Использование датчика давления высокой чувствительности для измерения скорости подводного течения Текст научной статьи по специальности «Физика»

<------------- -------------------------------►

накопление вынос

Согласно величинам ПОН, наибольшее влияние на выращиваемую сельскохозяйственную культуру, по предварительной оценке, оказывают концентрации в почве Мо. В ландшафте увеличивается число выносимых химических элементов. Наиболее интенсивно выносится в соседние ландшафты Си, в меньших количествах -Ва иТ1.

Полученные результаты исследований целесообразно использовать для прогноза изменений содержания химических элементов в почвах при замене биогенных ландшафтов техногенными полеводческими.

Вся собранная информация позволяет сделать выводы:

1. Изменение концентраций химических элементов в почвах, обуславливаемое техногенным изменением биологического круговорота, зависит,

, -шафтно-геохимических факторов.

2. Количественная оценка накопления (выноса) химических элементов в почвах необходима для оптимального размещения техногенных ланд, ,

определения вида и количества вносимых химических удобрений. ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000.

2. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах. М.,1957.

3. Алексеенко ВА., Бофанова А.Б., Матасова ИМ. Количественная оценка накопления тяжелых металлов в почвах техногенных ландшафтов / Тезисы докладов II Международного совещания «Геохимия биосферы». Новороссийск, 1999.

УДК 531.782.2

В.В. Петров

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОДВОДНОГО

ТЕЧЕНИЯ

При оценке загрязнения вредными веществами вод Азовского моря на берегах которого сосредоточено большое количество источников загрязнения различной природы появилась необходимость в измерении скорости подводного течения. Исследования поверхностных и подводных течений Азовского моря показали, что последние могут оказывать существенное влияние на перераспределение загрязняющих веществ. Максимальные течения в Азовском море - до 1.5 узлов (0.77 м/с) - устанавливаются после сильных юго-западных ветров [1]. Однако обычные скорости течений меньше по величине, а скорости подводных течений могут лежать в диапазоне 0.005 - 0.15 м/с. В связи с тем, что глубина моря не превышает 15 м, а измеряемая скорость невелика, традиционные измерители скорости подводных течений, использующие эффект Доплера, и измерители, основанные на применении турбинок, не подходят для поставленной задачи [2].

Для измерения скорости подводных течений нами предлагается использовать метод переменного перепада давления.

Метод основан на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В качестве сужающих устройств используют разнообразные диафрагмы и сопла (рис.1).

Рис.1. Расположение диафрагмы в трубе (а) и график распределения статического давления при установке диафрагмы (б)

Диафрагма (рис. 1, а) представляет собой тонкий диск, установленный в тру,

сечения трубопровода. Давление потока со скоростью и перед диафрагмой несколько возрастает до Р1 и снижается до минимума Р2 за диафрагмой. Кроме этого, за счет потерь энергии на трение и завихрение, возникают потери давления Рп. На

практике измеряют разность давлений ДP=P1-P2 с помощью измерителей разности

давлений. Для несжимаемых жидкостей измеряемый перепад ДP будет определяться уравнением

АР

Р -Р

Г1 2

V2 ■ р

1

2 а2 ■

т

где а - коэффициент расхода; т

В2

квадрат отношения площадей сужаю-

щего устройства (ф и трубопровода (Б).

Задавшись средним значением а=0.9 и коэффициентом т, равным 0.05, получим значение перепада давления Др при скорости 0.005 м/с, равное 0.25 Па.

При скорости потока в 0.15 м/с Др приблизительно равно 230 Па. Для измерения таких давлений предлагается использовать описанные в работах [3,4] кремниевые .

, . 2,

, ,

расположенные определенным образом на рабочей стороне квадратной мембраны сенсора. При деформации мембраны под действием давления р величины сопротивления резисторов изменяют свое значение в сторону увеличения или уменьшения номинала, в зависимости от их расположения на мембране [5].

5

3

Рис. 2. Конструкция кремниевого сенсора давления, посаженного на кристаллодержатель: 1-мембрана, сформированная в кремниевом кристалле; 2-кремниевая шайба; 3-коваровый кристаллодержатель; 4-внутреняяразводка; 5-переходная плата; 6-провод типа МГТФ; 7-диффузионные тензорезисторы; 8-

пленочная металлизация

В большинстве случаев в качестве материала сенсора используют кремний n-типа проводимости с удельным сопротивлением 4,5 Ом*см и ориентацией (100).

Методами микроэлектронной технологии формируют диффузионные резисторы p-типа проводимости (7), вытравливают мембрану заданной толщины (1), формируют пленочную металлизацию (8). В дальнейшем, после закрепления кристалла на промежуточной кремниевой шайбе (2) и на кристаллодержателе (3),

(4).

платы (5) с помощью внешних выводов (6).

Кремниевый тензопреобразователь имеет, как правило, четыре тензорезисто-ра p-типа проводимости. Технологически подбирают такой уровень легирования и топологические размеры резисторов, чтобы номинал резисторов составлял не.

в мост Уитстона. Топология резисторов выбрана таким образом, что два резисто-, -ление при подаче давления, а оставшиеся два - уменьшают. Одна диагональ моста подключена к источнику постоянного тока, величина которого стабилизируется, другая диагональ моста является источником выходного напряжения, пропорционального измеряемому давлению.

По разработанной технологии были изготовлены кристаллы кремниевых

6 6 2 18-23 . -

сталлы через кремниевую прокладку были приклеены на коваровый кристаллодержатель (рис.2) [4]. В дальнейшем, такие образцы испытывались на давление и . , имеют высокую тензочувствительность - до 4.9 мкВШа*В. При питании таких

10 0.25

12 , 200 - 10 .

, , -пользовать в качестве датчиков разности давлений для измерения перепада давления Д Р в предлагаемом методе измере ния скорости подводного течения. Температурные испытания показали, что величина температурного дрейфа разработанных кристаллов не превышает величины 0.26%/ 0С, в связи с чем необходимо предусматривать температурную компенсацию выходного сигнала сенсора.

Используя представленный в данной работе кремниевый датчик давления, можно разработать конструкцию датчика разности давлений для измерения скорости подводного течения, которая представлена на рис.8. Два кремниевых кристалла (1), , (2). сторону мембраны одного из кристаллов подается давление Р1, на нерабочую сторону мембраны другого - давление Р2. Выходной сигнал с обоих датчиков подается на предварительный усилитель (3), где формируется разностный сигнал, пропорциональный разнице давления Р1-Р2. Предварительный усилитель и датчики давле-

(4). , -

рое закрывается тонкой резиновой мембраной (5). Герметичность закрепления ре-

(6).

мембрану на рабочую сторону кристаллов датчиков давления передается статическое давление Рстат столба жидкости. Давления Р^ Р2 содержат в себе сумму давлений: статического давления столба жидкости Рстат и разность давлений ДР, зависящую от скорости течения и возникающую за счет наличия диафрагмы. Давление Рстат в несколько раз больше по величине, чем разность давлений ДР, поэтому от влияния давления Рстат необходимо избавиться. Это обеспечивается наличием резиновой мембраны. Вода передает через резиновую мембрану давление Рстат возду-, .

, ДР.

предварительного усилителя выходной сигнал, пропорциональный только разности давлений ДР, через герметический вывод (7) по кабелю (8) передается к электрон.

Датчик разности давлений, конструкция которого представлена на рис.3, крепится на трубе, на которой находится сужающая диафрагма, формирующая давле-Р1 Р2.

С помощью системы погружения датчик с трубой перемещается на необхо-, .

Данная работа частично поддержана Американским фондом гражданских исследований (СКОР).

Рис. 3. Конструкция датчика разности давлений: 1-Кремниевый кристалл датчика давления на кристаллодержателе;2-меттлическое основание; 3-предварительныйусилитель; 4 - крышка основания; 5 - резиновая мембрана; 6 -металлическая шайба; 7 - герметичный вывод; 8 - кабель

ЛИТЕРАТУРА

1. Шлыгин КА. Популярная гидрометеорология и судовождение. М.: Транспорт. 1987. 192с.

2. Кулаков М.В. Технология измерения и приборы для химических производств. М: Машиностроение. 1983. 424с.

3. Петров В. В., Котов В. Н. Высокочувствительный сенсор давления./ Известия ТРТУ №2, 1999. С.175-176.

4. Петров В.В. Особенности конструкции чувствительного элемента датчика малых давлений / Труды 6-й Международной научно-технической конференции «ПЭМ-99»; Дивноморское. Россия. 6-11сент. 1999г. Таганрог: Изд-во ТРТУ. С.122-123.

5. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. 138с.

УДК 658.512.2.011.5.

СX. Крутчинский, Д.Г. Чибизов

ЭКОНОМИЧНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ГИБРИДНЫЙ ФКБ ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ МИКРОСЕНСОРОВ

Неотъемлемой частью прогнозирующих и диагностических комплексов являются системы первичной обработки сигналов (СПОС) сенсоров. В работе [1]

,

с применением линейки циклически работающих фильтров Калмана-Бьюси (ФКБ) [1]. Одним из перспективных направлений развития СПОС является создание мик, -ботки сигнала располагаются на одном кристалле. В указанном случае к ФКБ будут предъявляться жесткие требования по энергопотреблению и быстродействию. Требования к низкому энергопотреблению обуславливаются температурным ре-