Исследование влияния температуры на измерительный преобразователь частотного датчика давления

УДК 681.586

М. Ю. СОРОКИН, В. А. ТИХОНЕНКОВ

• а

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Исследуется изменение статической характеристики измерительного преобразователя давления с вибрирующим элементом в виде профилированной пластинки при воздействии температуры, производится оценка уровня погрешности, вносимой изменением температуры вибрирующего элемента.

В процессе эксплуатации датчик всегда располагается непосредственно на объекте измерения, поэтому на него одновременно с измеряемым параметром действует большое количество других дестабилизирующих факторов. Воздействуя на датчик, дестабилизирующие факторы вызывают дополнительное изменение выходного сигнала, которое обусловливает появление дополнительных погрешностей. Одним из наиболее существенных дестабилизирующих факторов в процессе эксплуатации датчиковой аппаратуры является температура. А вопрос уменьшения погрешностей от воздействия температуры при разработке датчиковой аппаратуры всегда являлся наиболее актуальным [1,2].

Данная работа ориентирована на исследование влияния температуры на статическую характеристику разрабатываемого измерительного преобразователя частотного датчика давления.

Рассматриваемый измерительный преобразователь представляет собой резонатор в виде профилированной пластинки, закреплённый на измерительной мембране посредством «подставок» на некотором расстоянии от мембраны. Работа преобразователя заключается в следующем: измеряемое давление подается на мембрану, которая деформируется (прогибается), деформация передаётся через «подставки» на резонатор. Вследствие изменения жёсткости резонатора меняется собственная частота колебаний [3].

Резонатор совершает изгибные колебания в режиме автоколебаний, т. е. идёт поддержание колебаний приблизительно одной амплитуды за счёт создания положительной обратной связи между резонатором и схемой возбуждения колебаний посредством обратного преобразователя [4]. Возбуждение колебаний является электростатическим, одним электродом является сама пластинка (резонатор), на которую подаётся постоянное напряжение определённой величины, а на другой электрод, расположенный на некотором расстоянии, подаётся синусоидальное напряжение такой амплитуды, которой достаточно для поддержания колебаний, и частотой, близкой к частоте собственных колебаний пластинки с учётом сил натяжения, действующих на пластинку вследствие изменения величины измеряемого давления. Регистрация колебаний осуществляется ёмкостным способом, который основан на изменении ёмко-

© М. Ю. Сорокин, В. А. Тихоненков, 2005

сти при колебаниях между электродами: одним электродом опять-таки является резонатор, а другой электрод расположен на некотором расстоянии от резонатора и электрода возбуждения.

Измерительный преобразователь изготовлен из монокристаллического кремния, механические характеристики которого соответствуют приведённым в работе [5], которая посвящена созданию струнного преобразователя из монокристалла кремния. Кристаллографическая система монокристалла кремния аналогична алмазной решётке, значения коэффициента линейного расширения взяты из [6], табл. 1.

Таблица 1 Коэффициент линейного расширения

монокристалла кремния

Температура Т, К 80 100 310 1273

Коэффициент линейного расширения а, 10'6 К"1 0.77 0 2.33 4.8

Согласно проведённым ранее теоретическим исследованиям [3] наибольшее влияние на характеристики измерительного преобразователя оказывает толщина вибрирующего элемента и толщина измерительной мембраны, которые могут изменяться от образца к образцу в силу технологических допусков на изготовление измерительного преобразователя. Дальнейшая работа по определению температурной погрешности проводилась при номинальной толщине резонатора 20 мкм и при номинальной толщине мембраны 110 мкм.

Исследования проводились путём математического моделирования при следующих допущениях:

> исходная температура измерительного преобразователя принималась равной 293 К (т. е. при этой температуре отсутствуют остаточные механические напряжения, геометрические размеры измерительного преобразователя соответствуют исходным размерам);

> рассматривался только стационарный тепловой режим работы измерительного преобразо-

ч вателя, т. е. температура постоянна по всему объёму измерительного преобразователя.

Результаты математического моделирования приведены в табл. 2, показано изменение частоты собственных колебаний от измеряемого давления и температуры вибрирующего элемента при номинальных геометрических размерах измерительного преобразователя.

Как видно из приведённых результатов, наблюдается существенная аддитивная погрешность (уход начального уровня выходного сигнала) при воздействии температуры, так при уменьшении температуры на 80°С от номинальной уход частоты собственных колебаний составляет 464 Гц при общей девиации частоты 2428 Гц, что составляет 19.11%, а во всём диапазоне температур аддитивная температурная погрешность составляет 38.05%, а аддитивная температурная чувствительность £0, равна 31.7-1 (Г4 1/°С, мультипликативная погрешность равна 6.05%, мультипликативная температурная чувствительность 5*, равна 5 ТО'4 1/°С. Указанная величина является типичной для ряда преобразователей, в которых отсутствует температурная компенсация. Уровень необходимой температурной компенсации, а, значит, и точность определения температуры вибрирующего элемента, полностью определяется необходимой точностью измерения первичного преобразователя.

На собственную частоту колебаний вследствие изменения температуры наибольшее влияние оказывает измерительная мембрана и сам резонатор, частота собственных колебаний изменяется в результате изменения модулей упругости второго порядка монокристалла кремния и изменения геометрических размеров преобразователя вследствие линейного расширения кремния. Само по себе изменение модулей упругости монокристалла приводит к незначительному изменению частоты собственных колебаний, например, для резонатора толщиной 20 мкм начальная частота собственных колебаний (при отсутствии измеряемого давления) для температуры 213 К составляет 52617 Гц, для 293 К - 52555 Гц, для 333 К

- 52488 Гц.

Другими словами, аддитивная погрешность в этом случае равна 5.31%, а аддитивная температурная чувствительность £0, равна 4.43-10’4 1/°С, что в несколько раз меньше приведённых ранее значений. С учётом изменения геометрических размеров измерительного преобразователя от температуры и изменения модулей упругости эти значения равны 53019, 52555 и 52095 Гц соответственно.

Таким образом, основной источник погрешности

- изменение геометрических размеров измерительного преобразователя. В настоящее время нашли наибольшее распространение следующие способы ми-

нимизации температурной погрешности. Первый способ состоит в изменении конструкции закрепления резонатора, что возможно приведёт к уменьшению чувствительности измерения давления. Второй способ заключается в программной компенсации путём измерения температуры измерительного преобразователя (или отдельных элементов) с последующей коррекцией значения собственной частоты колебаний. И третий способ заключается в термостатиро-вании измерительного преобразователя. Например, поддерживается постоянная температура +55°С, а оставшиеся 5 градусов от рабочего диапазона температур компенсируются уже программным способом.

Наиболее оптимальным является регистрация температуры измерительной мембраны, поскольку изменение температурного режима измерительного преобразователя происходит от окружающей среды именно с измерительной мембраны. Другими словами, схема распространения тепла (либо наоборот, отбор тепла) такова: происходит воздействие некоторой температуры на измерительную мембрану, из-за малой толщины она достаточно быстро изменяет температуру, далее тепловые потоки по «подставкам» достигают резонатора, который также в силу малой массы быстро изменяет свою температуру, а, следовательно, и характеристики. Преобразователь является преобразователем абсолютного давления и состоит из трёх частей: «измерительная мембрана -вибрирующий элемент - крышка». Изменение температуры крышки происходит с относительно большим запаздыванием по сравнению с изменением температуры резонатора и измерительной мембраны.

В силу технологических трудностей единственно возможным способом регистрации температуры является измерение температуры крышки измерительного преобразователя (т. е. элемента с расположенными на нём электродами).

Дальнейшая работа по разработке измерительного преобразователя нацелена на изучение способов минимизации температурной погрешности, и в особенности аддитивной составляющей, поскольку именно температурный уход начальной частоты собственных колебаний вибрирующего элемента (при отсутствии измеряемого параметра) имеет большее значение.

Таблица 2

Результаты моделирования влияния температуры при номинальных размерах преобразователя

Темпе- Ч Измеряемое давление Р, кПа

ратура Т,К 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 364

213 53019 53266 53508 53746 53979 54208 54432 54653 54869 55082 55374

293 52555 52810 53060 53306 53546 53782 54013 54241 54464 54683 54983

333 52095 52351 52617 52870 53118 53361 53600 53833 54063 54289 54597

1. Тихоненков, В. А. Температурные погрешности тензорезисторных датчиков и методы их компенсации: учебное пособие / В. А. Тихоненков, А. И. Тихонов. - Ульяновск: УлГТУ, 1996.

2. Тихоненков, В. А. Температурные погрешности датчиков механических величин при воздействии нестационарных тепловых полей / В. А. Тихоненков. -Ульяновск: УлГТУ, 1998.

3. Сорокин, М. Ю., Тихоненков, В. А. Исследование конструкции монокристаллического упругого элемента частотного датчика давления // Научно-технический калейдоскоп. - 2004. - № 2.

4. Боднер, В. А. Приборы первичной информации: учебник для авиационных вузов / В. А. Боднер. - М.: Машиностроение, 1981.

5. Отчёт по НИР «Разработка малогабаритного прецизионного частотного датчика давления с моно-кристаллическим кремниевым тензометром струнного типа», гос. № 01880049111.- Львов, 1990.

6. Структура и свойства металлов и сплавов/под ред. Тихонова Л. В., Кононенко В. А., Прокопенко

Г. И., Рафаловского В. А. - Киев: Наукова думка, 1986.

7. Ваганов, В. И. Интегральные тензопреобразователи /В. И. Ваганов - М.: Энергоатомиздат, 1983.

Михаил Юрьевич Сорокин, аспирант кафедры ИВК УлГТУ.

Владимир Андреевич Тихоненков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ.

\