Интеллектуальный преобразователь
Владельцы патента RU 2696068:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)
Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тензорезисторных преобразователей давления. В интеллектуальный преобразователь введен узел, отвечающий за динамическую коррекцию установочных параметров на основе измеряемого преобразователем давления. Технический результат данного решения состоит в повышении степени воздействия на внешнее управляемое устройство за счет сравнения скорости изменения давления при приближении к заданным граничным значениям по давлению. 2 ил.
Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тензорезисторных преобразователей давления.
Тензорезисторные преобразователи давления относятся к изделиям, использующим в качестве чувствительных элементов тонкопленочные тензорезисторные среды. Преобразователь для вывода информации об измеряемой величине использует индикатор. Эта совокупность преобразователя и индикатора обычно определяется как датчик (датчики давления, температуры и другие). Сигнал чувствительного элемента преобразователя чаще всего требует соответствующей обработки и анализа. Современным направлением в их развитии является наделение преобразователей некоторыми функциями, позволяющими говорить об определенной степени интеллектуализации. К действиям, выполняемыми встроенными в преобразователь устройствами, можно отнести самоконтроль, самодиагностику, учет нелинейности и температурных зависимостей параметров чувствительного элемента и соответствующая их корректировка. Названные характеристики преобразователя следует отнести к встроенным интеллектуальным внутренним функциям. Если данные с преобразователя используют для управления внешними устройствами, то можно говорить об интеллектуальных внешних функциях преобразователя. Для выполнения указанных интеллектуальных действий применяют микрокомпьютеры (другое название микроконтроллеры, микропроцессоры, см., например, пат. US №4644482, G01N 7/00, 21.12.1984). Для их монтажа были сделаны необходимые доработки конструкции в ряде преобразователей. При этом имеются некоторые разновидности расположения микросхем с контроллерами относительно чувствительного элемента: рядом с чувствительным элементом (см. например, пат. US №6140144, H01L 21/0014.04.1997), на крышке чувствительного элемента, ориентированного на измерение абсолютного давления (пат. RU №.2564378, G01L 9/04, 22.05.2014), вдоль оси перпендикулярной к чувствительному элементу (пат. US №9046436, G01L 7/00, G01L 9/00, G01L 19/14, 27.03.2012) и на чувствительном элементе (пат. US №9772242, G01L 9/00, G01L 9/00, G01L 19/14, от 14.12.2014).
В первом случае, для присоединения микросхемы к чувствительному пьезорезистивному элементу используют провода. Вывод от микросхемы для присоединения внешнего устройства не раскрывается. Указанное расположение микросхемы увеличивает геометрические размеры преобразователя.
Во втором случае для расположения микросхемы используют крышку чувствительного элемента, предназначенного для измерений абсолютного давления. Контактные площадки сформированы прямо на ней, и к ним приваривают проводники для вывода на контактные площадки корпуса преобразователя. Расположение работающей микросхемы на чувствительном элементе может привести к изменению температуры элемента и, соответственно, внести определенный вклад в температурную погрешность. Кроме того, размеры чувствительного элемента должны соответствовать размерам устанавливаемой микросхемы.
При расположении обрабатывающей выходной сигнал микросхемы перпендикулярно чувствительному элементу потребовалось реализовать оригинальный узел передачи сигнала с чувствительного элемента на микросхему. А именно, на оголовок чувствительного элемента накладывают кольцо с контактными площадками, расположенными вровень с чувствительным элементом, для соединения контактных площадок чувствительного элементапроводниками с контактными площадками устанавливаемого кольца. В выемки указанного кольца устанавливают ответной частью плату с микросхемой. При этом контактные площадки, имеющиеся на ответных частях, вступают в соединение с контактными площадками кольца. С противоположной стороны на металлизированные выводы устанавливают выводящие обработанный микросхемой сигнал клеммы.
Конструкция имеет увеличенные размеры в длину, но это компенсируется простотой сборки устройства.
Известны зарубежные аналоги, в которых применяют интеллектуальные преобразователи давления, содержащие функции его контроля и диагностики. Так фирма «United Electric Controls» выпускает приборы UEONESERIES, имеющие самотестирование и диагностику, программируемые точки уставок, память для
технологических параметров. Встроенный микропроцессор обеспечивает точность измерения 0,5% и воспроизводимость результатов 0,1%, при этом он контролирует работу реле, повышая его надежность. (www.cis-automation.ru, http://www.cis-automation.ru/Catalog/RUSSIAN/8W-R.pdf, найдено в Интернете 31.10.2017).
Если в указанном выше приборе точки уставок программируют, что не учитывает реальные скорости срабатывания управляемых реле давления устройств, то в способе управления клапаном регулирующего вентиля используют сигнал уставки величиной от 4 до 20 мА или сигнал управления, генерируемый контроллером процесса (патент РФ №2424449, F15B 9/03, от 17.01.2006). При этом сигнал сначала подают в цепь фильтра "опережение запаздывание", а затем в управляющую клапаном схему. То есть здесь формирование уставок выполнено во внешней цепи управления, где также учитываются ошибки срабатывания клапана от заданного уставкой.
Известно техническое решение, принятое в качестве наиболее близкого к предлагаемому преобразователю, в котором микросхему обработки сигнала устанавливают непосредственно на диафрагме чувствительного элемента (пат. US №5629486, G01L 9/06, от 12.01.1996). В узле вывода сигнала с чувствительного элемента золотыми дорожками выполнено соединение пьезорезисторов, сформированных на кремнии, и микросхемы обработки сигнала. Такие же дорожки идут к выводам на клеммы подсоединения, установленным на цилиндрическом кольце. Несмотря на использование золотых контактов от микросхемы может исходить тепловой поток, особенно если она достаточно мощная из-за наличия разнообразных функций. Тепловой поток искажает сопротивление резисторов, расположенных по разные стороны от микросхемы. Это трудно учесть корректирующей функцией микросхемы, что влияет на погрешность измерений. Кроме того, температура измеряемой среды может быть высокой, что может привести к дополнительному нагреву микросхемы и повлиять на измеряемый параметр.
Технической задачей предлагаемого технического решения является усовершенствование конструкции преобразователя, улучшение его характеристик по надежности, работоспособности и стабильности, а так же расширение его функциональных возможностей.
Техническим результатом данного технического решения является конструкция преобразователя с дополнительными интеллектуальными функциями. При этом в предлагаемой конструкции повышается уровень воздействия на внешнее управляемое устройство, что осуществляется путем введения изменяемых установочных параметров и реализуется за счет сравнения скорости изменения давления при приближении к заданным граничным значениям по давлению.
Указанная задача решается тем, что в предложенном интеллектуальном преобразователе, содержащем корпус с чувствительным элементом, узел вывода сигнала с чувствительного элемента на микросхему обработки сигнала, в последнем используют керамическое кольцо с контактными площадками и выводами, с закрытою частью его площади другим керамическим кольцом, так что площадки присоединены к чувствительному элементу, при этом кольца устанавливают на металлическое кольцо в корпусе, так что край указанного металлического кольца находится вблизи плоскости чувствительного элемента, а керамическую плату для присоединения микросхемы устанавливают через металлическое кольцо, поставленное на второе керамическое кольцо, при этом в микросхеме предусмотрен узел вывода установочных параметров для управления внешним устройством, позволяющий по изменению скорости изменения давления измеряемого чувствительным элементом варьировать установочные параметры.
Размещение микросхемы на встроенной плате снижает влияние нескомпенсированных термических потоков и напряжений, так как она удалена от резисторов чувствительного элемента и доступна для соединения сваркой электрических соединений.
Расположение микросхемы на встроенной плате позволяет компактно поместить ее в корпусе, не меняя размеры и конфигурацию. Конструкция позволяет термически изолировать чувствительный элемент и микросхему путем уменьшения теплового потока от рабочей среды через керамические кольца и плату. При этом уменьшается влияние быстрых изменений температуры и высокочастотных механических колебаний, передаваемых от потока рабочей среды.
Разнесение чувствительного элемента и микросхемы не вызывает дополнительных напряжений как при изготовлении и сборке датчика, так и при его эксплуатации в широком диапазоне температур и измеряемых давлений.
Введение узла, ответственного за выдачу установочных параметров, позволяет использовать предлагаемую конструкцию для управления внешними устройствами с возможностью оптимальной подстройки под их характеристики.
Предложенное решение поясняется приведенными чертежами.
На фиг. 1 показан вид интеллектуального преобразователя давления, в котором показан преобразователь с контактными площадками узла вывода и микросхемой.
На фиг. 2 показан алгоритм использования интеллектуального преобразователя в качестве реле для управления внешним устройством.
В предлагаемой конструкции в качестве примера описывай чувствительный элемент, выполненный в виде структуры «кремний на сапфире» с тензорезисторами, соединенными между собой в мост Уинстона, и микросхемой, функции которой позволяют говорить об интеллектуальных свойствах преобразователя, и обозначены в обзорной части данного описания.
Как показано на фиг. 1, предлагаемый интеллектуальный преобразователь содержит герметичный корпус 1 с установленными в нем чувствительным элементом 2 давления. Для вывода сигнала с моста используют элементы узла вывода сигнала с чувствительного элемента посадочное металлическое кольцо 3, первое керамическое кольцо 4, второе керамическое кольцо 5, на которое сверху накладывается промежуточное металлическое кольцо 6.
В свою очередь на промежуточное кольцо 6 устанавливают керамическую плату 9 для монтажа микросхемы 10. На первом кольце 4 смонтированы выводы 8 и контактные площадки 7 с разводкой. Площадки 7 служат для присоединения к контактным площадкам на чувствительном элементе (не показаны) разваркой проводников, например, из тонкой алюминиевой проволоки. Плоские электрические соединения выполнены методами микроэлектронных технологий, например, электрохимическими методами или напылением. В корпусе 1 имеется канал (не показан) для подвода измеряемого давления среды, что позволяет использовать преобразователь для измерения относительного давления среды.
Механическое соединение чувствительного элемента и металлической мембраны выполнены высокотемпературной пайкой в вакууме припоем типа ПСр. Обычно микросхема имеет нормализованный или цифровой выход. В описываемом случае микросхема содержит узел, который позволяет выводить установочные параметры (уставки) для использования в управлении внешними пневматическими приборами, например, клапанами, захлопками или другими устройствами. Наличие микроконтроллера позволяет задавать и управлять уставками в зависимости от индивидуальных параметров внешних устройств. Скорости срабатывания электрических и пневматических схем внешних приборов могут существенно отличиться друг от друга. Только в случае, если датчик давления встроен в устройство регулирования вместе с клапаном, можно говорить о постоянстве уставок. Да и то в процессе эксплуатации износ оборудования будет требовать их подстройки.
Интеллектуальный преобразователь работает следующим образом.
Измеряемое давление рабочей среды поступает под чувствительный элемент 2, расположенного в герметичном корпусе 1 преобразователя, меняет форму чувствительного элемента и сопротивление тензорезисторов. В микросхеме 10 аналоговый сигнал от резисторов моста преобразуют в нормализованный или цифровой сигнал и подают дальше на выход преобразователя. Узел установочных параметров анализируют программой в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг. 2. Анализ позволяет определить используются ли контакты для подачи уставок, или преобразователь имеет только нормализованный или цифровой сигнал на выходе. На представленной схеме эта часть функций микросхемы представлена как наличие двух режимов работы. В первом случае (режим 1) преобразователь имеет на выходе только данные об измеряемой величине давления. В случае применения преобразователя с использованием функции реле (режим 2) выполняют сравнение скорости нарастания или уменьшения давления в зависимости от заданных установочных параметров. В случае если измеряемые параметры отличаются от требуемых границ поддержания давления, микросхема корректирует уставки, сдвигая или раздвигая их значения. Тем самым достигают оптимального использования возможностей управляемых внешних приборов. Интеллектуальный преобразователь подстраивается под способности внешней схемы регулирования давления и меняет установочные параметры в связи с возможными отклонениями характеристик внешнего управляемого окружения в процессе эксплуатации.
Предложенные усовершенствования использованы в конструкторской документации на выпускаемый преобразователь давления, что дало возможность повысить его технический уровень и функциональные возможности.
Разработанная технология изготовления усовершенствованной конструкции интеллектуального преобразователя позволяет достичь стабильности его рабочих характеристик, сохранить миниатюрность конструкции, обеспечить защиту от внешних факторов. Кроме того, расширяются его функциональные возможности по управлению внешними устройствами с требуемыми характеристиками выходного (входного) сигнала для различных значений давления.
Интеллектуальный преобразователь давления, содержащий корпус с чувствительным элементом, узел вывода сигнала с чувствительного элемента на микросхему обработки сигнала, отличающийся тем, что в узле вывода выходного сигнала используют керамическое кольцо с контактными площадками и выводами, с закрытой частью его площади другим керамическим кольцом, так что площадки присоединяют к чувствительному элементу, при этом кольца устанавливают на металлическое кольцо в корпусе в плоскости чувствительного элемента, а керамическую плату для присоединения микросхемы устанавливают через металлическое кольцо, поставленное на второе керамическое кольцо, при этом в микросхеме предусмотрен узел вывода установочных параметров для управления внешним устройством, позволяющий варьировать установочные параметры по изменению скорости изменения давления, измеряемого чувствительным элементом.
