Устройство для измерения статического давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления в авиационной технике и машиностроении методом без дренирования исследуемого объекта. Для этого используют матричный емкостной датчик из несколько чувствительных элементов на одной подложке. Устройство содержит матричный емкостной датчик давления, вспомогательный конденсатор, выполненный на пленочной основе, и преобразователь сигнала. Устройство также выполнено на основе интегральных микросхем. Матричный емкостной датчик подключен к цепи интегратора, выход последнего соединен с интегральной микросхемой для согласования и усиления сигнала с выхода матричного емкостного датчика. Вспомогательный конденсатор подключен к цепи дифференциатора. Выход первого усилителя через матричный емкостной датчик соединен со входом дифференциатора. К выходу дифференциатора подключена интегральная микросхема с целью обеспечения низкого омического сопротивления и стабильности выходного напряжения устройства. Вспомогательный конденсатор изолирован от воздействия измеряемого давления и не изолирован от воздействия внешних факторов (температуры, вибрации, влажности т.д.). Технический результат заключается в возможности компенсации влияния внешних факторов на результаты измерения статического давления. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления на поверхности исследуемого объекта (ИО) без его дренирования.

Известна конструкция четырехслойного матричного емкостного датчика давления с твердым и газообразным диэлектриком. Первый слой датчика - диэлектрическая пленка с экраном и обкладками вспомогательного конденсатора. Вторым слоем является пленка с экраном, обкладки с выводами. Третий слой - перфорированная пленка. Четвертый слой на основе диэлектрической пленки является мембраной датчика. Обкладки вспомогательного конденсатора (ВК) сформированы на поверхностях трех пленок, расположены ниже пленки мембраны и изолированы от обтекания давления (изолированы от воздействия пульсаций и статического давления), и поэтому ВК может быть использован в качестве компенсационного для коррекции внешних воздействий (температуры, влажности, радиации и т.д.). ВК из трех обкладок формируют так: на одну пленку наносят обкладку, над ней располагают другую пленку с обкладками. Получаются два последовательно соединенных ВК с выводами для соединения с внешней электрической цепью для коррекции внешних воздействий.

Устройство (датчик) позволяет измерять распределение статического давления на поверхности ИО без его дренирования (Казарян А.А. «Конструктивные меры для термокомпенсации» стр.222-224. Книга «Пленочные датчики давления». М.: Из-во «Бумажная галерея» 2006. 320 с.).

Устройство имеет следующие недостатки: отсутствует электронная схема, на которой будут подключены датчик и ВК. Трудно добиться получения нулевой чувствительности емкостного датчика при высоком уровне статического давления <5·10⁵ Па. ВК плохо доступен для воздействий температуры, влажности, радиации.

Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является устройство для измерения статического давления. Это устройство представляет собой электронную схему с резисторами, емкостным датчиком (ЕД) линейных и угловых перемещений с частотным выходом, выполненную на интегральной микросхеме (ИМС) функционального генератора.

Функциональный генератор используют для преобразования емкости С ЕД в частоту электрических сигналов прямоугольной и треугольной формы. Функциональный генератор содержит модулирующий вход, источник постоянного тока, триггер Шмитта и два буферных усилителя. Частота выходных сигналов генератора может управляться емкостью датчика, сопротивлением частотозадающего резистора и опорным напряжением, подаваемым на модулирующий вход.

Значение управляющего напряжения U_c выбирается равным: +7,5В≤U_с≤U, где ±U - напряжение питания ИМС (+U=12В). Частота генератора приблизительно выбирается из выражения ;

где значение R - сопротивление, выбирается равным 2 кОм≤R≤20 кОм. Такое сопротивление ограничивает максимальный ток питания микросхемы; К - коэффициент, выбирается равным 0,75≤К≤1.

ЕД подключен к электронной схеме линейных перемещений и содержит две плоские обкладки (электрода), подвижную и неподвижную, с площадями А, расстояние между обкладками d. Значение выходной емкости С ЕД определяется выражением C=0,0085εA/d [пФ], где А и d - даны в мм; ε - диэлектрическая проницаемость между обкладками.

ИМС функционального генератора выдерживает температуру до +70°С, напряжение питания от 12 В до 24 В. Частота выходных сигналов до 1 мГц. Температурный дрейф частоты 2·10^-4/°С. Частотные искажения (при девиации частоты ±10%) 0,2%. Диапазон рабочей девиации частоты 10:1. Размах сигналов прямоугольной формы 5,4 В; Размах сигналов треугольной формы 2,4 В. Длительности переднего и заднего фронтов сигналов прямоугольной формы 20 нс и 50 нс.

Такие схемотехническое и конструктивное решения устройства позволяют измерять давления на объектах с дренажными отверстиями, пневматическими трубами (трассами) и дополнительными крепежными деталями для крепления ЕД на поверхности ИО (Brown G.M. «Емкостные датчики с частотным выходом» Испытательные приборы и стенды. М.: Экспресс-информация, издательство ВИНИТИ, №30, 1978, стр.8-20).

Недостатком этого устройства является отсутствие в его конструкции средств для компенсации влияния внешних факторов на стабильность измерений.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение стабильности измерений устройства за счет компенсации влияния внешних факторов на ЕД и на результаты измерения статического давления методом без дренирования изделий.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения статического давления, содержащее функциональный генератор, емкостной датчик статического давления и первый резистор, включенный между входом функционального генератора и питанием, дополнительно введены буферный усилитель, синхронный детектор, вспомогательный конденсатор и второй резистор, причем обкладки вспомогательного конденсатора соединены соответственно со вторым входом функционального генератора и общим проводом, первая обкладка емкостного датчика сигнала статического давления подключена к первому выходу функционального генератора, а вторая обкладка - к первому выводу второго резистора, второй вывод которого соединен с местным заземлением, и входу буферного усилителя, выход которого подключен ко входу синхронного детектора, при этом управляющий вход синхронного детектора соединен с другим выходом функционального генератора.

На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения статического давления. Устройство содержит функциональный генератор 1, первый резистор R1 2, второй резистор R2 3, буферный усилитель 4, синхронный детектор 5. Упрощенная конструкция ЕД содержит основной экран 6, диэлектрическую пленку 7, боковой экран 8, обкладку с выводом 9, перфорированную диэлектрическую пленку (с одним отверстием) 10, мембрану (верхняя обкладка) из высококачественного сплава 11 и опорное отверстие 12. ВК содержит нижнюю обкладку 13, диэлектрическую пленку 14, нижний дополнительный боковой экран 15, верхний дополнительный экран 16, верхнюю обкладку 17 и опорное отверстие 18. Все слои пленки МЕД и ВК между собой и на поверхности ИО скрепляют клеем.

Функциональный генератор 1 вырабатывает выходное напряжение двухполярной треугольной формы на выходе 1 и двухполярной прямоугольной формы на выходе 2. Амплитуды этих напряжений заранее заданы, а частота определяется частотозадающей цепью, образованной первым резистором R1 2 и ВК между обкладками 13, 17. Выходное напряжение U1 двухполярной треугольной формы функционального генератора 1 после дифференцирования дифференцирующей цепью, образованной емкостью ЕД статического давления между обкладками 9, 11 и вторым резистором R2 3, поступает через буферный усилитель 4 на вход синхронного детектора 5, который управляется двухполярным прямоугольным напряжением U1a (сигналом) от другого выхода Вых.1a функционального генератора 1.

Мембрану 11 и обкладки ЕД 13, 17 выполняют из металлической пленки, в частности из высококачественных железо-никелевых сплавов FeNi, константана, и т.д. Обкладку 9 (сеч. Б-Б) выполняют из любого металла, например из меди, алюминия, никеля и т.д. Диэлектрические пленки 10, 14 выполнены из полиимида или из других диэлектрических материалов. Опорные отверстия 12, 18 поддерживают связь между объемом под мембраной с атмосферой. Диаметр опорных отверстий 12, 18 выбирают d=0,1-0,3 мм. Диаметр отверстия D под мембраной выбирают, исходя из величины измеряемого статического давления (сеч. А-А). С целью сохранения гибкости в ряде случаев могут изготовить ВК из металлизированных диэлектрических пленок, в частности из полиимида. Размеры ВК а×в мм и толщину δ пленки 14 выбирают, исходя из условия формирования вспомогательной емкости С_В ВК и настройки базовой частоты сигнала ƒ функционального генератора (5-10 кГц). Электрическая емкость между обкладками б должна быть не менее С_В=20÷30 пФ. Расположение ВК в пространстве зависит от условия проводимого эксперимента. На ВК должны воздействовать условия эксперимента, т.е. температура, влажность, радиация и т.д., если они присутствуют в процессе измерения. В обязательном порядке ВК должен быть изолирован от воздействия статического давления, чтобы эффективно компенсировать внешние воздействия на результаты измерения статического давления. ВК можно конструировать отдельно или совместно с ЕД в одном пакете, если условия эксперимента это позволяют и на ВК не воздействует (не обтекает) измеряемое статическое давление.

Ко входу функционального генератора 1 подсоединен резистор R1 2. Выход функционального генератора 1 U_вых1 соединен с нижней обкладкой 9. Выход 1a функционального генератора соединен с одним из входов синхронного детектора 5. Мембрана 11 ЕД вместе с резистором R2 3 подсоединены ко входу буферного усилителя 4. Выход 2 последнего блока соединен с другим входом синхронного детектора. Ко входу функционального генератора 1 подсоединена верхняя обкладка 17 ВК, а нижняя обкладка 13 ВК подсоединена к общей точке А заземления устройства. Все экраны ЕД, ВК и другой конец резистора R2 соединены между собой и подключены в точке А местного заземления.

ЕД можно изготавливать от одного до нескольких десятков штук на одной подложке и наклеивать на поверхности исследуемого объекта без дренирования последнего. ВК располагают на любом удобном месте проводимого эксперимента без воздействия давления, при этом не изолированного от внешних факторов (температуры, вибрации, деформации, радиации, влажности и т.д.).

Устройство функционирует следующим образом.

При включении питания устройства на первом Вых.1 (U₁) и другом Вых.1a (U_1a) выходах функционального генератора 1 образуется соответственно сигнал двухполярной треугольной формы U1 и двухполярной прямоугольной формы U1a. Амплитуды этих сигналов заранее заданы, а частота одинаковая и определяется частотозадающими элементами, находящимися в функциональном генераторе: первым резистором R1 2 и емкостью ВК между обкладками 13, 17. Частота сигналов определяют как ,

где К - заранее выбранный коэффициент;

R₁ - сопротивление первого резистора, С_в - емкость ВК между обкладками 13, 17.

Таким образом на вход ЕД статического давления и с первого выхода 1 функционального генератора 1 поступает двухполярное треугольное напряжение U1, частота которого обратно пропорциональна емкости ВК. В дифференциаторе, образованном емкостью ЕД статического давления, вторым резистором R2 3 и буферным усилителем 4, происходит преобразование входного сигнала двухполярного треугольного напряжения U1 в двухполярный сигнал прямоугольного напряжения U2, амплитуда которого определяется выражением

где С_п - емкость ЕД статического давления; U_в - заранее заданная амплитуда входного сигнала двухполярного треугольного напряжения; R₂ - сопротивление второго резистора.

Таким образом на выходе буферного усилителя 4 напряжение двухполярного прямоугольного сигнала пропорционально амплитуде входного двухполярного треугольного напряжения, величине емкости С_п ЕД преобразователя статического давления и обратно пропорционально величине емкости ВК.

В синхронном детекторе 5 двухполярный прямоугольный сигнал U2 преобразуется в постоянное напряжение, величина которого также пропорциональна амплитуде двухполярного треугольного напряжения U1 от функционального генератора 1 и величине емкости С_п ЕД статического давления и обратно пропорциональна величине емкости ВК.

На емкость С_в ВК не действует измеряемое статическое давление. Емкость С_в ВК изменяется при изменении температуры и других внешних факторов аналогично емкости С_п ЕД статического давления, так как ВК и ЕД статического давления конструктивно выполнены совместно и из однородных материалов.

В процессе измерения давления выходной сигнал определяется выражением

,

где ΔС_в - приращение емкости ВК из-за влияния внешних паразитных факторов;

- приращение емкости ЕД статического давления из-за влияния внешних паразитных факторов;

- приращение емкости емкостного преобразователя статического давления из-за изменения измеряемого давления.

Устройство от влияния внешних электромагнитных помех, шумов трибоэлектрического эффекта и т.д. защищают основной экран 6 ЕД и экраны 8, 15, 16 ЕД и ВК соответственно. Шумы и помехи устройства проходят через соединительные провода в общую точку А.

Таким образом, изменение выходного сигнала, обусловленное приращением емкостей ВК ΔСв и ЕД статического давления из-за влияния внешних паразитных факторов, частично компенсируются, так как находятся соответственно в знаменателе и числителе передаточной функции. В результате происходит компенсация влияния внешних факторов на стабильность измерений статического давления.

ЕД известен в измерительной технике как уникальный прибор (датчик), разработанный в ЦАГИ. Разработанный макет преобразователя сигнала реализован на базе известных интегральных микросхем типа 544УД2. Резисторы R1, R2 тоже стандартные.

Принцип работы устройства: при изменении статического давления ΔР изменяется расстояние между обкладками ЕД 9, 11. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость С_~, приращение емкости ΔС. Напряжение поляризации U_п ЕД подают из функционального генератора 1 (напряжением прямоугольной формы) через интегратор, т.е. резистор R2 3 обкладок 11. Напряжение на выходе устройства снимают (получают) с выхода синхронного детектора прямо пропорционально выходному U_{вых 1а} напряжению U_1a функционального генератора и приращению емкости С_~ЕД, т.е. U_ВЫХ=j·C_~·U_BX1a.

С этой целью в ЦАГИ был изготовлен макет устройства для измерения статического давления. В устройстве макета статическое давление подавали в исследуемую модель цилиндрической формы, длиной 154 мм, наружным диаметром 18,5 мм. ЕД был наклеен на наружную поверхность модели. На трубе было выполнено отверстие диаметром 6 мм. На это отверстие был наклеен ЕД (со стороны мембраны). На поверхности основного экрана 6 ЕД был наклеен ВК так, чтобы опорные отверстия 72, 18 были соосными. Диаметр опорных отверстий 0,1-0,3 мм. Давление от стенда к модели подавали через мягкую резиновую трубу длиной 7-8 м. Источником задатчика давления являлась КПУ-3, комбинированная поверочная установка. В режиме разрежения уровень давления контролировался с помощью образцового вакуумметра, диапазон измерения от 0 до -1 кгс/см². Для измерения напряжения с выхода ЕД был разработан макет преобразователя сигнала (ПС). Выход МЕД через ПС был подключен к вольтметру (мультиметру) типа ЛРРЛ-95 с точностью измерения ±4 мВ. Выход контрольного датчика, смонтированный на модели, через аппаратуру низкой частоты типа 8АНЧ-21 соединяют с вольтметром класса точности 0,5 марки Ml106. Напряжение питания функционального генератора 1~10÷15 В.

Градуировка датчиков была проведена в трех случаях на уровнях 1000 Па, 1600 Па и 25000 Па. На этих уровнях давления определены средние значения коэффициентов преобразования каналов. Коэффициент преобразования контрольного канала с датчиком РДСК-22 , коэффициент градуировки измерительного канала

Наблюдалась нестабильность начальной емкости МЕД от ~0,6 до 1,2%.

Наблюдение результатов показало, что стабильность нулевого сигнала U_{ВЫХ. 0} на выходе измерительного канала с преобразователем сигнала ПС с выхода ЕД следующая:

- в заданном интервале времени 20 мин составляет ~10,5%; в течение одной минуты ~0,5%.

Наблюдалось увеличение в 2÷2,5 раза начальной емкости ЕД, наклеенного на поверхности модели цилиндрической трубы ⌀18,5 мм, по сравнению с начальной емкостью ЕД, наклеенного на плоской поверхности. Начальная емкость ЕД с кабелем длиной 1,5 м без заземления моста Р-589 и модели колеблется в диапазоне 210-250 пФ. Зависимость между давлением и разряжением датчиков в диапазоне давления -0,5 ати и 1,0 ати линейна. Погрешность измерения статического давления находится в пределах 1,45÷10%. Влияние гистерезиса на результаты измерения и приращения выходного напряжения от давления составляет 0,2÷0,3%. Большие погрешности и разброс характеристик обусловлен подачей давления ручным способом. Все измерения проводились при нормальной комнатной температуре и атмосферном давлении 745 мм рт.ст.

Устройство для измерения статического давления может быть выполнено в одноканальном и многоканальном исполнении. Количество чувствительных элементов ЕД и ВК на одной подложке тоже от одного до нескольких штук, т.е. ЕД исполняют в матричном варианте.

Устройство для измерения статического давления, содержащее функциональный генератор, емкостной датчик статического давления, содержащий экраны, и первый резистор, включенный между входом функционального генератора и питанием, отличающееся тем, что в него дополнительно введены буферный усилитель, синхронный детектор, второй резистор и вспомогательный конденсатор, содержащий экраны, причем обкладки вспомогательного конденсатора соединены соответственно со вторым входом функционального генератора и общим проводом, первая обкладка емкостного датчика статического давления подключена к первому выходу функционального генератора, а вторая обкладка - к первому выводу второго резистора, второй вывод которого, а также экраны емкостного датчика статического давления и вспомогательного конденсатора соединены с местным заземлением, и входу буферного усилителя, выход которого подключен ко входу синхронного детектора, при этом управляющий вход синхронного детектора соединен с другим выходом функционального генератора.