ES2246565T3 - Captador de presion con compensacion de la no linealidad de la deriva de cero a temperaturas muy bajas. - Google Patents
Captador de presion con compensacion de la no linealidad de la deriva de cero a temperaturas muy bajas.Info
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Abstract
Para realizar una compensación de la no linealidad de la deriva de cero del puente al muy bajas temperaturas, en al menos una de las ramas del puente (10) el calibre extensométrico está en serie con una resistencia (c), por ejemplo un cordón de conexión que tiene un valor muy inferior al del calibre y sobre el cual está conectado en paralelo un circuito de compensación,. Que comprende un elemento resistivo, por ejemplo una sonda de platino, cuya resistencia varía en función de la temperatura para influir sobre el valor de la resistencia sobre el cual está conectado en paralelo, en el campo de las temperaturas muy bajas, de manera sensible y creciente cuando la temperatura se reduce.
Description
Captador de presión con compensación de la no
linealidad de la deriva de cero a temperaturas muy bajas.
La presente invención se refiere a un captador de
presión del tipo que comprende unas galgas extensométricas montadas
respectivamente en las ramas de un puente de Wheatstone.
El campo más particularmente previsto es el de
los captadores de presión utilizables a temperaturas muy bajas,
típicamente unas temperaturas inferiores a la de ebullición del
nitrógeno, y que pueden descender hasta algunos grados Kelvin.
Un problema bien conocido de los captadores de
presión con galgas extensométricas montadas en puente de Wheatstone
es el de la deriva de cero del puente en función de la
temperatura.
Para resolver este problema, se recurre
generalmente a unas redes de compensación conectadas a las entradas
y/o salidas del puente. Estas redes, que utilizan por lo menos un
elemento sensible a la temperatura, están habitualmente ideadas para
realizar una compensación de tipo lineal, siendo la deriva térmica
de los puentes de galgas sensiblemente lineal en las zonas de
temperaturas usuales.
El documento
JP-A-62 121 302 describe un circuito
con cuatro galgas montadas en las ramas de un puente de Wheatstone.
En un vértice del puente, están previstos dos elementos resistivos
dispuestos en paralelo para compensar la deriva del puente en
función de la temperatura.
Una dificultad suplementaria surge cuando los
captadores de presión son utilizados a temperaturas muy bajas. En
efecto, la deriva térmica de los puentes de galgas resulta no
lineal, y esta no linealidad se incrementa cuando la temperatura
decrece. Esto está ilustrado en la figura 1 que muestra la
evolución, en función de la temperatura, de la tensión de salida de
un puente de galgas constituidas por unos depósitos de
níquel-cromo en capa delgada sobre un substrato de
silicio, estando el puente equilibrado (tensión de salida nula) para
una temperatura de 22ºC.
Las redes de compensación usuales resultan
ineficaces, y es por tanto que las termistancias utilizadas
habitualmente presentan a menudo una resistencia que resulta
extremadamente elevada, casi infinita, cuando la temperatura resulta
inferior a -40ºC o -50ºC.
El problema que prevé resolver la presente
invención es compensar la no linealidad de la deriva térmica y, por
consiguiente, "linealizar" ésta a temperaturas muy bajas, en
particular a temperaturas inferiores al punto de ebullición del
nitrógeno, es decir inferiores a -196ºC aproximadamente.
Este problema se resuelve gracias a un captador
de presión como el definido en la reivindicación 1.
La resistencia sobre la cual el circuito de
compensación está conectado en paralelo tiene un valor muy inferior
a la de la galga extensométrica, a fin de no penalizar la extensión
de la zona de funcionamiento y la sensibilidad del puente. Por valor
muy inferior, se entiende aquí un valor inferior a 1/20, incluso
1/100 por lo menos de la resistencia de una galga
extensométrica.
Según una característica del captador de presión
de acuerdo con la invención, el circuito de compensación está
conectado en paralelo sobre una resistencia constituida por una rama
de conexión que conecta la galga extensométrica a un vértice del
puente.
Así, no es necesaria ninguna modificación del
puente para insertar el circuito de compensación. Se evitan así las
inestabilidades que podrían generarse si fuera necesaria una
apertura del puente con este fin.
Además, el circuito de compensación de no
linealidad puede así ser dispuesto lo más cerca posible del puente,
por tanto estar expuesto exactamente a las mismas condiciones de
temperatura que el puente.
Para compensar la no linealidad en el campo de
temperaturas muy bajas, es decir por debajo de -196ºC, el elemento
resistivo del circuito de compensación debe tener una resistencia
tal que influya la de la resistencia sobre la cual está conectado en
paralelo, y esto de manera creciente cuando la temperatura
disminuye. A este fin, es preferible que la relación entre la
resistencia del elemento resistivo y la de la resistencia sobre la
cual está conectado en paralelo sea como máximo igual a 100, cuando
la temperatura resulta inferior a -196ºC, y disminuye a continuación
cuando la temperatura decrece. Dicho elemento resistivo está por
ejemplo constituido por una sonda de platino.
En los planos anexos:
- la figura 1 ilustra la variación, en función de
la temperatura, de la deriva de cero de un captador de presión
constituido por un puente de galgas extensométricos, en ausencia de
compensación de deriva,
- la figura 2 es un esquema eléctrico de un modo
de realización de un captador de presión de acuerdo con la
invención, y
- la figura 3 ilustra la variación en función de
la temperatura, de la deriva de cero del captador de presión de la
figura 1, provisto de un circuito de compensación de no linealidad
de deriva térmica, de acuerdo con la invención.
La figura 2 ilustra el esquema de un captador de
presión que comprende cuatro galgas extensométricas J1, J2, J3, J4
insertadas respectivamente en las cuatro ramas de un puente de
Wheatstone 10. Las galgas J1 a J4 están conectadas cada una a dos
vértices adyacentes del puente por unas ramas de conexión
c.
Las galgas J1 a J4 y las ramas de conexión
c están constituidas por unos depósitos metálicos sobre un
substrato, por ejemplo de silicio, que forma parte del elemento
sensible del captador. De forma bien conocida, dos galgas montadas
en dos ramas opuestas del puente están dispuestas sobre el substrato
de manera que sean solicitadas en extensión, cuando el substrato es
sometido a una presión a medir, mientras que las otras dos galgas
están dispuestas de manera que sean solicitadas en compresión.
Las galgas J1 a J4 están por ejemplo constituidas
por unos depósitos de níquel-cromo, tan idénticos
como sea posible, mientras que las ramas de conexión c están
por ejemplo constituidas por unos depósitos de oro, también tan
idénticos como sea posible.
Los depósitos son realizados en capa delgada, por
ejemplo por proyección bajo vacío, siendo el cierre de del puente
realizado por los depósitos realizados.
Unos vértices opuestos +a y -a del puente están
conectados a unos bornes de alimentación +A y -A mientras que los
otros dos vértices +m y -m están conectados a unos bornes de
medición +M y -M. Una red de compensación 12 está interpuesta entre
los vértices +a, -a, +m, -m por una parte, y los bornes +A, -A, +M,
-M, por otra parte. La red de compensación 12 prevé realizar una
compensación de deriva lineal del captador de presión en función de
la temperatura. Se trata de una red resistiva, de tipo conocido, por
ejemplo tal como la descrita en el documento
FR-A-2 613 833.
Un circuito 20 de compensación de no linealidad
de deriva de cero del puente está conectado en paralelo sobre una
rama de conexión c que conecta una de las galgas del puente,
por ejemplo la galga J2, a uno de los dos vértices del puente
situado en los extremos de la rama que contiene la galga, por
ejemplo el vértice +m.
El circuito de compensación 20 comprende un
elemento resistivo P cuya resistencia es variable en función de la
temperatura, en particular en el campo de las temperaturas muy
bajas, es decir, típicamente, las temperaturas inferiores al punto
de ebullición del nitrógeno (-196ºC). Una resistencia de ajuste R
puede estar conectada en serie con el elemento resistivo P, en el
circuito de compensación, a fin de permitir un ajuste de la
compensación realizada.
El montaje del elemento resistivo en paralelo
sobre una parte constitutiva de la resistencia total de una rama del
puente permite influir de forma no lineal en el comportamiento del
puente, por tanto realizar una compensación de no linealidad de
deriva. Cuando esta no linealidad se incrementa a medida que la
temperatura decrece, la influencia del elemento resistivo P debe
crecer, por tanto su resistencia decrecer de manera que la relación
entre esta resistencia y la de una rama de conexión c resulta como
máximo igual a 100 cuando la temperatura resulta inferior a -196ºC y
disminuye cuando la temperatura decrece por debajo de -196ºC. Se
utiliza entonces un elemento resistivo P que tiene un coeficiente de
temperatura positivo, por ejemplo una sonda de platino.
Un captador de presión tal como el ilustrado en
la figura 2 ha sido realizado con unas galgas extensométricas
constituidas por un depósito en capa delgada de
níquel-cromo, teniendo cada galga una resistencia de
1.000 \Omega a temperatura ambiente (22ºC). Las ramas de conexión
c son unos depósitos lineales de oro en capa delgada que
tienen cada una una resistencia de 0,6 \Omega a 22ºC.
La figura 1 muestra la evolución de la tensión
recogida en los vértices +m, -m del puente en ausencia de esfuerzos
sobre el captador, y en ausencia de la red de compensación 12 y del
circuito de compensación 20, siendo el equilibrio del puente
(tensión de salida nula) realizado a 22ºC.
Se constata que la deriva de cero del puente,
debida esencialmente a las galgas, resulta cada vez más pronunciada
a medida que la temperatura decrece. Hasta aproximadamente -140ºC,
la deriva es sensiblemente lineal. Hacia las temperaturas más bajas,
la no linealidad de la deriva resulta cada vez más perceptible.
Un circuito de compensación constituido por una
sonda de platino P de resistencia igual a 100 \Omega a 0ºC en
serie con una resistencia de ajuste R está dispuesta en paralelo
sobre la rama de conexión de oro que conecta la galga J2 al vértice
+m del puente.
La tabla 1 siguiente muestra los valores de las
resistencias de una rama de conexión c y de la sonda P,
siendo la resistencia de ajuste R nula así como la resistencia
equivalente del circuito paralelo constituido por P y c, a
diferentes temperaturas. La relación entre las resistencias de la
sonda P y de la rama de conexión c pasa de 47 aproximadamente
a 7,9 aproximadamente entre -196ºC y -246ºC.
La introducción del circuito de compensación 20
se traduce por un desplazamiento de cero del puente, desplazamiento
que aumenta cuando la temperatura decrece. La tabla 2 siguiente da
el valor del desplazamiento \DeltaZ, medido en tensión de salida
del puente, no estando las galgas bajo esfuerzo (con unas galgas de
800 \Omega, un desplazamiento de 6,4 \Omega de una galga produce
una tensión de salida de 20 mV cuando el puente es alimentado a 10
V). Los diferentes desplazamientos \DeltaZ indicados en la tabla 2
corresponden a diferentes valores del circuito de compensación y
diferentes temperaturas. Las líneas de la tabla muestran que el
desplazamiento puede ser atenuado aumentando el valor de R o
acentuado disminuyendo el valor de P (colocando por ejemplo dos
sondas de 100 \Omega en paralelo). La elección del circuito de
compensación es por tanto función del grado de no linealidad a
corregir.
La figura 3 muestra la evolución de la tensión
recogida entre los vértices +m, -m del puente, en las mismas
condiciones que para la figura 1, a saber ausencia de esfuerzos
sobre el captador, cero del puente realizado a 22ºC y sin
compensación lineal, pero con diferentes circuitos de compensación
20 que comprenden una resistencia R en serie con dos sondas P en
paralelo, siendo cada sonda P una sonda de platino de resistencia
igual a 100 \Omega a 0ºC.
Se constata que, con respecto a la curva I que da
la evolución de la deriva de cero en ausencia de circuito de
compensación 20, la corrección de no linealidad es tanto más
acentuada cuanto más pequeña es la resistencia de R. En este
ejemplo, para R = 4 \Omega y con dos sondas P en paralelo, la
deriva cero del puente es linealizada hasta temperaturas muy bajas
(aproximadamente -250ºC). Por la acción de la red de compensación
lineal 12, es entonces posible compensar totalmente la deriva
térmica de cero del puente desde la temperatura ambiente hasta
temperaturas muy bajas (algunos grados Kelvin).
En lo que precede, se ha previsto conectar un
circuito de compensación de no linealidad de deriva sobre una de las
ramas de conexión que conectan una galga extensométrica de una de
las ramas del puente a un vértice de éste. Es previsible, para
llegar al mismo efecto, conectar un circuito de compensación de no
linealidad de deriva sobre una y/o la otra de las ramas de conexión
de esta rama del puente y/o sobre una y/o la otra de las ramas de
conexión de la rama opuesta.
En el caso de la figura 1, la no linealidad
evoluciona en el mismo sentido que la componente de deriva lineal y
agrava ésta, pero podría en otros casos evolucionar en el otro
sentido. Según el sentido de esta evolución, el circuito de
compensación es conectado o bien a una y/o la otra de las dos ramas
opuestas del puente, o bien a una y/o la otra de las otras dos ramas
opuestas del puente.
Claims (5)
1. Captador de presión susceptible de ser
utilizado en un campo de temperaturas muy bajas, que van hasta
temperaturas inferiores a -196ºC, y que comprende unas galgas
extensométricas (J1-J4) montadas respectivamente en
las ramas de un puente Wheatstone (10) y unas ramas de conexión
(c) que conectan cada galga extensométrica a dos vértices
adyacentes del puente y que tienen unos valores de resistencia muy
inferiores a los de las galgas extensométricas, estando las galgas
extensométricas (J1-J4) y las ramas de conexión
(c) constituidas por unos depósitos metálicos sobre un
substrato,
caracterizado porque está además previsto
un circuito de compensación de la no linealidad de la deriva de cero
del puente en dicho campo de temperaturas muy bajas, comprendiendo
el circuito de compensación un elemento resistivo (P) que está
conectado en paralelo sobre una rama de conexión (c) entre
una galga extensométrica y un vértice del puente y cuya resistencia
varía en función de la temperatura de manera que tenga una
influencia sensible y creciente sobre el valor de resistencia de la
rama de conexión sobre la cual está conectado en paralelo cuando la
temperatura disminuye, en dicho campo de temperaturas muy bajas.
2. Captador según la reivindicación 1,
caracterizado porque las ramas de conexión (c) están
constituidas por oro.
3. Captador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación
entre la resistencia de dicho elemento resistivo (P) y la de la
resistencia (c) sobre la cual está conectado en paralelo es
como máximo igual a 100 cuando la temperatura resulta inferior a
-196ºC y disminuye a continuación cuando la temperatura
decrece.
4. Captador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho elemento
resistivo (P) está constituido por lo menos por un sonda de
platino.
5. Captador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho circuito
de compresión (20) comprende una resistencia de ajuste (R) en serie
con dicho elemento resistivo (P).
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