Датчик давления и температуры

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения в заданном участке температуры, теплового потока и давления. Для этого обкладки конденсатора и электроды термопары объединены, чувствительным элементом давления является диэлектрическая пленка 9 из полиимида. Обкладки 6,11 конденсатора для измерения давления одновременно служат в качестве второго электрода термопары. Термопары формируют путем вакуумного напыления из меди и никеля. Датчик защищен от внешних электромагнитных помех. В качестве диэлектрической изоляции между чувствительными элементами и основным экраном 2 служит пленка 3 из окиси алюми-ния. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления, температуры и теплового потока на поверхности изделия авиационной техники.

Известен матричный емкостной датчик давления, разработанный на базе трех диэлектрических пленок. На обеих поверхностях одной пленки сформированы обкладки с выводами конденсатора и боковой экран. Вторая пленка является изолятором между первой и третьей пленками. На верхней поверхности первой пленки сформирован основной экран. Слои между собой и на поверхности изделия скрепляют клеем [1]. С помощью этих датчиков измеряют давление на поверхности изделий без механической обработки.

Недостаток этого датчика заключается в том, что он одновременно не измеряет давление, температуру и тепловой поток. Датчик не оснащен чувствительными элементами (ЧЭ) температуры и теплового потока.

Наиболее близким к предлагаемому является тонкопленочный емкостной датчик давления, разработанный на базе пяти диэлектрических пленок. На поверхности двух пленок сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны, третья пленка перфорированная и расположена между обкладками конденсаторов. На обеих поверхностях четвертой диэлектрической пленки сформированы электроды из никеля и меди. Пятая диэлектрическая пленка оснащена основным экраном и наклеивается на поверхность изделия.

Такое техническое решение позволяет одновременно измерить давление, температуру и тепловой поток без дополнительной механической обработки изделий [2].

Этот датчик обладает недостатками, затрудняющими его широкое применение. К числу недостатков можно отнести громоздкость, многослойность ЧЭ давления, температуры формируют в отдельности на поверхностях разных диэлектрических пленок.

Задача изобретения - расширение области применения, повышение надежности и снижение себестоимости датчика.

Технический результат достигается тем, что в датчике давления и температуры, содержащем не менее трех диэлектрических пленок, первая из которых является основанием датчика, а на обеих поверхностях третьей пленки сформированы первые обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны, а также содержащем чувствительные элементы температуры, при этом все пленки между собой и на поверхности изделия скреплены пленкой клея, чувствительные элементы температуры выполнены в виде вторых обкладок конденсаторов с выводами и боковыми экранами, сформированных на верхней и нижней поверхностях третьей диэлектрической пленки соосно с первыми обкладками, на верхней поверхности первой пленки сформирован введенный основной экран, вторая пленка выполнена из окиси алюминия и является изолятором между первой и третьей диэлектрическими пленками, первые обкладки конденсаторов выполнены из меди, а вторые - из никеля, при этом выводы конденсаторов смещены относительно друг друга.

На фиг. 1-3 изображены конструкция и отдельные узлы датчика давления и температуры.

Основанием датчика является первая диэлектрическая пленка 1 с основным экраном 2. Вторая диэлектрическая пленка 3 из окиси алюминия является изолятором. Боковой экран 4, обкладки 5, 6 с выводами 7, 8 формируют на нижней поверхности третьей диэлектрической пленки 9 (фиг. 2). На верхней поверхности пленки 9 формируют боковой экран 10, обкладки 11, 12 с выводами 13, 14 (фиг. 3). Пленки между собой и на поверхности изделия 15 скрепляют пленкой клея 16.

В конструкции датчика ЧЭ давления являются обкладки конденсаторов 6, 11 с выводами 8, 14, ЧЭ температуры - обкладки 11, 12 с выводами 13, 14 и обкладки 5, 6 с выводами 7, 8. ЧЭ теплового потока являются обкладки 5, 6 с выводами 7, 8 и обкладки 11, 12 с выводами 13, 14. При этом тепловой поток φ определяется как , где λ - теплопроводность третьей диэлектрической пленки; Θ₁ - температура термопары, т.е. ЧЭ 11, 12; Θ₂ - температура ЧЭ 5, 6; d - толщина третьей диэлектрической пленки.

Измерение давления производится между выводами 8, 14 АВ, АС, АД (фиг. 2, 3). Напряжение поляризации подают к выводам 14 или А.

Термоэлектродвижующее напряжение измеряют между выводами Вв, Сс, Дд (фиг. 2) и Аа, А6, Ав (фиг. 3).

От внешних электромагнитных воздействий датчик защищен боковыми 4, 10 и основным 2 экранами.

Все металлические слои и пленку из окиси алюминия формируют в вакууме путем напыления. Толщину металлизированных пленок из окиси алюминия выбирают равной 0,5 - 1 мм. Обкладки 6, 11 формируют из меди, обкладки 5, 12 - из никеля. Такое сочетание предотвращает окисление меди. Толщина диэлектрических слоев 10 - 40 мкм.

Область применения этих датчиков расширяется за счет одновременного измерения давления, температуры и теплового потока. Надежность повышения за счет увеличения толщины боковых экранов и одновременного измерения давления и температуры. Снижение себестоимости датчика связано с сокращением трудоемкости за счет одновременного измерения давления и температуры и сокращения количества диэлектрических пленок по сравнению с прототипом.

Принцип работы датчика. При изменении давления ΔP толщина d третьей диэлектрической пленки 9 изменяется на величину d-Δd . В результате относительное изменение емкости ΔC/C пропорционально изменению приложенного давления. Электрическое напряжение на выводах обкладок 6, 11 (АВ, АС, АД) пропорционально приращению емкости ΔC/C и напряжению поляризации датчика, приложенному к объединенному выводу 14.

Принцип работы ЧЭ температуры основан на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего в соединениях двух металлов - никеля и меди. При этом ЧЭ температуры и теплового потока состоит из третьей диэлектрической пленки 9, каждая сторона этой пленки оснащена термопарами, образуемыми обкладками 5, 6 и 11, 12. При тепловом потоке φ на обе поверхности датчика через диэлектрическую пленку 9 толщиной d термопары испытывают действие температуры Θ₁ и Θ₂ . Тепловой поток φ зависит от измеренной разности температуры Θ₁-Θ₂ , коэффициента теплопроводности λ и толщины d третьей диэлектрической пленки, т.е.

φ = f(Θ₁, Θ₂, λ, d). .

С этой целью ЦАГИ были изготовлены и проверены в лабораторных условиях раздельно ЧЭ давления с размерами 6 х 9 мм² и толщиной мембраны 12 и 20 мкм. Уровень пульсации давления 500 Па. Чувствительность датчика при 1 Па равняется 1/Па.

Напряжение поляризации постоянным током 100 В, емкость 80 135 пФ.

Также в отдельности проверены термопары с размерами 6 х 9 мм², металлизированные из меди и никеля, с толщиной покрытия 500 . Температурный коэффициент чувствительности термопары 1,3 мкВ/^oC.

Такое конструктивное решение за счет упрощения и одновременного измерения давления, температуры и теплового потока позволяет совместить эти измерения с весовыми измерениями. При этом повышается технико-экономический эффект аэродинамического эксперимента.

Формула изобретения

Датчик давления и температуры, содержащий не менее трех диэлектрических пленок, первая из которых является основанием датчика, а на обеих поверхностях третьей пленки сформированы первые обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны, а также содержащий чувствительные элементы температуры, при этом все пленки между собой и на поверхности изделия скреплены пленкой клея, отличающийся тем, что в нем чувствительные элементы температуры выполнены в виде вторых обкладок конденсаторов с выводами и боковыми экранами, сформированных на верхней и нижней поверхностях третьей диэлектрической пленки соосно с первыми обкладками, на верхней поверхности первой пленки сформирован введенный основной экран, вторая пленка выполнена из окиси алюминия и является изолятором между первой и третьей диэлектрическими пленками, первые обкладки конденсаторов выполнены из меди, а вторые - из никеля, при этом выводы конденсаторов смещены относительно друг друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3