Устройство для измерения давления и температуры

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения давления, температуры и теплового потока с компенсацией влияния температуры на результаты измерения давления. Чувствительным элементом (ЧЭ) для измерения давления выбран «кремний на сапфире», состоящий из искусственного сапфира и металлической пленки титана. Дополнительно к сапфировой подложке введены нижняя обкладка, а верхняя обкладка - титановая пленка конденсатора. На сапфире сформирован четырехплечный тензометрический мост (ТМ). Емкостной ЧЭ образован путем расположения между нижней и верхней обкладками конденсатора диэлектрического кольца и защищен от внешних электромагнитных помех экраном. ЧЭ температуры и теплового потока сформирован соосно и симметрично на верхней и нижней поверхностях другой диэлектрической пленки. Пакет конструкции датчика, состоящей из двух частей, собирают в вакууме, располагают внутри корпуса и защищают сеткой. Для электрических соединений предусмотрена клеммная колодка с разъемами и монтажная плата, на которой смонтирована высокоомная защитная схема и усилитель заряда. Полость датчика за мембраной поддерживает связь с атмосферой трубкой с крышками, проходящей сквозь первую часть конструкции датчика. На второй части конструкции датчика выполнены сквозные опорные отверстия не менее 10 штук. Между первой и второй частями конструкции датчика образуется воздушная прослойка. Связь с атмосферой между первой и второй частями конструкции датчика осуществляется опорными трубками и отверстиями. Корпус датчика соединен с общей массой устройства и первой частью конструкции датчика и залит мягким герметиком. Технический результат заключается в возможности одновременно в заданном участке измерять звуковое давление (пульсации, взрывное, ударное, ветровое), давление звука (полное давление), статическое давление (абсолютное, избыточное, дифференциальное), температуру и тепловой поток. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения полного давления (давления звука), звукового давления, статического давления, температуры, теплового потока и т.д. в авиационной технике, машиностроении, кораблестроении, нефтяной и газовой промышленности.

Известен датчик давления, содержащий емкостной чувствительный элемент (ЕЧЭ) и тензометрический мост (ТМ). ЕЧЭ содержит основание из диэлектрической пленки и основной экран. На верхней поверхности основания укреплены электрические разъемы, металлизированная нижняя обкладка конденсатора. Полость датчика капиллярным отверстием диаметром d связана с атмосферой. Мембрана датчика (верхняя обкладка) цилиндрической формы сформирована в вакууме из дисперсионных прецизионных сплавов или из разных высококачественных сплавов и из полупроводника. Сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ электрически изолированы от поверхности датчика диэлектрической пленкой. Мембрану соединяют с основанием, боковым экраном тонкими проводами через капиллярное отверстие с одним из разъемов. Форма мембраны может быть плоской с перфорированными ячейками: мелкого пильчатого, синусоидального, тороидального профиля гофра. На эффективной поверхности мембраны в вакууме сформирован четырехплечный тензомост (ТМ) с диагоналями а, б; в, г и активными сопротивлениями плеч r₁, r₂, r₃, r₄. Для измерения давления с выхода ТМ использована аппаратура низкой частоты (АНЧ). Диагонали а, б ТМ соединены с источником питания. Выход ЕЧЭ датчика (через один из разъемов) через усилители заряда, напряжения (УН) соединен со входом блока вычитания и индикатора. Другие диагонали ТМ в и г через плечо АНЧ соединены с входом блока вычитания. Причем емкостной датчик поляризован отдельным источником питания.

Такие чувствительные элементы (ЧЭ) датчика давления позволяют измерять давление звука, звуковое давление, статическое давление и т.д. на исследуемом объекте методом дренирования поверхности изделий [1 - патент РФ №2267757, G01L 9/12, G01L 9/08 «Датчик и способ измерения давления», авторы А.А. Казарян, А.А. Поваров].

Датчик имеет следующие недостатки: ЧЭ датчика давления не защищен от внешних воздействий. В частности, слабо защищен от влияния внешних электромагнитных помех. Отсутствие сведений о величине температуры, возможности оценки влияния температуры на результаты измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является датчик для измерения давления. Датчик для измерения давления содержит: основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану плоской формы или с гофрированным, тороидальным профилем. При этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие. На поверхности мембраны сформирован ТМ, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки. Датчик снабжен аппаратурой низкой частоты (АНЧ), источником питания постоянного тока, усилителем заряда (УЗ) и напряжения (УН), блоком вычитания, индикатором. Одна из диагоналей ТМ соединена с источником питания, а вторая диагональ ТМ через АНЧ соединена с индикатором и с входом блока вычитания, который присоединен к индикатору. Емкостной выход датчика через разъем, УЗ и УН соединен с входом блока вычитания и индикатора. Тензометрические чувствительные элементы (ЧЭ) ТМ и емкостные элементы конденсатора выполнены на основе «кремний на сапфире». ЕЧЭ и ТМ защищены защитной сеткой, содержат клеммную колодку с разъемами, опорную трубку с крышкой, корпус, залитый мягким герметиком, по два резистора и конденсатора. Верхняя обкладка ЕЧЭ датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом УЗ. Оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке. Первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой ЕЧЭ датчика. Второй резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением. ЕЧЭ и ТМ соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одинаковым напряжением. Блок вычитания расположен внутри корпуса датчика.

Такие ЧЭ датчика давления позволяют измерять давление звука, звуковое давление, статическое давление и т.д. на исследуемом объекте методом дренирования изделий [2 - патент РФ №2384825, G01 L/12 «Датчики для измерения давления», авторы А.А. Казарян, В.В. Петроневич, Н.А. Езеев]. Датчик имеет следующие недостатки: ЧЭ датчика не обеспечивают преобразование давления в электрический сигнал вне зависимости от температуры. Отсутствуют сведения о влиянии температуры на датчик.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение надежности. Технический результат достигается за счет разработки компактной конструкции датчика на базе ТМ, ЕЧЭ и ЧЭТ. Тензометрический мост разработан на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире» и сформирован монолитно.

Технический результат достигается тем, что в датчик давления, содержащий основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану с краевым, например, тороидальным профилем плоской формы или с гофрированным профилем, собранные в пакет, разъемы, соединяющие обкладку, мембрану, основной экран, тензометрический мост с внешней цепью, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, на поверхности мембраны сформирован тензометрический мост, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки, тензометрический и емкостной чувствительные элементы датчика на основе «кремния на сапфире», защитная сетка, клеммная колодка с разъемами, опорная трубка с крышкой, корпус, залитый мягким герметиком, по два резистора и конденсатора, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем датчик снабжен аппаратурой низкой частоты, источником питания постоянного тока, усилителем заряда и напряжения, блоком вычитания, индикатором, причем емкостной чувствительный элемент и тензометрический мост соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одним напряжением, а блок вычитания расположен внутри корпуса датчика, дополнительно введены два чувствительных элемента температуры горячего спая, симметрично расположены между собой на верхней и нижней поверхности диэлектрической пленки, два чувствительных элемента температуры холодного спая, холодный спай термопары располагают вне корпуса устройства, обеспечивают температурой таяния льда, соединяют между собой и через переключатель подсоединяют к индикатору, металлическое кольцо, по два потенциометрических усилителя, блока памяти, один переключатель, три блока вычитания, причем в первом положении переключателя выход аппаратуры низкой частоты, усилителя напряжения через переключатель, блоки памяти, блоки вычитания подсоединены к входам индикатора, во втором положении переключателя выходы аппаратуры низкой частоты и усилителя напряжения через переключатель соединены с входами тремя блоками вычитания и их выходы подсоединены к входу индикатора, выходы двух чувствительных элементов температуры через потенциометрический усилители и блок вычитания соединены с индикатором, выход одного из потенциометрических усилителей подсоединен к индикатору, выход другого потенциометрического усилителя через блоки памяти подсоединен тоже к индикатору, причем усилитель заряда монтирован внутри корпуса датчика на нижней поверхности монтажной платы, корпус датчика подсоединен к общей шине в точке В устройства, на второй части конструкции датчика, состоящей из двух диэлектрических пленок и чувствительных элементов температуры, через них выполнены не менее десяти сквозных опорных отверстий, полость емкостного чувствительного элемента за мембраной связана с атмосферой через опорную трубку, проходящую сквозь первую часть конструкции датчика, состоящего из монтажной платы, воздушной прослойки, многоштырькового разъема, экрана на поверхности диэлектрической пленки и заливочного компаунда, причем воздушная прослойка образована между первой и второй частями конструкции датчика, а между первой и второй частями конструкции датчика расположено металлическое кольцо.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика давления в сборе и на фиг. 2 блок-схема устройства измерения давления и температуры.

На фиг. 1 первая часть конструкции устройства содержит диэлектрическую пленку 1, на нижней поверхности содержит залитый герметик 2, на верхней - экран 3, колодку 4, монтажную плату 5, на нижней поверхности собрана электрическая схема усилителя заряда 6, а на верхней - защитная схема 6′, состоящая из резисторов R₁, R₂ и конденсаторов C₁, С₂ (фиг. 2), и металлическое кольцо 7. Вторая часть содержит основание из диэлектрической пленки 8, на верхней и нижней поверхностях соответственно сформированы ЧЭТ 9, 10 (чувствительные элементы температуры-термопары горячего спая), ЧЭТ холодного спая 9′, 10′ (которые не расположены внутри корпуса устройства), диэлектрическая пленка 11, на верхней поверхности сформирована нижняя обкладка конденсатора 12, между нижней 12 и верхней 13 обкладками расположены кольца 14, представляет собой ЕЧЭ 15; на верхней обкладке 13, т.е. на поверхности мембраны, расположена изоляционная пленка 16 из любого диэлектрика, в частности из искусственного сапфира. На поверхности диэлектрической пленки 16 расположен ТМ 17 (фиг. 1 сеч. А-А). Сквозь пленки 8-12 сформированы более 10 опорных отверстий 18. Опорные отверстия с атмосферой связаны опорной трубкой 19 с внутренним диаметром d=0,1-0,35 мм (фиг. 1 сеч. А-А, Б-Б). На конец опорной трубки 19 надевают крышку 20. Все узлы от 1 до 19 позиции, собранные в пакет, располагают внутри корпуса 21 за исключением ЧЭТ холодного спая. Корпус 21 оснащен снаружи шестигранным выступом 22 для крепления датчика на исследуемом объекте (ИО). На нижней поверхности металлического кольца датчика находится снизу первая часть конструкции датчика, а на верхней поверхности находится вторая часть конструкции датчика. ТМ 17 от внешнего воздействия защищен сеткой 23. Опорная трубка 19 проходит сквозь пленки 1-5 первой части конструкции датчика. Между пленками 5 и 8, т.е. между первой и второй частями конструкции датчика, образуется воздушная прослойка 24. Полость 25 за мембраной 13 ЕЧЭ 15 связана многочисленными опорными отверстиями 18 (фиг. 1 сеч. А-А, Б-Б). Для надежного съема сигнала с выходов ТМ 17 и ЕЧЭ 15 предусмотрена специальная колодка 4, колодка оснащена разъемами или гермовыводами. Образующий жгут 26 (связка из проводов), в том числе общая шина, соединен с корпусом датчика 21 в точке В, выходит наружу для соединения с внешней цепью. УЗ 6, защитные цепи 6′расположены внутри корпуса датчика 21. Такое конструктивное решение повышает надежность датчика за счет сокращения расстояния между ЕЧЭ 15 и высокоомным входом УЗ 6, защищает от воздействия внешних электромагнитных помех.

Симметричное расположение опорных отверстий 18 (фиг. 1 сеч. Б-Б) за мембраной внутренней полости 25 ЕЧЭ 15 (фиг. 1 сеч. А-А) обеспечивает равномерный прогиб мембраны. Выравнивание статического давления за мембраной необходимо для достижения возможно точного определения нижнего диапазона рабочей частоты. Наличие воздушного слоя в зависимости от условия работы мембраны позволяет внести в режим работы мембраны добавочное затухание или добавочную упругость. Наличие опорных отверстий при изменении звуковой частоты в широком диапазоне, влияние инерции воздуха, влияние внутреннего трения мембраны и т.д. одинаково и незначительно изменяют акустическое сопротивление ЕЧЭ. Известно, что чувствительность ЕЧЭ с малой воздушной полостью 25 между верхней 13 и нижней 12 обкладками (фиг. 1 сеч. А-А) не зависит от толщины кольца 14, если внешняя шунтирующая емкость пренебрежимо мала по сравнению с емкостью ЕЧЭ. Это приводит к аннулированию эффекта возрастания жесткости воздушной подушки, когда зазор уменьшается и наоборот. Опорные отверстия за мембраной улучшают чувствительность ЕЧЭ в двадцать раз [3 - патент РФ №2334964 G01L 9/12. 2008].

Блок-схема измерения давления и температуры фиг. 2 содержит ТМ 17 с диагоналями а, б (первое плечо), в, г (второе плечо) с активными сопротивлениями r₁, r₂, r₃, r₄. Использована аппаратура низкой частоты 27 (АНЧ). Диагонали а, б ТМ соединены с источником питания (ИП) 28, который поляризует ЕЧЭ, состоящий из нижней обкладки 13, размещенный в конструкции датчика давления ЕЧЭ 15. Выход ЕЧЭ датчика через конденсатор С 2, УЗ 6, УН 29, первое положении переключателя 30, блоки вычитания 32, 33 соединены с входами индикатора 34. Другие диагонали ТМ в, г через АНЧ 27, первое положение переключателя 30, блоки памяти 35, 31, блоки вычитания 36, 33 подсоединены к входу индикатора 34. Во втором положении блока 30 выходы АНЧ 27, УН 29 через переключатель 30, блоки вычитания 36, 32 соответственно подсоединены к индикатору. При этом выходы АНЧ и УН через блок 30 подсоединены к входу индикатора. Выходы блоков вычитания 36, 32 через блок вычитания 33 подсоединены к входу индикатора. Другие выходы блока 36, 32 тоже подсоединены к входу индикатора. При этом ЧЭТ 9, 10 одновременно через потенциометрические усилители (ПУ) 37, 38 и через блок вычитания 39 подсоединены к входам индикатора 34. Другие два выхода ПУ 38 соединены с блоками памяти 31, 35. Вход переключателя 30 тоже подсоединен к индикатору. Вторая диагональ ТМ в точке б подсоединена к общей шине (проводу) в точке В.

Поляризацию ЕЧЭ и питание УЗ 6 и УН 29 осуществляют ИП 28.

Входом датчика являются слои металлической 13, диэлектрической пленок 16 и ТМ 17, на которые подают давление. Выбранные провода 26 марки АВКТ-6 используют в условиях эксплуатации с повышенной радиацией, вибрацией, температурой. Нижняя обкладка 12 ЕЧЭ через жилу кабеля и первый конденсатор С2 соединена с отрицательным полюсом УЗ. Экран 3 (фиг. 2) соединен с экраном антивибрационного кабеля и в точке В местного заземления. Положительный полюс УЗ 6 является общей шиной устройства. Экран 3, отрицательный полюс источника поляризации 28, верхняя обкладка 13 через экран кабеля соединены с общей шиной устройства в точке В (положительный полюс). Второй конденсатор С1, резисторы R1 и R2 между собой соединены последовательно, и свободный конец R1 соединен с первым конденсатором С2. Другой конец резистора R2 соединен с положительным полюсом источника поляризации 28. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с положительным полюсом УЗ 6. Промежуточные спаи обкладок А, В и А′, В′ образуются в местах соединение ЧЭТ 9, 10 и 9′, 10′ с подводящими проводами С, Д и С′, Д′ фиг. 2. ЧЭТ 9′, 10′ через электронный переключатель 30′ подсоединяют проводами С, Д к индикатору. Соединение ЧЭТ 9, 10 и 9′, 10′ осуществляют между собой через переключатель 30′ или раздельно под командой индикатора. Низкую температуру (холодного) спая ЧЭТ 9′, 10′ обеспечивают, помещая его в среду таящего льда или, чем-то другим. ЧЭТ 9, 10 и 9′, 10′ состоят из двух различных проводящих обкладок А, В и А′, B′, например из меди и никеля, и это место подвергается нагреву или охлаждению. Подводящие провода С, Д связывают блоки 37, 38 с холодными спаями А′ и B′ проводами С′, Д′ и термопары 9′, 10′ соединяют с индикатором.

Основные требования, которые предъявляются к запоминающему устройству в индикаторе: способность длительного хранения информации с возможностью непрерывного и неразрушающего считывания; способность быстрой записи новой информации по сигналам индикатора. Формы подачи информации в виде длительных импульсов, подлежащих долгому хранению. Блоки вычитания, содержащие несколько входных и выходных резисторов, обеспечивают вычитание напряжений, подключенных к ним. На выходе сопротивления подключен операционный усилитель (ОУ), а на входе ОУ поддерживается напряжение, близкое нулю. ОУ обеспечивает усиление как постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности, так и переменного напряжения. Потенциометрические усилители представляют собой усилители постоянного тока. В них при повышении потенциала эмиттера следующего каскада достигается пропуском через его эмиттерное сопротивление в виде полупроводникового стабилитрона. К числу основных требований система управления индикатора, которая обеспечивает переключение внешних блоков (УН, АНЧ, ПУ, блоки вычитания и т.д.) с блоками индикатора, задает время решения, синхронизирует работу отдельных блоков, осуществляет выбор и подключение измерительных блоков в устройстве. Индикатор также обеспечивает ввод и вывод информации, состоящей из системы коммутации, предназначенной для соединения отдельных внутренних блоков между собой в соответствии с заданной программой (обычно в виде коммутационного или наборного поля); средств для установки коэффициентов передачи начальных значений переменных; системы вывода результатов и их регистрации и т.д.

Датчик с ЕЧЭ имеет высокое выходное сопротивление и при поляризации, в частности, напряжением постоянного тока на выходе имеет электрический сигнал мощностью ~10^-13-10^-15 Вт. Такой сигнал по кабелю через согласующую цепь, т.е. УЗ можно передавать на большие расстояния (50 м и больше). Одним из возможных вариантов согласующих цепей является УЗ. УЗ обеспечивает высокое входное сопротивление с закрытым входом. Усилитель, расположенный рядом с ЕЧЭ в корпусе датчика 21, не чувствителен к наводкам и помехам, вызываемым колебанием кабеля. УЗ разработан на базе операционного усилителя с глубокой отрицательной обратной связью («Устройство для измерения звукового давления», патент РФ №2281470, 2006 г., бюл. №22, авторы А.А. Казарян, Л.М. Москалик).

Чтобы на выходе ТМ получить электрический сигнал, пропорциональный сопротивлению, изменяющемуся под воздействием давления, к ним, т.е. к этим сопротивлениям r₁, r₂, r₃, r_4, должно быть подано электрическое напряжение U_п из ИП 28. В принципе ТМ можно питать как постоянным, так и переменным напряжением. ТМ, питающийся напряжением постоянного тока и выполненный с помощью металлических или полупроводниковых тензорезисторов, не требует фазовой балансировки. Если ТМ не сбалансирован на выходе ТМ (где подключена АНЧ 27 в диагоналях в, г), то мост не находится в состоянии равновесия, возникает напряжение на выходе АНЧ U_вых. Между напряжениями выходным и питания существует известная зависимость: . При воздействии давления сопротивление ТМ можно представить состоящим из переменной и постоянной составляющих: , где , а r₀ - начальное сопротивление ТМ. Если все сопротивления моста равны, ТМ при Δr=0 уравновешен. В принципе ТМ можно выполнять с двумя активными, одинаково изменяющимися сопротивлениями, т.е. имеем полумост. Полумост характерен тем, что r₁=-r₂, r₃=-r₄, как Δl=Δl₁=-Δl₂, Δl₃=-Δl₄=0. При этом напряжение U_п и U_вых взаимно связано как: . Полный ТМ с четырьмя активными, одинаково изменяющимися сопротивлениями характеризуется тем, что r₁=r₃=-r₂=-r_4, при этом имеем удлинение и укорочение сопротивлений, т.е. Δl₁=Δl₃=(растяжение)=-Δl₂=-Δl₄ (сжатие).

Напряжение на диагоналях (выходе) моста в, г растет как:

Связь выходного напряжения с ТМ получается более очевидной, когда эта зависимость линейна, и давление Р, действующее на ТМ, равно нулю. Кроме того, изменения каждого из сопротивлений моста имеют определенную направленность, чтобы не было взаимной компенсации выходного сигнала ТМ. На фиг. 2 ТМ включен так, что сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ вызывают положительное приращение выходного напряжения, имеет вид , откуда из начальных условий следует, что ε₁=-ε₂=ε₃=-ε₄=ε, при этом имеем .

Согласно последнему выражению можно записать, что выходное напряжение полумоста находится в соотношении , а для четверти моста . Величина коэффициента k=100-150, с его помощью можно регулировать нелинейность ТМ.

Предлагаемые датчики базируются на основе известного высоконадежного полупроводникового датчика «Сапфир 22», в первую очередь благодаря непосредственному преобразованию деформации мембраны и ТМ в электрический выходной сигналы с выходов ЕЧЭ и ТМ на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире». Гибридная микроэлектроника и компактная цельносварная конструкция ТМ датчиков обеспечивают высокую надежность и стабильность метрологических характеристик в различных условиях эксплуатации.

Для создания и развития новых энергосберегающих, экологически чистых "нано" технологий производственных процессов, проведения исследований, научных экспериментов в авиационно-космической технике, машиностроении, энергетике, нефтехимической промышленности и для повышения точности измерения и снижения себестоимости проводимых работ крайне необходим предложенный датчик.

Решению этих проблем в значительной мере способствовали работы по модернизации комплекса тензорезистивных датчиков «Сапфир-22», проведенные специалистами НИИ теплоприбор и МПО «Манометр» [Датчики давления. "Приборы и системы управления" №11, 1990, ст. 27-30, авт. Г.Г. Иордан, А.Я. Юровский и др.]

В конструкции датчика давления в качестве ТМ и ЕЧЭ используют модернизированный многослойный «сандвич» на базе «кремния на сапфире». Это позволяет охватить очень широкую область измеряемых давлений. Верхние пределы измерений различных модернизированных моделей находятся в интервале давлений от ±0,03 кПа до 1000 МПа. Использован тензорезистивный эффект в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической подложки на искусственном сапфире.

Для надежного соединения тонкостенного ТМ (0,15-0,2 мм) с выводами, разъемами применена высокотемпературная пайка в вакууме. Большая механическая прочность монокристаллической сапфировой подложки и хорошие упругие свойства, например, титановой мембраны позволяют обеспечить высокий уровень рабочих деформаций ТМ, дают возможность изменить выходной сигнал на выходе ТМ 300-400 мВ пропорционально изменению входной величины при питании ТМ стабилизированным постоянным напряжением. ТМ «кремний на сапфире» также оснащен узлом компенсации дополнительных погрешностей, возникающих, например, при изменениях температуры и/или статического давления контролируемой среды, температуры окружающей среды, напряжения питания, влажности. Компенсационный узел входит в состав сопротивлений r₁, r₂, r₃, r₄ в ТМ и находится на поверхности диэлектрической пленки из сапфира. Для измерения сверхвысоких давлений (160-1000 МПа) мембрану ЕЧЭ выполняют (изготавливают) с гофрированным профилем с ячейками мелкого пильчатого профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками глубокого пильчатого профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками трапецеидального профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками синусоидального профиля гофра.

Достоинствами монокристаллического сапфира является то, что в нем отсутствует гистерезис и усталостные явления, присущие металлу, а также тепловые деформации, возникающие из-за разницы температурных коэффициентов расширения сапфира и металла (титана) при соединении ТМ с металлическим корпусом датчика и приводящие к дополнительным температурным погрешностям.

Для изготовления сапфировой мембраны для разных пределов измерения давления, известны разработанные методы плазмохимического травления сапфира, которые могут осуществляться при температурах, не превышающих 700°С. Травление сапфира происходит в результате его взаимодействия со свободными радикалами атомарного фтора. Скорость травления сапфира значительно зависит от температуры и связана с равномерностью травления мембраны ЕЧЭ больших размеров. На поверхности мембраны ЕЧЭ сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ ТМ расположены с края на поверхности диэлектрической пленки из сапфира, что позволит ТМ работать в условиях чисто упругой деформации. Это обеспечивает повышение линейной зависимости U_вых выходного напряжения ТМ от действия давления. В ТМ тензорезисторы r₁-r₄ могут быть из кремния проводимостью р-типа с кристаллографической ориентацией (001).

Металлические узлы датчика давления, опорная трубка 19 с крышкой 20, корпус 21 с шестигранным выступом 22, защитная сетка 23 изготавливаются из различных коррозийно-стойких материалов. Например, корпус и защитная сетка из сплава 29НК (Ковар) или из стали 12Х18Н10Т. Габаритные размеры датчика: длина L=25-35 мм, диаметр D=11-12 мм. Опорная трубка 1×0,25; из стали 12Х18Н10Т трубка стандартная. Разъем изготавливают из диэлектрика в зависимости от условия измерения давления в диапазоне температуры от -50 до +80°С, например из стержня эбонита Б-10, стержни разъемов изготавливают из проволоки МТ-0,4. Мягкий заливочный компаунд 14 низковязкий эластичный для упрочнения, герметизации и изоляции электрических цепей марки ЭЛК-12, работоспособный при высоких вибрационных и ударных нагрузках в интервале температуры от -60 до +120°С. В случае необходимости соединения с ЭЛК-12 могут быть демонтированы.

Использованный АНЧ известен в измерительной технике в 4-х и 8-ми канальном исполнении на несущей частоте. Четырех- и восьмиканальные АНЧ предназначены для усиления сигналов с ТМ при измерении полного давления (давление звука) и статического давления исследуемого объекта. Согласование электрического сигнала с выхода емкостного датчика осуществляют УЗ, затем усиливают, нормируют в УН и подают на индикатор. Согласование и усиление электрического сигнала с выхода емкостного датчика можно осуществлять аппаратурой фирмы «Брюль и Къер» (Дания), РИОН (Япония), RFT (Германия). Опыт измерения давления показал, что датчики давления могут быть подключены к зарубежной аппаратуре без применения дополнительной схемы согласования. В некоторых случаях приходится выбирать ответную часть разъема датчика. Отечественные усилители заряда выполнены на интегральной микросхеме 544УД1. Для измерения звукового давления также используют аппаратуру «ЗАРЯД», УЗ РШ2731/4. Электрическая емкость датчиков от 3 пф и выше (практически без ограничений) согласуется со входом усилителя заряда. Выходное напряжение 5 В, 10 В. Выход аппаратуры рассчитан на работу с аналогово-цифровыми преобразователями, осциллографами, магнитными накопителями и т.д. В АНЧ для согласования ТМ с внешней электрической цепью используют усилитель постоянного тока (УПТ), затем выход УПТ согласуют с входом усилителя низкой частоты. Входной каскад УПТ выполнен по дифференциальной схеме.

ЕЧЭ датчика от внешних электромагнитных воздействий защищен корпусом, сеткой, экраном путем соединения экранов проводов АВКТ-6 с основным экраном 3 и местным заземлением в точке В. Введение дополнительных элементов в устройстве (датчике) позволяют изолировать емкость ЕЧЭ датчика от емкости кабеля с помощью введения цепи резисторов R1, R2, второго конденсатора С1 и компенсировать емкость кабеля. В случае когда УЗ не находится внутри корпуса датчика рядом с ЕЧЭ, это позволяет увеличить расстояние между датчиком и усилителем заряда в (частности до 50 м). Длина кабеля между датчиком и УЗ ограничивается только проводимостью кабеля и частотными свойствами ЕЧЭ. Выбранные резисторы R1, R2 по величине одинаковы. Надежность датчика повышается путем размещения УЗ в корпусе датчика и за счет защиты УЗ от попадания напряжения поляризации на его вход. Первый конденсатор С2 соединен между ЕЧЭ и УЗ. Надежность также повышается за счет измерения полезного сигнала и подачи напряжения питания ТМ и поляризации ЕЧЭ датчика с одним кабелем (проводом).

Четырехплечный ТМ выполнен с разными сопротивлениями от r=30-400 Ом; r=100-400 Ом; r=200-400 Ом. При этом напряжение на выходе АНЧ U_вых=±5 В (при сопротивлении нагрузки 160-170 Ом). ТМ, разработанный на базе «кремния на сапфире», питают напряжением постоянного тока 36 В или 15-42 В. Одновременно эти напряжения являются напряжением поляризации ЕЧЭ. Диэлектрическая пленка 8 содержит ЧЭТ 9, 10 для определения температуры и теплового потока. На нижнюю поверхность слоя 8 наносится термопара из двух металлов, никель (нижний) и медь (верхний). Сигналы снимаемые соответствуют температуре в месте соединения двух металлов. Оснащение пленки 8 (фиг. 1 сеч. А-А) термопарами 9, 10 и их расположение симметрично относительно друг друга позволяют сформировать ЧЭ теплового потока. Максимально возможным термоэлектрическим эффектом обладают слои металлов, которые могут наносится путем испарения в вакууме. Этому требованию удовлетворяют никель и медь. Для выравнивания их омических сопротивлений площадь обкладок из никеля (нижние) выбирают в 1,4-1,6 раза больше площади обкладок меди. Выбор соотношения вне указанных пределов усложняет согласование ЧЭТ 9, 10 с ПУ 37, 38, в частности, при балансировке резисторов, ПУ 37, 38. Пределы характеризуются температурными коэффициентами двух металлов (α_Cu=0,0045 и α_Ni=0,0068). Толщина ЧЭТ 0,18-0,2 мкм, размерами 1×1 мм или диаметрами от 1 мм до 4 мм.

Таким образом, предполагается, что предложенное устройство позволяет в заданной точке ИО одним датчиком, состоящим из ТМ, ЕЧЭ и ЧЭТ, одновременно с измерением звукового давления измерять давление звука, статическое давление, температуру, тепловой поток. При этом на выходе ТМ и ЕЧЭ имеем информацию об измерении давления без влияния температуры на результаты измерения.

Устройство функционирует следующим образом.

Датчик располагают на определенном участке ИО и на него не задают давление (его изолируют от воздействия давления) Р=0 и задают температуру от 20 до 100°С.

При этом с выхода АНЧ и УН на индикаторе регистрируют сумму сигналов собственных шумов аппаратуры и тепловой шум, т.е. измеряют нулевые сигналы. На выходе АНЧ регистрируют электрический сигнал U_0θ. Одновременно с выхода ПУ регистрируют U_θ, т.е. электрический сигнал, пропорциональный тепловому шуму. Одновременно с выхода АНЧ и УН сигналы U_0θ и передают через I-е положение переключателя 30 блока памяти 31, 35 и индикатор для запоминания и хранения. Напряжение с выхода ПУ 38 подают на входы блоков памяти 31, 35. С выхода ПУ 37 сигнал U_θ подают на индикатор. На выходе УН регистрируют . На датчик задают в первом положении стандартное калибровочное звуковое давление Р≠0 и температуру. В этом случае с выхода АНЧ регистрируют сигнал U_выхθ и на выходе УН - , сигналы с U_выхθ, с выходов АНЧ, УН через II-е положение блока 30 подают на входы блоков вычитания 32, 36, где после операции вычитания полезные выходные сигналы АНЧ и УН - на входы индикатора и блока вычитания 33, т.е. измеряют основной сигнал. Оба сигнала регистрируют в индикаторе, затем определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов, т.е. определяют значение последних сигналов с выхода АНЧ ΔU_вых=U_выхθ-U_0θ; с выхода ; при этом коэффициенты преобразования каналов определяют как:

На датчик, т.е. на мембрану, где сформирован ТМ и образован ЕЧЭ, задают давление звука (во втором положении переключателя), с непериодической функцией времени в виде интеграла Фурье. Задаваемое давление звука P(t) ИО с периодом Т, удовлетворяющее условиям Дирехле, представляют в виде ряда Фурье с вещественными членами как: , где P(t), Р₁, B_k и C_k имеют размерность измерения давления, их определение известно в измерительной технике, ω - угловая частота.

Указывают, что параметры P(f), Р₀, B_k, C_k и т.д. непериодических функций выражены в виде суммы бесконечного множества синусоидальных функций с бесконечно малыми амплитудами давления с частотами, имеющими все возможные значения -∞ до +∞.

При этом в заданном участке ИО одновременно с одним датчиком (с одной мембраной) на выходе АНЧ регистрируют электрическое напряжение:

,

где

Как видно из формул, на выходе УН имеют звуковое давление P(t)≡U(t)≡U(θ) при постоянной составляющей U₁≡P₀; и переменных составляющих U_B≡B_k, U_C≡C_k; напряжения в этой цепи. Следовательно, постоянная составляющая давления на входе ЕЧЭ равна нулю. И эта цепь представляет собой бесконечное сопротивление U₁ для прохождения, т.е. U₁=0. Далее сигналы с выхода АНЧ и УН одновременно поступают на индикатор для регистрации и дальнейшей обработки и на выходы блока вычитания 33. До произведения вычитания в блоке 33 сигналы с выходов АНЧ и УН подают на блоки вычитания 32, 36 для выделения из общего сигнала сигнала теплового шума . После вычитания в последнем блоке 33 получим основной сигнал, несущей информацию об избыточном статическом давлении P_избыт ИО пропорционально напряжению U_АНЧ. Значение U_АНЧ регистрируют на индикаторе. Далее истинное значение давления звука на выходе АНЧ определяют как: U(t)_θ-U_0θ=ΔU_АНЧ, затем .

На датчик задают два разных по величине статических давления (второе положение переключателя), допустим . Давление P₁ действует со стороны защитной сетки, и давление действует через опорную трубу. При этом на выходе АНЧ после выделения напряжения теплового шума имеем электрическое постоянное напряжение , несущее информацию о дифференциальном давлении . Величину давления определяют как: . Эти напряжения регистрируют в индикаторе. Все указанные измерения проводят при наличии связи полости датчика за мембраной через опорную трубу и многочисленные опорные отверстия 18 (фиг. 1 сеч. Б-Б).

Опорная труба закрыта крышкой, и полость датчика (за мембраной) изолируют от атмосферного давления и со стороны защитной сетки на мембрану задают статическое давление . При этом на выходе АНЧ после выделения сигнала теплового шума регистрируют постоянное напряжение , несущее информацию об абсолютном статическом давлении , где - атмосферное давление; - заданное. Величину определяют как: . Все величины регистрируют в индикаторе. При этом на выходе УН имеем лишь сумму сигналов, сигналов шумов аппаратуры, теплового шума и внешних помех. Сигнал на выходе УН равняется нулю.

Звуковое давление, преобразованное емкостным датчиком в электрический сигнал, согласуют в УЗ, усиливают в УН и на его выходе имеют сигнал, соответствующий звуковому давлению, и определяют как: .

Датчик располагают в звуковом поле и на мембрану задают звуковое давление (второе положение переключателя) . При этом на выходе АНЧ и УН. после выделения теплового шума регистрируют одинаковый сигнал, несущий информацию о звуковом давлении, т.е. .

Истинное значение звукового давления определяют с помощью коэффициентов преобразования с выходов АНЧ и УН аналогичным образом как в предыдущем пункте, т.е. .

Чтобы с выхода ЕЧЭ зарегистрировать сигнал от воздействия статического давления, УЗ и УН заменяют мостом переменного тока, в частности, типа Р-589. В этом случае при изменении статического давления от нижнего до верхнего предела определяют изменения выходного сигнала от нижнего до верхнего значения, пропорционального изменению измеряемого давления (от до ). При этом определяют приращение емкости ΔС=С_т±С₀; где С_т - текущее значение емкости ЕЧЭ, когда ; С₀ - начальная емкость ЕЧЭ при давлении P_ст=0. Кроме моста Р-589, для измерения можно использовать специально разработанную аппаратуру. Рассмотрение последнего вопроса не входит в рамки предложенного изобретения.

При тепловом потоке Ф через диэлектрическую пленку 8, верхние 10 и нижние 9 термопары испытывают действие температур θ₁ и θ₂ соответственно. Зависимость между электродвижущей силой и температурами горячего и холодного спаев устанавливается коэффициентом пропорциональности. Тепловой поток определяется измеренной разностью температур, коэффициентом теплопроводности и толщиной диэлектрической пленки 8 (фиг. 1 сеч. А-А) , где - теплопроводность полиимидной пленки. Значения термоэлектродвижущей силы определяются приблизительно. Оно зависит от структуры и чистоты металлов. При температуре холодного спая 0°С используется выражение Е=Аθ+Вθ² [мкВ]. Для меди имеем постоянные А=2,76; В=0,006, области температур 0-100°С; для никеля А=-16,3; В=-0,027, область температур -200 до +100°С. Для снижения погрешности в стадии измерения принято использовать проводники для подводящих проводов из того же материала, что и основные ЧЭТ. Это условие можно выполнить, если подобрать пару проводящих проводов А, В; С, Д и А′, В′; С′, Д′ к температуре так, чтобы при любых температурах выполнялось требование Еc-Е_Д=Е_A-Е_B и Е_C′-Е_Д′-Е_A′-Е_B′. Таким образом, суммарная погрешность измерения выходного сигнала ΔЕ=ΔE_m+ΔE_n, где реальная погрешность измерения может достигать до 20%. ΔE_m, ΔE_n - погрешности термопары и подводящих проводов соответственно. Коэффициент преобразования чувствительности ЧЭТ определяют как: , выражается в милливольтах на °С, зависит от химического состава и физической обработки материалов и изменяется в зависимости от температуры. Например, приближенное значение термоэлектрической чувствительности мВ/°С для термопар из меди и никеля определяется как разность чувствительностей, т.е. S=-(-15)+6,5=21,5 мВ/°С где 6,5 - для меди.

Принцип работы устройства. При изменении давления ΔР деформируются слои металлической 13 и диэлектрической 16 пленок. За счет деформации мембраны одновременно изменяется расстояние между мембраной 13 и нижней обкладкой конденсатора 12. За счет прогиба мембраны 13 происходит деформация ТМ 17. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость ЕЧЭ 15 С₀, сопротивление ТМ r₀, приращения ΔС, Δr и относительное изменение емкости ΔС/С₀ (ЕЧЭ) и Δr/r₀ (ТМ). Напряжение поляризации постоянного тока U_п из блока 28 через резисторы R₁ и R₂ подают металлическому слою 13, экрану 3 датчика и на экран кабеля АВКТ-6. Сигнал с выхода нижней обкладки 12 ЕЧЭ снимают через центральную жилу кабеля 12. Напряжение U_п с выхода блока 28 подают к одной из диагоналей а, б ТМ 17. При этом напряжение на выходе ЕЧЭ (между обкладками 12 и 13) и ТМ (между другими диагоналями в, г моста) пропорционально приращению ΔС/С₀, Δr/r₀, напряжению поляризации ЕЧЭ и питания ТМ соответственно.

С этой целью в ЦАГИ был исследован ЕЧЭ из кремния с диаметром мембраны 4 мм, расстоянием между плоской мембраной толщиной 6 мкм и нижней обкладкой 1 мкм. Амплитудная характеристика определялась при уровне звукового давления от 0 до 11 Па (0-131 дБ), частоте 30 Гц.

Неравномерность АЧХ в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц составляет не менее 12-15%. Нелинейность амплитудной характеристики меньше одного процента. Коэффициент преобразования канала 1,26 мВ/Па. Собственные шумы и помехи на выходе УЗ 30-40 дБ. Напряжение поляризации ЕЧЭ 100 В. ТМ сопротивлением r₀=800 Ом создан на базе ЧЭ давления толщ. 15 мкм, диаметром 3 мм из кремния. С помощью этого датчика возможно измерять звуковое давление (при условии, что статическое давление ИО равно нулю), давление звука и статическое давление (при условии, если звуковое давление ИО равно нулю). Коэффициент преобразования этих датчиков находится в пределах 0,55-3,5 мкВ/Па. Верхний предел от диапазона измерения давления датчиков по линейности не менее 160 дБ. Кратковременно и повторно кратковременно 170-200 дБ. Напряжение разбаланса датчиков при работе с аппаратурой АНЧ-22 от начального значения (уход нуля) в течение 50 мин находилось в пределах 7,5-120 мкВ. Напряжение питания ТМ 5 В.

Зависимости изменения приращения емкости и выходного нулевого сигнала ЕЧЭ с твердым диэлектриком из полиимида размерами 6×9 мм проверялось при температуре от 25 до 100°С. При 100°С нулевой сигнал увеличивался в семь раз от первоначального значения (0,468 В). При начальной емкости датчика 20,6 пФ с ростом температуры до 100°С емкость датчика увеличивалась 1,3 раза. Измерение емкости было проведено мостом Р-589. Датчики были наклеены на поверхности тензометрической линейки согласно ГОСТ 21615-76. Температуру измеряли обычным термометром.

В НИИтеплоприбор на базе технологии плазменохимического травления «кремния на искусственном сапфире» были модернизованы серии датчиков. Например, в комплекс «Сапфир-22М» входят 45 различных моделей датчиков абсолютного давления («Сапфир 22М-ДА»), избыточного давления («Сапфир 22М-ДИ»), разрежения («Сапфир 22М-ДВ», «Сапфир 22М-ДИВ»), разности давлений («Сапфир 22М-ДД») и т.д. (журнал «Приборы и системы управления», 1990, №1 стр. 27-30).

Высокий технико-экономический эффект достигается за счет совокупного действия известных решений, и это выгодно отличает изобретение от выбранных аналога и прототипа. Конкретным решением является возможность в одной конструкции с одним ЧЭ давления и двумя ЧЭТ одновременно в заданном участке измерять давление звука, звуковое давление, (пульсации, ударные, взрывные, ветровые волны), статическое давление (избыточное, абсолютное, дифференциальное, температуры, теплового потока), позволяет получить ряд преимуществ: выделить из основного сигнала сигнал тепловых шумов и помех, сократить затраты на эксперимент, сократить затраты на материалы для изготовление датчиков, повысить помехоустойчивость измерительных каналов, сократить число токоведущих проводов, расширить область применения, повысить надежность.

Устройство для измерения давления и температуры, содержащее основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану с краевым, например, тороидальным профилем плоской формы или с гофрированным профилем, собранные в пакет, штырьки, соединяющие обкладку, мембрану, основной экран, тензометрический мост с внешней цепью, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, на поверхности мембраны сформирован тензометрический мост, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки, тензометрический и емкостной чувствительные элементы датчика на основе «кремния на сапфире», защитная сетка, клеммная колодка с разъемами, опорная трубка с крышкой, корпус, залитый мягким герметиком, по два резистора и конденсатора, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем датчик снабжен аппаратурой низкой частоты, источником питания постоянного тока, усилителем заряда и напряжения, блоком вычитания, индикатором, причем емкостной чувствительный элемент и тензометрический мост соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одним напряжением, а блок вычитания расположен внутри корпуса датчика, отличающееся тем, что дополнительно введены два чувствительных элемента температуры горячего спая, симметрично расположены между собой на верхней и нижней поверхностях диэлектрической пленки, два чувствительных элемента температуры холодного спая, холодный спай термопары располагают вне корпуса устройства, обеспечивают температурой таяния льда и их соединяют между собой и через переключатель подсоединяют к индикатору, металлическое кольцо, по два потенциометрических усилителя, блока памяти, один переключатель, три блока вычитания, причем в первом положении переключателя выход аппаратуры низкой частоты, усилителя напряжения через переключатель, блоки памяти, блоки вычитания подсоединены к входам индикатора, во втором положении переключателя выходы аппаратуры низкой частоты и усилителя напряжения через переключатель соединены с входами трех блоков вычитания и их выход соединен со входом индикатора, выходы двух чувствительных элементов температуры через потенциометрические усилители и блок вычитания соединены с индикатором, выход одного из потенциометрических усилителей подсоединен к индикатору, выход другого потенциометрического усилителя через блоки памяти подсоединен тоже к индикатору, причем усилитель заряда смонтирован внутри корпуса датчика на нижней поверхности, монтажной платы, корпус датчика подсоединен к общей шине в точке В устройства, на второй части конструкции датчика, состоящей из двух диэлектрических пленок и чувствительных элементов температуры, через них выполнены не менее десяти сквозных опорных отверстий, полость емкостного чувствительного элемента за мембраной связана с атмосферой через опорную трубку, проходя сквозь первую часть конструкции датчика, состоящего из монтажной платы, воздушной прослойки, клеммной колодки разъемов, экрана на поверхности диэлектрической пленки и заливочного компаунда, причем воздушная прослойка образована между первой и второй частями конструкции датчика, а между первой и второй частями конструкции датчика расположено металлическое кольцо.