Способ определения пульсаций давления и емкостный датчик давления для его осуществления

 

Использование: в области измерительной техники для измерения распределения пульсации давления на поверхности легко деформируемых изделий. Сущность изобретения: датчик имеет несколько чувствительных элементов. Одна группа чувствительных элементов предназначена для измерения влияния деформации. Вторая группа расположена симметрично над первой группой чувствительных элементов и обтекается потоком газа. Для регистрации давления первая и вторая группы чувствительных элементов расположены симметрично и соосно в виде пакета. Датчик содержит семь металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок. Способ измерений пульсаций давления позволяет отделить сигнал деформации от основного сигнала давления. Пакет датчика наклеивают на поверхность изделий. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

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

Известен емкостной датчик давления. Датчик разработан на базе четырех диэлектрических пленок. На двух пленках сформированы обкладки конденсатора с выводами и боковые экраны, между ними расположена перфорированная третья пленка. Четвертая пленка является изолятором между основным экраном и изделием.

Такой датчик не обеспечивает измерения давления с учетом влияния деформации на поверхности деформируемого изделия (см. Портат М. и др. Пленочные датчики давления и их применение. Перевод Е-32663, ЦООНТИ/ВНО, 1983, Recherche aerospaciale N 3, 1982, с. 177 186).

Известен способ измерения пульсации давления пленочным датчиком давления. Датчик поляризуют напряжением постоянного тока. Один из выводов соединяют с обкладками конденсаторов, другой вывод с изделием. Сигнал снимают с каждой обкладки и подают на вход согласующих усилителей. После согласования сигнал усиливают в основном усилителе и подают на индикатор. Боковые экраны и основной экран соединяют с выходом согласующего усилителя.

Этот способ не позволяет измерить давление с учетом влияния деформации на результаты измерения давления деформируемого изделия (см. Портат М. и др. Пленочные датчики давления и их применение, перевод Е-32663, ЦООНТИ/ВНО, 1983, Recherche aerospaciale N 3, 1982, с. 177 186).

Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является конструкция тонкопленочного емкостного датчика давления, разработанного на основе трех диэлектрических пленок. Первая диэлектрическая пленка, основание датчика, является изолятором между датчиком и изделием. На верхней поверхности первой пленки сформированы обкладки конденсатора с выводами и боковой экран. Вторая пленка перфорированная и расположена между первой и третьей пленками. На обеих поверхностях третьей диэлектрической пленки сформированы обкладки с выводами конденсаторов и боковые экраны. Такой датчик не позволяет измерить давление с учетом влияния деформации изделий (см. авт.св. СССР N 1577483, кл. G 01 L 7/08).

Известен способ измерения пульсации давления емкостным пленочным датчиком давления. Напряжение поляризации подают на одну из обкладок конденсатора, другой конец соединяют с "0" питанием согласующего усилителя. Выходы датчика через коаксиальный кабель соединяют с входом согласующего усилителя. Экран коаксиального кабеля соединяют с корпусом усилителя, заключенный во второй корпус и электрически изолированный от первого корпуса. Далее с выхода усилителя согласования сигнал поступает в измерительную аппаратуру для усиления и обработки (см. патент СССР N 1806334, кл. G 01 L 9/12).

К недостаткам датчиков и способов, описанных в качестве аналогов и прототипов, можно отнести: отсутствие в датчике чувствительных элементов /ч.э./ для регистрации сигнала, возникающего в процессе деформации изделий, высокую погрешность измерения, так как из основного сигнала невозможно выделить сигнал деформации.

Целью изобретения является расширение области применения и повышение качества измерения. Техническим результатом является введение в конструкцию датчика дополнительных ч.э. для регистрации сигнала деформации и выделения из основного сигнала давления сигнала деформации.

Технический результат достигается тем, что емкостной датчик давления, содержащий не менее трех диэлектрических пленок, на одной из которых сформированы обкладки с выводами и боковые экраны, на другой пленке на одной из поверхностей сформированы обкладки с выводами и боковой экран, еще одна пленка, перфорированная, содержит дополнительно четыре диэлектрические пленки, две из них, первая и четвертая, являются изоляторами, на верхней поверхности третьей пленки расположен основной экран, на нижней поверхности седьмой диэлектрической пленки сформированы обкладка с выводами и боковой экран, перфорированная шестая пленка расположена под ней, причем первая диэлектрическая пленка, являющаяся основанием, расположена под второй, которая содержит на обеих поверхностях обкладку с выводами и боковой экран, четвертая диэлектрическая пленка расположена между основным экраном и пятой диэлектрической пленкой, у которой обкладки с выводами и боковой экран расположены на нижней поверхности.

Технический результат также достигается тем, что при способе измерения пульсаций давления, при которых на поверхность объекта наклеивают пленочный датчик давления, задают пульсации давления на поверхности второй группы чувствительных элементов датчика, наиболее чувствительной к давлению и менее чувствительной к деформации, без деформации изделия, измеряют сигналы, например, напряжения, на выходах первой, наиболее чувствительной к деформации и менее чувствительной к давлению и второй группы чувствительных элементов, определяют полезный сигнал , где U_общ.1,2 напряжение первой и второй групп датчика; U_пом.1,2 напряжение помехи первой и второй групп чувствительных элементов датчика; U_пол.1,2 полезные напряжения первой и второй групп чувствительных элементов датчика, определяют коэффициенты чувствительности по давлению S₁, S₂ первой и второй группы чувствительных элементов датчика: где P заданное значение пульсации давления, затем в рабочем, т.е. в деформируемом состоянии изделия от воздействия давления со стороны второй группы чувствительных элементов датчика с выхода усилителя напряжения регистрируют сигналы от воздействия давления и деформации в первой и второй группах чувствительных элементов в виде:

где
U^lfdk&_деф.1 напряжение первой группы чувствительных элементов от воздействия деформации и давления;
U^lta&_давл.2 напряжения второй группы чувствительных элементов,
причем сигнал от воздействия давления на первой группе чувствительных элементов датчика определяют как

где
U_деф.1 сигнал от воздействия деформации напряжений первой группы чувствительных элементов,
полезный сигнал /напряжение/ от воздействия давления со стороны второй группы чувствительных элементов выделяют из общего сигнала /напряжения/, несущего информацию о воздействии давления и деформации по формуле:

где
U_давл.2 полезное напряжение во второй группе чувствительных элементов от воздействия давления,
величину измеряемого давления определяют по формуле:

На чертеже изображена конструкция датчика давления с блок-схемой измерения.

Основанием датчика является изоляционная пленка 1, которая изолирует изделие от бокового экрана 2, обкладка 3 с выводами, на верхней поверхности второй пленки 4 сформированы боковой экран 5 и обкладки 6 с выводами, третья диэлектрическая пленка 7 содержит основной экран 8, четвертая диэлектрическая пленка 9 является изолятором, боковой экран 10, обкладки конденсатора 11 с выводами сформированы на нижней поверхности пятой диэлектрической пленки 12, шестая пленка 13 перфорированная, боковой экран 14 и обкладка с выводом конденсатора 15 сформированы на нижней поверхности седьмой диэлектрической пленки 16. Собранный пакет скрепляют на поверхности изделия 17 /сечение Д-Д/. Датчик поляризуется источником постоянного тока 18 /сечения А-А, Г-Г/. С выходов обкладок сигнал подается на согласующий усилитель 19, затем на усилитель напряжения 20 /основной усилитель/ и индикатор 21 /см. сечения Б-Б, В-В/.

Конструкция этого датчика предназначена для измерения пульсации давления от примерно 10 до 5·10⁴ Па датчиком, наклеенным на поверхность изделия, подвергающегося деформации.

Если изделие 17 из металла, оно изолируется электрически от обкладки 3 с выводами и бокового экрана 2 диэлектрической пленкой 1. На поверхности второй диэлектрической пленки 4 сформированы первые группы дополнительных ч.е. состоящие из обкладок 6 с выводами. Эта группа ч.е. наиболее чувствительна к деформации и менее чувствительна к давлению, воздействующему на верхнюю поверхность датчика. Чувствительность к давлению снижается за счет верхних слоев пленки. Таким образом, сигнал от воздействия деформации и давления снимается с выводов r. Защиту обкладок с конденсаторов 6, 11 с выводами от внешних электромагнитных помех осуществляют общим экраном 8 на третьей диэлектрической пленке 7. Вторая группа ч.е. формируется из обкладок 11, 15 с выводами боковых экранов 14, 14 на поверхностях пятой 12 и седьмой 16 диэлектрических пленок. Между последними двумя пленками расположена шестая перфорированная пленка 13. Диаметр отверстия перфорации от 0,5 6 мм, число отверстий от одного до нескольких десятков, размеры обкладки: 4х6^oC6х9 мм. Чувствительность ч.э. второй группы больше чувствительности ч.э. первой группы минимум на два порядка за счет перфорированной пленки. Эта группа ч.э. менее чувствительна к деформации из-за того, что деформация передается ч.э. через несколько слоев пленки и клея. Клей между слоями пленки легко деформируется и значительно препятствует передаче деформации изделий, не передается слоям пленки ч. э. и защищает их от вибрации. Во второй группе ч.э. сигнал от воздействия давления и деформации регистрируется с выводов 6. Напряжение поляризации подают к выводам с обкладок 3, 15. Эти обкладки выполнены сплошными прямоугольной формы и одновременно являются экраном от внешних электромагнитных помех для защиты обкладок 6, 11 с выводами.

Способ измерения пульсации давления на поверхности деформируемого изделия реализуется следующим образом:
1. До сборки пакета на поверхности изделий предварительно градуируют ч. э. и определяют чувствительность с учетом помехи.

2. После наклейки пакета датчика на поверхность изделия в статическом состоянии исследуемого объекта без деформации градуируют датчики по известной методике определяют чувствительность каждого ч.э. первой и второй групп. При этом полезный сигнал из первой и второй групп ч.э. отделяют от сигнала помехи следующим образом:

где
U_пол.1,2 полезный сигнал на выходе измерительной аппаратуры с ч.э. первой и второй групп соответственно;
U_общ.1 измеренное значение сигнала первой и второй групп на выходе измерительной аппаратуры с датчиками при воздействии давления;
U_пом.1,2 напряжение помехи на выходе измерительной аппаратуры, когда воздействие давления на ч.э. первой и второй групп равняется нулю. После этого определяют коэффициент чувствительности первой и второй групп ч.э.

где
P давление, зарегистрированное контрольным датчиком в процессе градуировки.

С учетом особенностей конструкции датчика, что ч.э. первой группы практически изолированы от воздействия пульсаций давления /величиной 0 - 10⁵ Па/, незначительное значение выходного сигнала соразмерно с величиной сигнала помехи, можно пренебречь его влиянием на результаты измерения сигнала от воздействия деформации изделия. При этом определяют нижнее и верхнее значения давления /порог чувствительности первой и второй групп ч.э./. В процессе градуировки и измерения с выводов в, г через согласующий усилитель 19 и усилитель напряжения 20 сигналы подают на входы индикатора 21 для дальнейшего анализа и обработки. Все блоки стандартные и известны в измерительной технике.

3. В рабочем состоянии изделий, т.е. при воздействии давления и деформации, с выводов в, г первой и второй групп ч.э. регистрируют сигналы на индикаторе. Далее на основе результатов измерения и градуировки из суммарного сигнала из каждой группы выделяют сигналы помехи и деформации:

где
U^lfdk&_деф.1,2 сигнал деформации от воздействия давления первой и второй групп;
U_Σ1,2 измеренное значение суммарного сигнала с выводов в, г на выходе измерительной аппаратуры при действии давления, деформации и помехи.

Полезный сигнал, несущий информацию только от воздействия давления во второй группе ч.э. определяют следующим образом:

где
U_деф.1 сигнал деформации без сигнала помехи и без влияния давления на первую группу ч.э.

После отделения сигнала деформации от основного сигнала величину искомого давления определяют как

Другим способом выделение из основного сигнала деформации осуществляют следующим образом:
Изделие деформируют под давлением /0 10⁵ Па/ в определенном диапазоне частот от 0 до 20 кГц. Регистрируют сигналы деформации с выходов в, г ч.э. первой и второй групп при условии, что давление на всех ч.э. равняется нулю, т.е. датчики изолированы от воздействия потока газа. Затем в статическом состоянии изделия без деформации датчик нагружают давлением в определенном диапазоне частоты и регистрируют сигналы с выходов всех ч.э. Из полученных результатов двух измерений определяют влияние деформации на основной сигнал в процентах.

В стадии обработки сигналов необходимо учитывать, что если давление изменяется периодически с определенной частотой, т.е. P = cosωt, то деформация тоже периодична и запаздывает на фазовый угол β относительно заданного давления. При этом деформация e и скорость деформации изменяются как

Если в уравнении деформации ε задать значение то давление P равно нулю при U 1,2,3. В этом случае остаточная деформация будет равна ε = ±δ_мак.sinβ Если напряжение от воздействия давления и деформации рассмотреть как связанные между собой, тогда общее напряжение U_общ. будет определяться как

Если оба напряжения U_дав. и U_деф. скоррелированы, тогда последнее уравнение можно представить как

где
γ коэффициент корреляций, он может принимать значения от +1 до -1. При g 0 U_дав. и U_деф. не связаны друг с другом; при g 1 эти напряжения U_дав. и U_деф. жестко связаны. Для значения g= 0^oC1 или g0^oC-1 эти напряжения имеют временную или частотную зависимость.

Например, в результате вращения лопасти несущего винта вертолета при взаимодействии потока газа с поверхностью лопасти возникают сигналы от пульсации давления и деформации. Величина пульсации давления составляет примерно 10-20% от общего уровня статического давления. Возникновение и исчезновение пульсации давления происходит одновременно со статическим давлением и эти два сигнала между собой скоррелированы, т.е. коэффициент g 1. Величина пульсации давления может меняться от нескольких единиц до нескольких тысяч Паскалей с частотой от 20 Гц до 20 кГц. Практически пульсация давления не может вызывать деформацию изделий. Если они возникают, то на фоне сигнала деформации от статического давления незначительно. Следовательно, сигнал деформации и сигнал пульсации давления между собой нескоррелированы и коэффициент g 0. Далее сигнал деформации и сигнал от воздействия пульсации давления с некоторым фазовым запаздыванием скоррелированы между собой коэффициентом g 1.

Принцип работы датчика. При изменении давления DP и деформации на поверхности деформируемого изделия с наклеенными датчиками изменяется расстояние между обкладками 11, 15 и 3, 6. В результате деформации и прогиба обкладок изменяется начальная емкость приращенные емкости ΔC и относительное изменение емкости Напряжение на выходе ав, аг /см. сечения А-А^oCГ-Г/ ч.э. датчика пропорционально приращению емкости и напряжению поляризации с выхода блока 18.

С этой целью в ЦАГИ были изготовлены и опробованы датчики с четырьмя ч. э. давления, наклеенные на поверхность деформируемой лопасти из композиционного материала. Размеры ч.э. 3х20 мм и 4х6 мм. Датчики были наклеены на верхней поверхности лопасти. Испытания проводились с вращающейся моделью при скоростях потока V 3,1^oC12,4 м/с, углах атаки α= 0-5^o, углах установки лопасти v= 0-15^o. Частота вращения модели составлял 185-1170 Па. Для определения влияния деформации на результаты измерения давления датчики были изолированы от основного потока. Сравнение показывает, что при наличии вращения изолированные датчики регистрируют сигнал от деформации не более 20% от уровня пульсации давления /185^oC1170 Па/.

Такое конструктивное решение датчика давления и одновременное измерение давления, влияние деформации изделия и выделение из основного сигнала деформации предлагаемым способом выгодно повышает экономическую эффективность измерения за счет внедрения дополнительных ч.э. в конструкции датчика и расширения области применения.

Формула изобретения

1. Способ определения пульсаций давления, в котором на поверхность объекта исследования наклеивают пленочный датчик давления с первой группой чувствительных элементов, соединенных в пакет, отличающийся тем, что воздействуют пульсациями давления задаваемой величины на поверхность введенной второй группы чувствительных элементов датчика, установленной с возможностью чувствительности к давлению, большей по сравнению с чувствительностью к деформации, при статическом состоянии объекта исследования и в момент воздействия на него давления, измеряют сигналы в виде напряжения на выходах первой группы чувствительных элементов датчика, установленной с возможностью чувствительности к деформации, большей по сравнению с чувствительностью к давлению, и на выходах второй группы чувствительных элементов определяют полезные сигналы по формулам


где U_общ.1, U_общ.2 сигналы в виде напряжения от первой и второй групп чувствительных элементов датчика соответственно в момент воздействия давления;
U_пом.1, U_пом.2 сигналы в виде напряжения от первой и второй групп чувствительных элементов датчика при статическом состоянии объекта исследования;
U_пол.1, U_пол.2 полезный сигнал в виде напряжения от первой и второй групп чувствительных элементов датчика,
затем определяют коэффициенты чувствительности по давлению первой и второй групп чувствительных элементов датчика по формулам
S₁ U_пол.1/P,
S₂ U_пол.2/P,
где Р задаваемая величина пульсации давления,
затем воздействуют на объект исследования рабочим давлением со стороны второй группы чувствительных элементов датчика и регистрируют сигналы, преимущественно напряжения, от воздействия давления и деформации в первой и второй группах чувствительных элементов, причем сигнал от воздействия деформации на первую группу чувствительных элементов датчика U_деф.1 определяют по формуле

где U^lfdk&_деф.1 - сигнал в виде напряжения от воздействия деформации и давления на первую группу чувствительных элементов,
затем сигнал U_давл.2 от воздействия давления на вторую группу чувствительных элементов определяют по формуле

где U^lta&_давл.2 - сигнал в виде напряжения от воздействия деформации и давления на вторую группу чувствительных элементов датчика,
а величину искомого давления Р₂ определяют по формуле
Р₂ U_давл.2/S₂.

2. Емкостный датчик давления, содержащий диэлектрическую пленку, на которой сформированы обкладки с выводами и боковые экраны, другую диэлектрическую пленку, на одной из поверхностей которой сформированы обкладки с выводами и боковой экран, и диэлектрическую пленку, выполненную перфорированной, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными четырьмя диэлектрическими пленками, при этом все пленки соединены в пакет, в котором первая и четвертая пленки выполнены в виде изоляторов, на поверхности третьей пленки, обращенной к второй, расположен введенный основной экран, на наружной поверхности седьмой диэлектрической пленки сформированы обкладка с выводами и боковой экран, перфорированная пленка является шестой, первая диэлектрическая пленка выполнена в виде основания, пленка с обкладками с выводами и с боковыми экранами, расположенными на обеих поверхностях пленки, выполнена второй, пленка с обкладками с выводами и боковым экраном, сформированными на одной из поверхностей, выполнена пятой, при этом обкладка с выводами и боковой экран расположены на поверхности этой пленки со стороны шестой, а четвертая пленка расположена над основным экраном третьей пленки.

РИСУНКИ

Рисунок 1