ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения давления в газообразных, жидких и сыпучих средах.

Развитие науки и техники предъявляет все более жесткие требования к датчикам давления в части повышения точности в широком диапазоне использования и неблагоприятных условиях эксплуатации, при одновременной дешевизне, возможности встраивания в микроэлекронные схемы, в схемы компьютерной обработки.

Перспективным направлением в достижении вышеперечисленных требований является разработка и изготовление датчиков давления из материалов на основе кремния по кремниевой технологии микроэлектроники.

Изучение датчиков давления ведущих фирм США, Японии, Германии, Великобритании показывает, что наиболее перспективными датчиками давления являются твердотельные полупроводниковые датчики, выполненные в части чувствительного элемента из монокристаллического кремния по групповой технологии микроэлектроники. Но и они не обеспечивают требуемых точностных характеристик без периодических калибровок, что не всегда приемлемо.

Известны датчики давления с чувствительным элементов из монокристаллического кремния, выполненные по групповой технологии микроэлектроники и использующие тензорезистивный или пьезоэлектрический эффект для преобразования давления в выходной электрический сигнал (см. например, пат. США N 4314226, НКИ 338/4, 1982; ЕПВ N 0109992, МКИ G 01 L 9/06, 1984; а.с. СССР 1673894, МКИ G 01 L 9/04).

Тензорезистивные и пьезоэлектрические преобразователи обладают существенными недостатками, ограничивающими точность датчиков давления, связанные с зависимостью выходного сигнала от температуры, поверхностными и тепловыми шумами, малой крутизной и чувствительностью выходного сигнала.

Известен датчик давления, содержащий упругий элемент, закрепленный на опорном элементе, емкостные датчики перемещения упругого элемента, источника питания (см. пат. РФ N 1652839, МПК G 01 L 9/12, 1989 г.).

В указанном датчике давления использованы емкостные датчики перемещения. Наряду с известным их достоинством - простотой изготовления, они обладают рядом недостатков, а именно наличием погрешностей от нестабильности электрических параметров источника питания, а также от измерения электрических свойств (диэлектрической проницаемости) межэлектродной среды вследствие гажения материалов, изменения температуры и влажности. Данные факторы ограничивают точность емкостных датчиков перемещения упругого элемента и, следовательно, точность датчиков давления.

Целью и техническим результатом изобретения является повышение точности датчика давления для длительного срока эксплуатации без периодических калибровок с обеспечением возможности сопряжения его с современными системами обработки информации.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем упругий элемент, закрепленном на опорном элементе, емкостные датчики перемещения упругого элемента, источник питания, выполнено не менее трех емкостных датчиков перемещения, дополнительно введены коммутирующее устройство, дифференциальные усилители, аналого-цифровые преобразователи, вычислительно-управляющее устройство, при этом емкостные датчики перемещения через коммутирующее устройство могут быть соединены с источником питания или попарно с входами диференциальных усилителей, выходы которых соединены с соответствующими аналого-цифровыми преобразователями, выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с вычислительно-управляющим устройством, управляющий выход которого соединен с коммутирующим устройством.

Кроме того:
- упругий элемент выполнен с перемычками между его рабочей частью и местами крепления к опорному элементу, перемычки имеют малую жесткость в направлении, ортогональном направлению рабочего перемещения упругого элемента;
- в датчик давления введен датчик температуры, выход которого соединен с вычислительно-управляющим устройством;
- упругий и опорный элементы выполнены из материалов на основе кремния;
- в качестве источника питания может быть использован источник импульсного напряжения.

Предложенное устройство позволяет минимизировать вышеупомянутые погрешности емкостных датчиков перемещений и тем самым повысить точность датчика давления.

Введение упругой перемычки между рабочей частью мембраны (упругого элемента) и местами ее крепления к опорному элементу устраняет температурные деформации мембраны вследствие разности линейных тепловых расширений мембраны и опорного элемента и тем самым на два порядка снижает температурную зависимость показаний датчика давления.

Использование датчика температуры, установленного на опорном элементе, позволяет ввести температурную поправку в показания датчика давления и свести к минимуму его температурную погрешность.

При использовании источника импульсного напряжения упрощается конструкция и схемотехника датчика.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где:
фиг.1а - механическая часть датчика давления в разрезе;
фиг.1б - вид сверху на опорный элемент;
фиг.2 - иллюстрация подключений емкостных датчиков к источнику питания и к дифференциальным усилителям;
фиг.3 - структурная схема датчика давления;
фиг. 4 - структурная схема датчика давления с импульсным источником питания.

На фиг. 1-4 обозначено:
1 - датчик давления;
2 - упругий элемент (мембрана);
3 - опорный элемент;
4 - емкостные датчики перемещения (C1, C2, C3);
5 - источник питания;
6 - коммутирующее устройство;
7 - дифференциальный усилитель (ДУ);
8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
9 - вычислительно-управляющее устройство (ВВУ);
10 - перемычка упругого элемента;
11 - датчик температуры;
12 - упор упругого элемента.

Механическая часть датчика давления (фиг. 1) состоит из чувствительного к изменению давления упругого элемента (мембраны) 2, закрепленного на опорном элементе 3. Мембрана изготовлена из монокристаллического кремния методом жидкостного анизатропного травления. Опорный элемент 3 изготовлен из стекла марки ОФ7. Крепление мембраны на опорном элементе осуществлено пайкой стеклом.

В мембране вытравлены специальные упругие перемычки 10 - развязки между рабочей частью мембраны и местами ее крепления к опорному элементу. Перемычки имеют малую жесткость в направлении, ортогональном направлению рабочего перемещения мембраны. Это обеспечивает снижение деформации мембраны при изменении температуры прибора, а также от релаксации внутренних напряжений в местах крепления при длительной эксплуатации.

На опорном элементе и мембране выполнены напылением металла (алюминия или золота) электроды емкостных датчиков перемещения 4 (C1, C2, C3). В случае подключения и коммутации емкостных датчиков по схеме, приведенной на фиг. 4, металлические электроды выполняются только на опорном элементе, а мембрана используется как общий подвижный электрод для всех датчиков перемещения (см. фиг. 1).

На мембране выполнены упоры 12, предохраняющие от замыкания электродов при давлениях, превышающих максимальное измеряемое давление.

Электронными средствами датчика давления являются коммутирующее устройство 6, дифференциальные усилители 7, аналого-цифровые преобразователи 8, вычислительно- управляющее устройство 9.

Емкостные датчики перемещения 4 подключены к сигнальным входам коммутирующего устройства 6, сигнальные выходы которого попарно соединены с входами дифференциальных усилителей 7. Выходы ДУ 7 через АЦП 8 соединены с вычислительно-управляющим устройством 9. С коммутирующим устройством 6 соединен также источник питания 5, а управляющий выход ВВУ 9 соединен с управляющим входом коммутирующего устройства. Установленный на опорном элементе датчик температуры 11 соединен с входом ВВУ 9.

Коммутирующее устройство может быть выполнено на электронных ключах HS-303RH/883S, дифференциальные усилители - на операционных усилителях HS-3516RH, а АЦП - на интегральных схемах ПЛИС HS-XC3020MS.

В качестве вычислительно-управляющего устройства может быть использован микропроцессор HS-80C86RH, а в качестве датчика температуры - прямосмещенный p-n переход стабилитрона (например, 2C147A), совмещенный с АЦП.

Предложенный датчик давления работает следующим образом.

Емкостные датчики положения по сути являются конденсаторами C1, C2, C3 с соответствующими зазорами H1, H2, H3, линейно зависящими от давления P:
H1 = H1_o-k1P; H2= H2_o-k2P; H3=H3_o-k3P,
где k1, k2, k3 - коэффициенты пропорциональности, характеризующие упругую податливость мембраны.

По управляющему сигналу от ВВУ 9 коммутирующее устройство 6 осуществляет последовательное соединение датчиков перемещений 4 и подключение их к источнику питания 5 (источнику тока). Происходит одновременный заряд конденсаторов, при этом последовательное соединение обеспечивает равенство зарядов Q на всех конденсаторах независимо от параметров источника питания:
Q_C1= Q_C2 = Q_C3 = Q = ∫ Idt,
где I - ток заряда.

По следующему управляющему сигналу от ВВУ 9 коммутирующее устройство 6 отключает датчики перемещений 4 от источника питания и попарно подключает их к дифференциальным усилителям 7 (см. фиг.2б). При этом на датчиках перемещений сохраняется напряжение, пропорциональное заряду Q и обратно пропорциональное емкости датчика:
U_C1 = Q/C1; U_C2 = Q/C2; U_C3=Q/C3.

Дифференциальные усилители 7 вырабатывают сигналы, пропорциональные разностям напряжений датчиков перемещений:
W1 = U_C2 - U_C1 = IT(1/C2-1/C1)= IT/E_oES1 • [(H2_o-k2P)S1/S2-(H1_o-k1P)];
W2 = U_C3-U_C1= IT/E_oES1• [(H3_o - k3P)S1/S3-(H1_o-k1P)];
где E_o - электрическая постоянная, E - диэлектрическая проницаемость, S1, S2, S3 - площади электродов датчиков положений, T - время заряда.

Выражения W1 и W2 содержат ряд параметров: I,T,E - характеризующихся определенной нестабильностью величин. Однако отношение W1/W2 = a, сохраняя информацию о давлении P, свободно от нестабильностей упомянутых величин. Используя указанное отношение, можно определить величину давления по следующей формуле:

Сигналы с ДУ 7, пропорциональные W1 и W2, через АЦП 8 поступают на ВВУ 9, где осуществляется вычисление действующего давления P по формуле (1). Коэффициенты пропорциональности k1, k2, k3 определяются экспериментально при тарировке датчика давления.

Отношения S_i/S_j и ki/kj, входящие в формулу (1), практически не зависят от температуры окружающей среды. Ее влияние на значение измеряемого давления будет оказано через величины зазоров H1_o, H2_o, H3_o и коэффициент k1. Для учета данного фактора тарировку датчика давления производят при нескольких значениях температуры. По измеренным данным определяют температурную поправку. По сигналу с датчика температуры 11 ВВУ 9 корректирует значение выходного сигнала о действующем давлении на величину температурной поправки.

При реализации датчика давления по схеме, приведенной на фиг. 4, используется импульсный источник питания, а в коммутирующем устройстве применены резисторы R, определяющие требуемый ток заряда I. Длительность импульса источника питания выбирается менее постоянной времени RC-цепей, образованных резисторами R и емкостями C1, C2, C3 датчиков перемещения. В этом случае на датчиках перемещения по окончании действия импульса источника питания будут накоплены напряжения:
U_C1= It/C1; U_C2= It/C2; U_C3= It/C3,
где t - длительность импульса источника питания. Работа коммутирующего устройства синхронизирована с импульсами источника питания. В остальном принцип действия датчика давления по схеме на фиг. 4 аналогичен ранее описанному.

В заявленном датчике давления может быть использовано более трех датчиков перемещений при сохранении принципа их использования. В этом случае возможно осреднение выходной величины и тем самым дальнейшее повышение точности датчика давления.

На предприятии НПК "Вектор" изготовлены опытные образцы предложенного датчика давления с реализацией в них технических решений, представленных в настоящей заявке. Экспериментальная проверка на опытных образцах подтвердила высокую техническую эффективность предложенного устройства.

Датчик предназначен для использования в приборостроении, измерительной технике при измерении давления в газообразных, жидких и сыпучих средах. Датчик содержит упругий элемент, закрепленный на опорном элементе, не менее трех емкостных датчиков перемещения и источник питания. Емкостные датчики перемещения через коммутирующее устройство могут быть соединены с источником питания или попарно с входами дифференциальных усилителей. Выходы дифференциальных усилителей соединены с аналого-цифровыми преобразователями, выходы аналого-цифровых преобразователей - с вычислительно-управляющим устройством, управляющий вход которого соединен с коммутирующим устройством. Технический результат - повышение точности датчика при длительном сроке эксплуатации без периодических калибровок с обеспечением возможности сопряжения его с современными системами обработки информации. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Датчик давления, содержащий упругий элемент, закрепленный на опорном элементе, емкостные датчики перемещения упругого элемента и источник питания, отличающийся тем, что в нем выполнено не менее трех емкостных датчиков перемещения, дополнительно введены коммутирующее устройство, дифференциальные усилители, аналого-цифровые преобразователи и вычислительно-управляющее устройство, при этом емкостные датчики перемещения через коммутирующее устройство могут быть соединены с источником питания или попарно с входами дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с соответствующими аналого-цифровыми преобразователями, выходы аналого-цифровых преобразователей - с вычислительно-управляющим устройством, управляющий выход которого соединен с коммутирующим устройством. 2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен с перемычками между его рабочей частью и местами крепления к опорному элементу, перемычки имеют малую жесткость в направлении, ортогональном направлению рабочего перемещения упругого элемента. 3. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что в него введен датчик температуры, выход которого соединен с вычислительно-управляющим устройством. 4. Датчик давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что упругий и опорный элементы выполнены из материалов на основе кремния. 5. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника питания используется источник импульсного напряжения.