СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для давлений при аэродинамических и натурных испытаниях авиационной техники.

Известен способ измерения пульсации давления на поверхности изделий с помощью емкостного матричного датчика давления из четырех металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок, в котором между обкладками конденсатора располагают перфорированную пленку с целью увеличения выходного сигнала. Напряжение поляризации подают на верхнюю обкладку. Сигнал, несущий информацию об изменении давления, снимают с нижней обкладки конденсатора. Датчик нагружают давлением, измеряют приращение емкости конденсатора и по величине изменения емкости определяют давление (см. а.с. СССР N 1598631, кл. G 01 L 9/12, "Емкостный матричный датчик давления", 1987, автор А.А. Казарян).

Указанный способ не позволяет измерить пульсации давления изделий с учетом влияния неровностей, морщин и толщины датчика на результаты измерения.

Этот способ обладает недостатками, затрудняющими его применение в аэродинамике и авиационной технике. К ним относятся большие размеры чувствительных элементов (ЧЭ) датчика, большая толщина датчика по периметру при наклейке на поверхность объекта исследований, что снижает эффективность измерения пульсации давления в заданной точке.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения пульсации давления и силы при аэродинамических экспериментах авиационной техники. Измерение давления осуществляют путем использования пленочных датчиков. Датчик закрепляют на поверхности изделия, обтекаемого потоком газа. Для съема сигнала с выхода датчика без влияния внешних электромагнитных помех датчик изолируют от изделия. Защитные цепи соединяют с дополнительным защитным экраном. Затем сигнал пропускают через коаксиальный кабель для защиты от внешних воздействий. Защищенный сигнал согласуют, усиливают и измеряют. Уровень измеряемого сигнала зависит от величины напряжения поляризации, давления и приращения емкости.

Этот способ обладает такими же недостатками, как аналог.

Такое решение в указанном способе измерения давления также не позволяет измерить давление с учетом влияния неровностей и шероховатостей, возникающих при наклейке тонкопленочных датчиков на поверхности объекта (см. патент СССР, N 1806334, кл. G 01 L 9/12, "Устройство для измерения давления", 1990, авторы, А.А. Казарян, Л.М. Москалик, И.Е. Фролова).

Задачей настоящего изобретения является повышение качества и точности измерения за счет сборки датчика на поверхности объекта без морщин и минимальных выступов.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения давления, при котором на поверхность объекта наклеивают пленочный датчик давления, датчик наклеивают на поверхность профиля, не обтекаемую потоком газа, а на изделии выполняют дренажные отверстия, площадь дренажных отверстий меньше площади чувствительных элементов датчика в 0,25.400 раз, чувствительный элемент прикрепляют к поверхности изделия по периферии ячейки перфорации чувствительного элемента, причем диэлектрические пленки собирают в пакет, располагают симметрично между собой и по всему периметру по краям датчика образуют ступенчатую форму, размер ступеньки от одной диэлектрической пленки к другой произвольный.

На фиг. 1 изображен пакет датчика в сборе; на фиг. 2 отдельные узлы датчика.

Пакет датчика в сборе на поверхности тонкого профиля 1 с дренажными отверстиями 2 (сеч. Б-Б) содержит основной экран 3 на поверхности первой диэлектрической пленки 4, экран 5, обкладки 6, выводы 7, металлизированные на нижней поверхности второй диэлектрической пленки 8 (сеч. А-А фиг. 1, сеч. Ж-Ж фиг. 2), перфорированную промежуточную диэлектрическую пленку 9 (третья пленка) с ячейками 10 (сквозные отверстия) и канавками 11 (пазы) (сеч. А-А, Г-Г фиг. 1 и сеч. Е-Е фиг. 2). Число ячеек может быть от 1 до нескольких десятков. Экран 12, обкладки 13, вывод 14 металлизированы на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки 15 (сеч. А-А, Г-Г фиг. 1, сеч. Д-Д фиг. 2). Чувствительный элемент образуется обкладками 6, 13 и ячейками перфорации 10.

В сечении В-В, Г-Г фиг. 1 показано расположение между собой четырех диэлектрических пленок 4, 8, 9, 15. Такое симметричное ступенчатое расположение пленок (сеч. Г-Г фиг. 1) между собой позволяет наклеивать пакет датчика на поверхности модели 1 (сеч. Б-Б) толщиной, равной толщине первой диэлектрической пленки 4. Такая ступенчатая наклейка пленок между собой и на поверхности профиля позволяет снизить неровности, шероховатости поверхности и толщину выступов на краях датчика по всему периметру. Полезный сигнал с обкладок 6 поступает на вход согласующего усилителя без влияния дополнительных вихрей, возникающих при обтекании потоком тела. Такая наклейка повышает надежность проводимого эксперимента.

Рациональные размеры ячейки перфорации 10 от 3 до 6 мм между обкладками 6, 13 конденсатора размерами 4х6-6х9 мм. При этом размер (диаметра) дренажного отверстия 2 на поверхности тонкого профиля 1 выполняют от 0,3 до 6 мм.

Для свободной работы ЧЭ датчика под воздействием давления через дренажные отверстия на активной зоне ЧЭ (диаметром 3-6 мм) датчика клей не наносят. Остальные пленки между собой скрепляют клеем.

Расположение датчика на нижней поверхности профиля позволяет осуществлять измерение давления с помощью дренажных отверстий с маленьким диаметром. Профили с минимальными размерами дренажных отверстий незначительно нарушают термические, механические свойства профиля, сигнал с выхода датчика передается на вход согласующего усилителя почти без задержки, повышается точность измерения давления в заданной точке, что приводит к повышению качества измерения. Подача давления ЧЭ датчика через дренажные отверстия 2 также позволяет исключить влияние толщины и шероховатости на результаты измерения.

Уменьшение площади дренажных отверстий в 0,25.400 раз по сравнению с площадью ЧЭ датчика обеспечивается из следующего соотношения:

Минимальный диаметр дренажных отверстий 0,3 мм обеспечивает надежное высверливание профиля толщиной до 3 мм на сверлильном станке. Максимальный диаметр дренажных отверстий 3-6 мм ограничивается размерами ячейки перфорации под обкладками конденсатора.

Связь ячейки перфорации 10 с атмосферой осуществляют канавками 11.

Способ осуществляется следующим образом.

На изделии 1 выполняют дренажные отверстия 2. Датчик нагружают давлением через дренажные отверстия 2. Площадь дренажных отверстий меньше площади ЧЭ датчика в 0,25.400 раз. Затем датчик закрепляют на поверхности профиля, не обтекаемой потоком газа. При этом ЧЭ прикрепляют к поверхности изделия по периферии ячейки перфорации ЧЭ. Причем диэлектрические пленки 4, 8, 9, 15, собранные в пакет, располагают симметрично между собой и по всему периметру по краям датчика образуют ступенчатую форму. Размер ступеньки от одной диэлектрической пленки к другой произвольный. При воздействии давления на датчик изменяют емкость между обкладками 6, 13 пропорционально давлению на величину ΔC Выходное напряжение измеряют с обкладок 6 через выводы 7 пропорционально напряжению поляризации и отношению ΔC/C. Напряжение поляризации подают с обкладок 13 через вывод 14. Затем сигнал снимают с обкладок 6, согласуют в усилителе заряда, усиливают усилителем низкой частоты и измеряют. По изменению емкости ΔC/C судят о давлении.

В институте-заявителе (ЦАГИ) в стадии макетирования был опробован предлагаемый способ измерения пульсаций давления от 0,2 до 100 Па. Диаметр ячейки перфорации 4 мм, размеры обкладки конденсатора 4х6 мм. Диаметр дренированного отверстия 4 мм, толщина мембраны 10 мкм. В качестве связующих между слоями диэлектрических пленок и на поверхности профиля был использован клей марки ГИПК-22-26.

Способ повысит точность измерения за счет исключения на результаты измерения влияния неровности поверхности датчика, за счет сборки датчика на поверхности изделий без выступов и морщин.

Повышается эффективность проводимого аэродинамического эксперимента, появляется возможность совместить измерение давления с другими видами экспериментов, таких, как измерение деформации, температуры, теплового потока, весовые и т.д.

Использование: относится к области авиакосмической техники, может быть использовано в народном хозяйстве. Сущность изобретения: в способе измерения давления датчик наклеивают на поверхность профиля, не обтекаемую потоком газа. На изделии выполняют дренажные отверстия. Площадь дренажных отверстий меньше площади чувствительного элемента датчика в 0,25-400 раз. Чувствительный элемент прикрепляют к поверхности изделия по периферии ячейки перфорации чувствительного элемента. Диэлектрические пленки собирают в пакет, располагают симметрично между собой. По всему периметру по краям датчика образуют ступенчатую форму. Размер ступеньки из одной диэлектрической пленки к другой произвольный. 2 ил.

Способ измерения давления, при котором на поверхность измеряемого объекта наклеивают пленочный датчик давления, в котором диэлектрические пленки собирают в пакет симметрично между собой, а обкладки чувствительного элемента датчика располагают по контуру ячейки перфорации, которую выполняют в диэлектрической пленке датчика, отличающийся тем, что датчик наклеивают на поверхность объекта, не обтекаемую потоком газа, при этом на объекте выполняют дренажные отверстия, площадь которых меньше площади обкладок чувствительного элемента датчика в 0,25 400,0 раз, причем диэлектрические пленки располагают по всему периметру по краям датчика с образованием ступенчатой формы.