Измерение давления

    Несмотря  на ряд очевидных достоинств (высокая точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, применимость для изготовления небольших серий) фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительную дороговизну, в связи с жесткими допусками на изготовление; невысокую тензочувствительность, свойственную всем металлическим тензорезисторам (k ≈ 2), что требует соответствующего усиления; ограниченные диапазон температур и возможности миниатюризации.

    Тонкопленочные  тензорезисторы. Дальнейшие возможности развития тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техника, получившая в последнее время распространение в различных областях микроэлектроники, в которой, в отличие от фольговой техники, перед нанесением на подложку проводящего материала тензорезисторов на поверхность УЧЭ наносится изоляционный слой, толщиной в несколько мкм, затем низкоомные проводники монтажной схемы и, в последнюю очередь, сам тензорезистор. При этом применяются методы напыления в вакууме, плазменной активации паров требуемых химических веществ и пр., которые позволяют наносить не только металлические пленки, но и поликристаллические материалы с повышенным коэффициентом тензочувствительности (k=30-50). Все это позволяет существенно уменьшить размеры УЧЭ при одновременном уменьшении диапазона измерений. Однако сложность технологии изготовления требует значительных затрат на оборудование. Поэтому изготовление тонкопленочных тензорезисторов рентабельно только при условии их массового производства

    В отличие от металлических тензорезисторов, сопротивление которых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупроводниковых  тензорезисторах  чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон значений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазонах от 10^-5 до 10^-8 Ом.м, а диэлектриков от 10¹⁰ до 10¹⁰ Ом.м., то диапазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10^-5 до 10⁴, т. е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивление полупроводников существенно зависит от содержания в них примесей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном на правлении. Примеси, которые создают в полупроводнике свободные электроны, называют донорными, а сам полупроводник называют n-типа (от „негатив” — отрицательный). Примеси, которые захватывают валентный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает „дырка”, называют акцепторными (принимающим), а проводимость про водника р-типа (от „позитив” — положительный). Количество свободных носителей зарядов (электронов и дырок) определяет проводимость, а, следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность удельного сопротивления полупроводникового тензорезистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопротивления под влиянием изменения поперечного сечения.

    Конструктивное  выполнение полупроводниковых тензорезисторов  аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 11, а). Те же технологические приемы применяются и при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

1. полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изолирующую сапфировую подложку (КНС структура);
2. полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК структура).

    В зависимости от конструктивного  исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для  измерения абсолютного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений.

    Преимуществами  тензорезистивных полупроводниковых преобразователей является: высокий коэффициент тензочувствительности; возможность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники.

    К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосерийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее особенно важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, максимальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.

    Манометры с силовой компенсацией

    Все рассмотренные выше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления (см. рис. 7, а). Метод уравновешивающего преобразования давления (см. рис. 7, б), хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой находят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая компенсация).

    При этом во время уравновешивания силы, возникающей в первичном ЧЭ под действием измеряемого давления, силой, развиваемой цепью обратной связи, происходит незначительное перемещение первичного ЧЭ, независимо от его жесткости, что позволяет в широких пределах варьировать чувствительность измеряемой системы. 

    1.3.5. Перспективы развития деформационных манометров 

    По  принципу действия деформационные манометры  требуют для своей градуировки  применения методов и средств, основанных на абсолютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке жидкостных и поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностями порядка 1 • 10^-5 - 5 • 10^-5. Это позволило уже в настоящее время создать образцовые деформационные манометры, погрешности которых не превышают 2,5• 10^-4 - 5 • 10^-4 (0,025—0,05 %).

    Одно  из важнейших направлений развития точных деформационных манометров —  разработка портативных образцовых переносных манометров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации.

    Переносной  манометр содержит переключатели единиц измерений и диапазонов измерений, ручной насос, регулятор объема, корректор  нуля и штуцер для подключения измеряемого давления. Питание прибора осуществляется от батареек напряжением 12В или от внешнего источника питания.

    Однако  основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслей промышленности в измерении давления, так как в каждой отрасли существуют свои требования к условиям эксплуатации, формам представления информации, точности и надежности, необходимым габаритным размерам и массе, стоимости приборов и пр. Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, специфика которых определяется их назначением и принципом действия.

    Деформационные  манометры, основанные на электрических  методах преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обеспечивая достаточно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методов защиты их электрических цепей от воздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоянии УЧЭ и электроники.

    Дальнейшее  развитие получают металлические и полупроводниковые тензорезистивные деформационные манометры.

    Технология  изготовления кремниевых полупроводниковых  тензодатчиков в настоящее время  отработана достаточно хорошо и ее совершенствование будет продолжаться по мере развития микроэлектроники, Однако при температуре выше 200°С полупроводниковый кремний теряет свою тензочувствительность, превращаясь в обычный проводник, что не допускает их применение в условиях высоких температур (внутри работающих автомобильных и реактивных двигателей, в буровых установках глубокого бурения и пр.). Весьма перспективна для этих целей замена кремния на карбид кремния (карборунд). В настоящее время уже созданы транзисторы из карбида кремния на подложке из его окислов, нанесенной на металлическую мембрану. Полупроводниковые свойства такого тензорезистора при температуре 650°С аналогичны свойствам обычного кремниевого тензорезистора при температуре 20°С.

    В настоящее время проводятся также  разработки полупроводниковых тензорезисторов, предназначенных для работы в условиях низких температур (сверхпроводящие магнитные системы термоядерных установок, криогенные накопители энергии, реактивные двигатели на сжиженном водороде и пр.) в диапазоне от 2 до 100К (от -271 до -173° С). В этих условиях чистые полупроводники превращаются в диэлектрики. Введение в кремний примесей позволяет сохранить тензочувствительность, хотя она существенно снижается. В нашей стране разработан датчик такого типа.  

    Глава 2. МЕТОДЫ КОСВЕННЫХ  ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ 

    В отличие от методов прямых измерений давления, на которых основаны рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформационные манометры, методы косвенных базируются на измерении физических величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давлением известными физическими закономерностями, или на изменении физических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопроводности, вязкости, электропроводности и пр.).

    Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы измерения давления трудно осуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвысоких давлений.  

2.1. Косвенные методы, основанные на  уравнении состояния  идеального газа 

    Связь между важнейшими термодинамическими параметрами газа определяется соотношением 

    pV   = const, (8)

                                                           T

    где р — абсолютное давление газа; Т — абсолютная температура газа; V — объем, занимаемый газом.

    Соотношение (8) называется объединенным газовым законом и формулируется следующим образом: при постоянной массе газа произведение объема на давление, деленное на абсолютную температуру газа, есть величина, одинаковая для всех состояний этой массы газа.

Уравнение состояния  для произвольной массы идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева) имеет вид

    pV= m • RT, (9)

                                                                  μ

    где т — масса газа; μ — масса одного киломоля газа; R — универсальная газовая постоянная.

    Для упрощения процесса измерения давления один из параметров состояния (Т или V) сохраняется постоянным. Тогда давление однозначно определяется по результатам измерения V или Т. Например, при измерении изменений атмосферного давления в баронивелировании нашли применение газовые барометры, принцип действия которых основан на использовании уравнения состояния газа (8) при постоянной температуре, т. е. при постоянной массе газа и неизменной температуре давление обратно пропорционально занимаемому газом объему.

    Принципиальная  схема газового барометра конструкции  Штриплинга изображена на рис. 8. Прибор состоит из двух камер, одна из которых 2 может быть сообщена с атмосферным давлением, а другая 3 замкнута. Обе камеры связаны между собой капилляром, в середине которого находится капля масла 1, выполняющая роль указателя нуля. При равенстве давлений в камерах капля устанавливается на нулевой отметке.

    Рис. 8. Принципиальная схема газового барометра 

    Равенство давлений достигается изменением объема камеры 3 посредством перемещения сильфона 4 с помощью винта и червячной передачи с отсчетом числа оборотов червяка по цифровому счетчику. При погрешности термостатирования 0,001°С изменения давления фиксируются с погрешностью менее 0,5 Па.

    В дифференциальном газовом барометре системы Д.И. Менделеева (рис. 9) изменение атмосферного давления определяется комбинированным методом. Барометр состоит из замкнутого сосуда 1, соединенного с давлением окружающего воздуха при помощи V-образного жидкостного манометра 2.  

    Рис. 9. Дифференциальный  газовый барометр 

    Барометр  основан на уравновешивании изменений атмосферного давления как столбом жидкости, так и сжатием (расширением) газа в замкнутом сосуде по закону Бойля-Мариотта. Как и ранее, необходимо тщательное термостатирование сосуда 1 или введение температурной поправки, равной 0,37 % на 1°С.

    Следует отметить, что рассмотренные выше газовые барометры в связи  с появлением высокоточных деформационных барометров аналогичного назначения в настоящее время практически не применяются. В отличие от этого в области вакуумных измерений указанный принцип находит широкое применение. Компрессионные („компрессия" — сжатие) и экспансионные („экспансия" - расширение) манометры являются основными средствами воспроизведения к передачи единицы давления в области вакуумных измерений в диапазоне от 10^-3 до 10³ Па (10^-5 -10 мм рт. ст.).