Устройство для измерения давления

 

Использование: изобретение позволяет измерить распределение пульсаций давления на поверхности летательных аппаратов в условиях полета в верхних слоях атмосферы при высоких значениях разности потенциалов, возникающих на поверхности. Сущность: в конструкцию датчика введен дополнительный экран 3. Монтаж тонкопленочного емкостного датчика на поверхности изделия осуществлен токопроводящим клеем 2. Устройство защищено от влияния внешних и синфазных помех. Высокоомный емкостный выход датчика преобразуется на низкоомный, используя усилитель заряда 16, который снабжен двумя защитными экранами 17, 18. Устройство, содержащее емкостной датчик, поляризуется источником напряжения постоянного тока 15. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в авиационной технике.

Известно устройство для измерения давления, позволяющее измерять давление на поверхности объекта без дополнительной обработки изделия. Устройство содержит блок тонкопленочных матричных датчиков пульсаций давления, защитные экраны, источник поляризации, коаксиальный кабель, согласующий усилитель, дополнительный защитный экран и внешний экран. Это устройство защищено от внешних и синфазных помех /1/.

Такое решение в указанной конструкции устройства позволяет измерить пульсации давления на поверхности изделий без механической обработки и без влияния внешних факторов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению являются пленочные датчики давления. Конструкция такого датчика содержит три диэлектрические пленки. На первой диэлектрической пленке нанесен основной экран, вторая диэлектрическая пленка является изолятором, на обеих поверхностях третьей диэлектрической пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны. Для согласования датчика с внешней цепью использованы источник поляризации постоянного тока и согласующий усилитель заряда /2/.

Такое решение в указанной конструкции позволяет измерять пульсации давления без механической обработки объекта, без влияния внешних помех и трибоэлектрического эффекта.

Эти устройства обладают недостатком, затрудняющим их применение в летательных аппаратах при длительном полете со всерхзвуковыми скоростями в условиях верхних слоев атмосферы при разности потенциалов в сотни и даже тысячи вольт.

Цель изобретения - расширение области применения, повышение надежности за счет введения в конструкцию датчика дополнительных защитных экранов.

Цель достигнута тем, что в устройстве для измерения давления, включающем емкостный датчик давления, источник поляризации постоянного тока и усилитель заряда, при этом датчик давления содержит не менее трех диэлектрических пленок, соединенных клеевым соединением в пакет, на первой пленке, являющейся основанием датчика, сформирован основной металлический экран, вторая пленка является изолятором, а на обеих поверхностях третьей пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны, причем объединенный вывод верхних обкладок конденсаторов соединен с положительным полюсом источника поляризации постоянного тока, выводы нижних обкладок конденсаторов подсоединены ко входам усилителя заряда, а все экраны датчика соединены с выходом усилителя заряда, на нижней поверхности первой диэлектрической пленки сформирован дополнительный металлический экран, покрытый снаружи пленкой токопроводящего клея, предназначенной для крепления датчика на поверхности изделия, при этом дополнительный экран подключен к "0" источника поляризации и усилителя заряда, который оснащен первым и вторым защитными экранами, изолирующими его от изделия, второй защитный экран электрически изолирован от первого и соединен с отрицательным полюсом источника поляризации и дополнительным металлическим экраном датчика, причем первый и второй защитные экраны выполнены из ферромагнитного материала.

На чертеже изображена конструкция датчика и отдельные узлы устройства для измерения давления.

Устройство содержит следующие узлы: изделие 1, слой токопроводящего клея 2, первый дополнительный экран 3, первую диэлектрическую пленку 4, основной экран 5, вторую диэлектрическую пленку 6, служащую в качестве изолятора (сеч. B-B). Третья диэлектрическая пленка 7 содержит на нижней поверхности боковой экран 8, выводы 9, обкладки 10 (сеч. A-A), на верхней поверхности сформированы выводы 11, объединенные обкладки 12, боковой экран 13 (сеч. Б-Б). Диэлектрические пленки между собой и на поверхности изделия скрепляют клеем 14. Датчик поляризуется источником постоянного тока 15, высоомная цепь датчика преобразуется в низкоомную с помощью усилителя заряда 16. Последний защищен первым защитным и вторым дополнительным экранами 17, 18, выполненными из ферромагнитного материала. Защитный экран 17 электрически изолирован от второго дополнительного экрана 18.

Обе поверхности первой и третьей диэлектрических пленок 4 и 7 металлизируют в вакууме, затем собирают пакет из трех диэлектрических пленок и скрепляют их между собой по известной технологии. Дополнительный экран 3, покрытый снаружи пленкой токопроводящего клея 2, предназначен для крепления датчика на поверхности изделия 1. Второй защитный экран 5 через боковые экраны 8, 13 соединен с выходом усилителя заряда 16.

Необходимость использования токопроводящего клея объясняется тем, что при полете летательного аппарата в верхних слоях атмосферы на поверхности изделия возникает разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. При этом слой токопроводящего клея является проводником между изделием 1 и первым дополнительным экраном 3.

В точках "а", "б", "в" между изделием, пленкой токопроводящего клея и первым дополнительным экраном обеспечивается хороший электрический контакт и отрицательный полюс источника поляризации 15 соединяют со вторым дополнительным экраном 18 и усилителем заряда 16, который защищен защитным экраном 17 и изолирован электрически от второго дополнительного экрана 18. Положительный полюс источника поляризации соединен с выводом 11. На вход усилителя заряда сигналы поступают через вывод 9. Для каждого конденсатора предусмотрен отдельный усилитель заряда.

Для защиты датчика от трибоэлектрического эффекта и внешних электромагнитных и синфазных помех в конструкции датчика предусмотрен основной экран 5, боковые экраны 8, 13. Для эффективного действия этих экранов они электрически соединены между собой в точках "г", "д", "е" и подключены на выходе усилителя заряда в точке "с". При этом защитные экраны 5, 8, 13 не имеют контакта с изделием и отрицательным полюсом источника поляризации (или защитные цепи не имеют контакта с местным заземлением). Такое соединение в устройстве позволяет исключить влияние синфазных помех на датчик и усилитель заряда.

С целью захвата большей площади на изделии, на котором наводится электрический потенциал в условиях верхних слоев атмосферы, поверхность первой диэлектрической пленки можно выбирать больше поверхности остальных диэлектрических пленок (см. фиг. 1).

Конкретные размеры и конструкцию датчика выбирают, исходя из условий и требований проводимого эксперимента.

Область применения устройства расширяется за счет введения в конструкцию датчика дополнительных узлов для защиты от высоких потенциалов, наводимых в верхних слоях атмосферы и т.д. При этом и при защите устройства от внешних и синфазных помех повышается надежность измерения давления.

Устройство работает следующим образом.

При измерении давления на величину ΔP толщина чувствительного элемента под обкладками 10, 12 изменяются на величину Δi , соответственно электрическая емкость C изменяется пропорционально давлению на величину ΔC . При этом выходное напряжение ΔU , снимаемое с чувствительных элементов (обкладки 10, 12) датчика, пропорционально ΔC/C . При воздействии давления P на чувствительные элементы и при поляризации датчика напряжением U постоянного тока выходной сигнал определяется в точке "е" как ΔU = (ΔC/C)U . Затем сигнал ΔU = ΔP с выхода датчика подается на вход усилителя заряда 16.

При использовании усилителя заряда измерение изменения заряда определяется как ΔQ = (ΔC/C)Q_n , где Q_n = CU заряд, обусловленный напряжением поляризации, тогда приращение ΔQ = UΔC . Выходное напряжение снимается на выходе усилителя заряда в точке "C" относительно защитного экрана.

ЦАГИ (заявителем) было проведено испытание устройства для измерения давления. В качестве токопроводящего клея был использован клей марки ГИПК-153. Клей двухкомпонентный, обладает повышенной электропроводимостью и большим сроком жизни. Электропроводящей композицией можно получить защитный экран от внешних помех. Удельное объемное электрическое сопротивление 1,2·10^-2 Ом/см. Продолжительность высыхания при 18 - 20^oC мин. Жизнеспособность клея - 24 ч. Значение сопротивления отрыва контактной цепи с токопроводящим клеем ГИПК-153 (2,08·10⁴ Па/мм) и припоем ПОС-40 (0,73·10⁴ Па/мм) показало, что адгезионная прочность контакта с токопроводящим клеем в три раза больше, чем при пайке с припоем.

Уровень шума на выходе датчика не превышает 1-2 мкВ. При этом устройство полностью защищено от внешних и синфазных помех.

Такое конструктивное решение предлагаемого устройства позволяет расширить область применения и повысить технико-экономический эффект измерения распределения пульсаций давления.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, включающее емкостный датчик давления, источник поляризации постоянного тока и усилитель заряда, при этом датчик давления содержит не менее трех диэлектрических пленок, соединенных клеевым соединением в пакет, на первой пленке, являющейся основанием датчика, сформирован основной металлический экран, вторая пленка является изолятором, а на обеих поверхностях третьей пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны, причем объединенный вывод верхних обкладок конденсаторов соединен с положительным полюсом источника поляризации постоянного тока, выводы нижних обкладок конденсаторов подсоединены к входам усилителя заряда, а все экраны датчика соединены с выходом усилителя заряда, отличающееся тем, что в нем на нижней поверхности первой диэлектрической пленки сформирован дополнительный металлический экран, покрытый снаружи пленкой токопроводящего клея, предназначенной для крепления датчика на поверхности изделия, при этом дополнительный экран подключен к "0" источника поляризации и усилителя заряда, который оснащен первым и вторым защитными экранами, изолирующими его от изделия, второй защитный экран электрически изолирован от первого и соединен с отрицательным полюсом источника поляризации и дополнительным металлическим экраном датчика, причем первый и второй защитные экраны выполнены из ферромагнитного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1