УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
PRESSURE, TEMPERATURE AND HEAT FLOW MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения в заданном участке температуры, теплового потока и давления.
Известно устройство градуировки и измерения давления. Устройство включает в себя матрицу тонкопленочных датчиков, защитные цепи, источник поляризации, коаксиальный кабель, согласующий усилитель, дополнительный экран, усилитель напряжения, переключатель, блок памяти. Выход блока памяти через блоки умножения соединен с регистратором (Казарян А.А. Пленочные датчики давления. - М.: Бумажная галерея, 2006. - стр.244-247). С помощью этого устройства измеряют давление без механической обработки.
Недостаток этого устройства заключается в том, что он одновременно не измеряет давление, температуру, тепловой поток. Устройство не оснащено чувствительными элементами (ЧЭ) температуры и теплового потока.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство (датчики) давления и температуры. Датчик содержит обкладки конденсатора, и электроды термопары объединены. ЧЭ давления является диэлектрическая пленка из полиимида. Обкладки конденсатора для измерения давления одновременно служат в качестве второго электрода термопары. Термопары формируют соосно путем вакуумного напыления из меди и никеля. Все пленки между собой и на поверхности изделия скреплены пленками клея. ЧЭ температуры сформированы на верхней и нижней поверхности третьей диэлектрической пленки, в частности из полиимида. На верхней поверхности первой пленки сформирован основной экран. Первые обкладки конденсаторов выполнены из меди, а вторые - из никеля. Для обеспечения измерения локального значения температуры и давления выводы конденсаторов смещены относительно друг друга. Датчик защищен от внешних электрических помех. В качестве диэлектрической изоляции между чувствительными элементами и основным экраном служит пленка из окиси алюминия и является изолятором между первой и третьей диэлектрическими пленками.
Такое техническое решение позволяет одновременно измерить давление, температуру и тепловой поток без дополнительной механической обработки изделий (патент РФ №2110778, 1998 г. Датчик давления и температуры, авторы А.А.Казарян, П.В.Миодушевский).
Недостатком этого устройства является трудность определения влияния температуры на результаты измерения давления.
Техническим результатом изобретения является расширение области применения, повышение информативности и точности измерения давления, сокращение затрат на проведение экспериментов там, где необходимо измерять давление, температуру и тепловой поток. Информативность повышается и затраты на эксперимент сокращаются, благодаря совмещению измерения давления с измерением температуры и теплового потока. Точность измерения давления повышается за счет выделения теплового шума из результатов измерения суммарного электрического сигнала преобразованного давления.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения давления, температуры и теплового потока, содержащее комбинированные чувствительные элементы давления, температуры и теплового потока на основе не менее трех диэлектрических пленок, первая из которых является основанием датчика, а на обеих поверхностях третьей пленки сформированы первые обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны, а также пленочные термопары, при этом все пленки между собой и на поверхности изделия скреплены пленками клея, пленочная термопара выполнена в виде вторых обкладок конденсаторов с выводами и боковыми экранами, сформированными на верхней и нижней поверхностях третьей диэлектрической пленки соосно с первыми обкладками, на верхней поверхности первой пленки сформирован основной экран, вторая пленка выполнена из окиси алюминия и является изолятором между первой и третьей диэлектрическими пленками, первые обкладки конденсаторов выполнены из меди, а вторые - из никеля, образуя медно-никелевую термопару, при этом выводы конденсаторов смещены относительно друг друга, что в него дополнительно введены согласующий блок, переключатель, два потенциометрических усилителя, блок теплового шума, по два блока памяти и вычитания, блок представления информации и управления, блок давления и блок поляризации, причем согласующий блок через переключатель, блоки шума и давления, блоки памяти и блоки вычитания соединен с входом блока представления и управления, вход согласующего блока соединен с нижней обкладкой чувствительного элемента давления, выходы чувствительных элементов температуры через потенциометрические усилители и блок вычитания температуры соединены с входами блока шума и блока давления, все управляющие входы упомянутых блоков соединены с блоком представления информации и управления, причем блок поляризации соединен с верхними обкладками чувствительных элементов давления.
общ.
ш
На фиг.1 изображена конструкция устройства для измерения давления, температуры и теплового потока с блок-схемой устройства. На фиг.2 показана зависимость изменения суммарного выходного напряжения U, напряжения теплового шума U и полезного сигнала давления  от температуры.
Устройство содержит тонкопленочный емкостный датчик давления. Основанием датчика является первая диэлектрическая пленка 1, в частности, из полиимида, с основным экраном 2, из меди. Вторая изоляционная диэлектрическая пленка 3 из окиси алюминия (или из других диэлектрических пленок) является изолятором. Боковой экран 4, обкладки 5, 6 с выводами 7, 8 сформированы на нижней поверхности третьей диэлектрической пленки 9 (фиг. 1, сеч. А-А; В-В). На верхней поверхности пленки 9 сформирован боковой экран 10, обкладки 11, 12 с выводами 13, 14 (сеч. Б-Б). Пленки между собой и на поверхности изделия 15 скреплены пленкой клея 16. Блок-схема устройства содержит согласующий блок 17, переключатель 18, потенциометрические усилители 19, 20, блоки теплового шума 21, давления 22, блоки памяти 23, 24, вычитания 25, 26, поляризации 27 и блок представления информации и управления 28 (БПИУ).
В конструкции датчика ЧЭ давления являются верхние обкладки конденсаторов 6, 12 с выводами 8, 14 ЧЭ температуры (пленочной термопары) - обкладки 11, 12 с выводами 13, 14. ЧЭ теплового потока являются обкладки 5, 6 с выводами 7, 8 и обкладки 11, 12 с выводами 13, 14. При этом тепловой поток Ф определяется как , где
λ - теплоемкость третьей диэлектрической пленки;
1
θ-температура термопары, из обкладок 11, 12;
2
θ- температура ЧЭ из обкладок 5, 6;
d - толщина третьей диэлектрической пленки.
Измерение давления производится между выводами 8, 14, АВ, АС, АД (сеч. А-А, Б-Б). Напряжение поляризации подают к выводам 14 или в точке А. Термоэлектродвижущее напряжение измеряют между выводами Вв, Аб, Ав (сеч. Б-Б). От внешних электромагнитных воздействий датчик защищен боковыми 4, 10 и основным 2 экранами. Все металлические слои и пленку из окиси алюминия формируют в вакууме путем испарения. Толщину изоляционной пленки из окиси алюминия выбирают 0,5-1,0 мкм. Первые обкладки 6, 12 формируют из меди, вторые обкладки 5, 11 - из никеля. Толщина диэлектрических пленок 1,9 10-40 мкм.
общ.
ш.
Блоки между собой соединены следующим образом: выводы 8, 14, АВ, АС, АД (сеч. А-А, Б-Б) датчика давления соединены с входом согласующего блока 17. Выход этого блока через переключатель 18, функциональный блок теплового шума 21, блок памяти 23, блок вычитания (из общего сигнала сигнала теплового шума U-U) 26 соединен с входом блока представления информации и управления 28. Выходы ЧЭ температуры из обкладок 11, 12 с выводами 13, 14 и обкладки 5, 6 с выводами 7, 8 соответственно, через потенциометрические усилители 19, 20 и блоки вычитания 25, 26 соединены с входами блока шумов 21 и блока давления 22. Все управляющие выходы блоков соединены с блоком представления информации и управления 28. Блок поляризации емкостного датчика давления 27 соединен с выводом 14 в точке А (сеч. Б-Б). БПИУ также выполняет функцию вычисления.
Функционирование устройства рассматривают в двух режимах:
1. Задают температуру, измеряют напряжение теплового шума в зависимости от температуры, когда датчик давления находится в режиме покоя, т.е. задаваемое (измеряемое) давление статическое или динамическое равно нулю.
общ
ш
2. На датчик задают статическое или динамическое давления , измеряют зависимость изменения общего выходного сигнала U, содержащего полезный сигнал U, и тепловой шум U в зависимости от температуры θ. Рассмотрим оба случая в отдельности.
1
2
1
2
ш
cp
1. Тепловой шум с выхода ЧЭ давления поступает на вход согласующего блока 17. После усиления и согласования сигнал через переключатель 18 поступает на вход блока теплового шума 21. Одновременно с выходов ЧЭ температуры из обкладок 5, 6 θ, и 11, 12 θ преобразованные в электрические сигналы поступают на вход потенциометрических усилителей 19, 20. В блоке вычитания (температуры θ-θ) 25, температура уже преобразованная, в виде электрического напряжения (теплового шума) поступает на вход блока шумов 21. В этом блоке происходит построение зависимости U=f(θ) фиг.2 и запоминается в блоке памяти 23, где .
ш
общ.
общ.
ш.
общ.
ш.
2. На датчик задают давление  (переменное  или статическое ) и задают температуру окружающего значения и больше (фиг.2). При этом сигнал с выходов ЧЭ давления, состоящего из обкладок 6, 12 и выводов 8, 14 через согласующий блок 17, переключатель 18 поступает на вход блока давления 22, содержащего тепловой шум в виде U. Одновременно с выхода ЧЭ температуры сигнал, несущий информацию о температуре через потенциометрические усилители 19, 20, блок вычитания (температуры θ1-θ2) 25, поступает на вход блока давления 22. В этом блоке происходит построение зависимости общего выходного напряжения давления U от температуры (фиг.2), которую запоминают в блоке памяти 24. По команде блока представления информации и управления 28, одновременно сигналы из блоков 23 и 24 поступают на вход блока вычитания (из общего сигнала U сигнала теплового шума U, т.е. U-U) 26, где после выполнения вычитания получают полезный сигнал, несущий информацию о давлении  в зависимости от температуры (фиг.2), и оно передается в блок представления информации и управления 28 для запоминания и дальнейшей обработки по заранее составленной программе. В устройстве программно устанавливаются: параметры калибровки, формат данных, адрес модуля, диапазон измерения, скорость обмена, наличие бита контрольной суммы, время отсчета и т.д. Регулируемые и настроечные параметры запоминаются в блоках памяти и сохраняются при выключении питания. Сигналы управления всех блоков функционально связаны с блоком представления информации и управления 28.
общ.
общ.
ш
ш
ш
Когда измеряют статическое давление , из общего сигнала U выделяют сигнал теплового шума как на (фиг.2): U-U= и получают полезный сигнал только от действия давления , и коэффициент преобразования канала определяют как: . Когда на датчик действует динамическое давление  и температура, и они функционально между собой не связаны, тогда сигнал давления определяют как: . Если оба напряжения  и U функционально между собой связаны, т.е. коррелированы, то последнее уравнение можно представить, как: , где j - коэффициент корреляции, его значение может быть от +1 до -1. При j=0  и U не связаны друг с другом. При j=1 или j=-1 эти напряжения имеют временную или частотную зависимость. Следовательно, для измерения динамического давления коэффициент
преобразования измерительного канала определяют как:  Все указанные операции и организацию измерения осуществляют под управлением блока представления информации и управления 28.
Согласующий блок в измерительной технике для измерения динамических давлений известен как усилитель заряда, напряжения и т.д. Для измерения статического давления можно использовать стандартный мост переменного тока. При этом измеряют изменение емкости между обкладками емкостного датчика. Также используют четырехплечный емкостный мост на выходе усилителя постоянного тока. Все остальные блоки унифицированы и известны в электронной технике как стандартные элементы вычислительной техники.
Принцип работы ЧЭ давления устройства. При изменении давления  или  толщина d третьей диэлектрической пленки 9 изменяется на величину d-Δd. В результате относительное изменение емкости ΔС/С пропорционально изменению приложенного давления. Электрическое напряжение на выходах обкладок 6; 11 пропорционально приращению емкости  и напряжению поляризации датчика, приложенному к выводу 14. Далее сигналы давления с выхода 14 поступают на согласующий блок 17, где сигнал нормируется, усиливается и через переключатель 18 поступает в соответствующие блоки для дальнейшей обработки.
1
2
1
2
1
2
Принцип работы ЧЭ устройства температуры (пленочной термопары) основан на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего в соединении двух металлов: меди (обкладки 6, 12) и никеля (обкладки 5, 11). При этом ЧЭ температуры и теплового потока состоит из третьей диэлектрической пленки 9, каждая сторона этой пленки оснащена термопарами, образуемыми обкладками 5, 6 и 11, 12. При тепловом потоке Ф обе пленки 9 толщиной d термопары испытывают действие температур θ и θ. Тепловой поток Ф зависит от измеренной разности температуры θ-θ, коэффициента теплопроводности λ и толщины d третьей диэлектрической пленки, т.е. Ф=f(θ, θ, λ, d). Далее температура с выхода датчиков, преобразованная в электрический сигнал, поступает на потенциометрические усилители 19, 20 для дальнейшей обработки и хранения в соответствующих блоках устройства.
Такое техническое решение предлагаемого устройства, кроме одновременного измерения на заданном участке давления, температуры и теплового потока и выделения из основного сигнала теплового шума, позволяет эксперименты совместить с другими экспериментами, в частности весовыми экспериментами, благодаря чему повышается технико-экономический эффект проводимого эксперимента.
ш25
ш100
С этой целью в ЦАГИ были изготовлены ЧЭ давления и температуры, и каждый ЧЭ в лабораторных условиях был испытан. Толщина ЧЭ 12 и 20 мкм. Задаваемое давление 50,0 Па. Кратковременно, в процессе регистрации сигнала датчик подвергался температурному воздействию от 25°С до 100°С. При этой температуре тепловой шум (выходной сигнал), усиленный в 2000 раз, изменялся почти линейно от U=0,46 до U=10,25 мВ. В качестве усилителей 19, 20 были использованы усилители постоянного тока. При прочих равных условиях при подаче давления 50,0 Па напряжение на выходе усилителя . В эксперименте при 100°C при использовании усилителя заряда на его выходе была зарегистрирована величина теплового шума в три раза больше от первоначального значения. Истинное значение измеренных пульсаций давления при 100°C превышало заданное не более чем на 10-15%. Практически, предложенное устройство позволяет снизить влияние теплового шума на результаты измерения до уровня собственных шумов устройства и шумов используемых блоков электронной техники. В этой работе под температурным шумом измерительного канала давления подразумеваются собственные шумы датчика давления+шумы электронных блоков+индуцируемый тепловой шум от окружающей температуры.