данные осциллограммы, приведенной на рис. 4.5, и данные таблицы 4.1, можно отметить пять характерных участков изменения сопротивления тензорезисторов при воздействии температурного скачка.1. Первый участок характеризуется резким изменением начального значения сопротивления тензорезисторов в момент попадания жидкого азота намембрану, кривизна которого по истечении 3-4 с. вторично изменяется и после этого принимает плавный характер. Это объясняется тем, что в моментрезультате этого - резкое охлаждение УЭ (мембраны) и соответственно тензорезисторов, установленных на ней. Однако, в виду большой разницы между температурой УЭ и рабочей средой (жидкий азот), температурный напорпревышает значение, допустимое для пузырькового характера кипения. В результате этого пузырьковое кипение переходит к пленочному, при котороммежду УЭ и рабочей средой появляется паровая пленка. Так как пароваяпленка обладает высоким тепловым сопротивлением, то в момент смены режима кипения происходит резкое снижение интенсивности теплоотдачи отУЭ к рабочей жидкости и уменьшение интенсивности охлаждения УЭ, а,следовательно, и установленных на нем тензорезисторов. Это нашло свое отражение во вторичном резком изменении наклона характеристики изменениясопротивления тензорезисторов (см. фиг. 5). Так как изменение режимов кипения носит кризисный характер, то в теплотехнике данное явление носитназвание первого кризиса кипения.2. Второй участок характеризуется плавным переходом от первого участка с кризисным характером кипения жидкого азота к третьему, с экспоненциальным изменением сопротивления тензорезисторов во времени. Этот участок носит название неупорядоченной стадии (нерегулярный режим) процесса охлаждения.
Так как процесс охлаждения в теплотехнике описывается выражениемгде Ап - постоянный коэффициент, определенный для каждого члена ряда зависящий от начальных условий; U„ - коэффициент, учитывающий геометрическую форму датчика; тп - постоянное вещественное положительное число, зависящее от корня характеристического уравнения и геометрии УЭ; п=1,2,...,оо - последовательный ряд чисел; tc - температура рабочей среды; то при малых значениях т (времени), распределение температуры внутри УЭ и скорость ее изменения во времени в отдельных точках УЭ зависят от особенностей начального распределения температур. В этом случае поле температур в УЭ определяется не только первым, но и последующими членами ряда уравнения (4.19). А в связи с тем, что число тп изменяется от номера индекса ряда в зависимости т\ т2 шз ... тп, то с течением времени т последующие члены ряда будут быстро убывать, т.е. становятся быстросхо-дящимися. Начиная с некоторого момента времени, начальные условия играют второстепенную роль, и процесс будет описываться первым членом ряда (4.19) и иметь экспоненциальный характер.
В связи с тем, что нерегулярный режим охлаждения происходит одновременно с первым режимом, имеющим кризисный характер кипения, то:- во-первых, общий характер изменения сопротивления рабочих тензо-резисторов за счет сложения этих двух процессов имеет более плавный характер, чем при воздействии только первого фактора;- во- вторых, длительность чисто нерегулярного процесса за счет его совмещения с первым участком резко сокращается и у датчиков с мембранным УЭ не превышает 4с. (см. таблицу 4.1). Iполей и полей температурных деформаций, так и их временной сдвиг относительно друг друга. Откуда следует вывод, что для минимизации температурных погрешностей в нестационарных тепловых режимах работы датчика необходимо размещать тензорезисторы мостовой измерительной цепи в одинаковых
Похожие диссертации на Исследование и разработка способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков механических величин
