УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ Российский патент 2001 года по МПК G01L9/12 

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

Известен миниатюрный дифференциальный емкостной датчик давления. Датчик содержит две впускные трубы давления, диафрагму (мембрану), электроды (обкладки конденсатора) и токопроводы.

Такая конструкция датчика позволяет намерять давление на поверхности изделия с помощью дренажных отверстий (cм. Г.П. Нуберт "Измерительные преобразования неэлектрических величин" изд-во Энергия, Ленинградское отделение, 1970, стр.269-270).

Недостатком конструкции этого датчика является то, что для крепления датчика на поверхности объекта требуется дренирование изделия. Конструкция громоздка, имеет большой вес, в связи с этим малая пространственная разрешающая способность между измеряемыми точками и т.д.

Известен способ сборки миниатюрного емкостного дифференциального датчика давления. Выпускные трубки давления изготавливают на прецизионных станках. Оба электрода жестко скрепляют на твердых держателях из изоляционного материала (керамики), обработку керамики осуществляют ультразвуком. Между обкладками конденсатора располагают мембрану из железоникелевого сплава и изолируют от обкладок. Три электропровода сваривают с мембраной и обкладками. Все токоведущие поверхности покрывают радием. Это необходимо при погружении датчика в жидкость. Затем собирают датчик. Отдельные узлы между собой скрепляют винтами и клеем.

Такой способ сборки датчика позволяет измерять давление на поверхности изделия с помощью дренажных отверстий (см. Г.П. Нуберт "Измерительные преобразования неэлектрических величин" изд-во Энергия, Ленинградское отделение, 1970, стр. 269-270).

Недостатки этого способа сборки: требуются дорогостоящие прецизионные станки; обработка изоляционного материала из керамики ультразвуком; железоникелевый сплав для мембраны трудно обрабатывается.

Известен емкостной датчик давления, разработанный на базе четырех диэлектрических пленок. На поверхности первой пленки расположен основной экран, вторая пленка является изолятором между первой и третьей пленкой. На обеих поверхностях третьей пленки сформированы обкладки с выводами и боковые экраны. Четвертая пленка является защитным слоем от внешних воздействий.

Такое техническое решение позволяет измерять высокие уровни пульсации давления в труднодоступных местах, в частности, между болтовыми и заклепочными соединениями без дополнительной обработки поверхности изделия (см. патент РФ N 1813208, G 01 L 9/12, 1993, "Емкостной датчик давления", автор А.А. Казарян).

Этот датчик обладает недостатками, затрудняющими его широкое применение. Это большой шаг между измеряемыми точками, низкая чувствительность, которые не позволяют определить переход от одного режима к другому с изменением аэродинамических параметров (угла атаки, места, число маха).

Известен способ сборки емкостного датчика давления. Чувствительные элементы (ЧЭ) давления на поверхности диэлектрических пленок формируют способом фотолитографии из металлизированных или фольгированных пленок. Из четырех пленок формируют пакет, скрепляют между собой пленкой клея и выдерживают под давлением и при температуре. Причем в середине ЧЭ формируют сквозные соосные отверстия и располагают между болтовыми и заклепочными соединениями для измерения давления в этих узлах.

Этот способ сборки датчика позволяет измерять пульсации давления на поверхности изделий в таких труднодоступных местах, как заклепочные и болтовые соединения без нарушения целостности изделия (см. патент РФ N 1813208, G 01 L 9/12, 1993, "Емкостной датчик давления", автор А.А. Казарян).

Недостаток этого способа заключается в том, что при формировании пакета отсутствует технология выдержки собранного пакета под давлением, при температуре и времени выдержки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является датчик давления. Датчик давления наклеен на поверхность профиля, не обтекаемую потоком газа. На изделии выполнены дренажные отверстия. Датчик прикреплен к поверхности изделия по периферии ячеек перфорации ЧЭ. Датчик состоит из четырех диэлектрических пленок. На поверхностях первой пленки сформирован основной экран и ЧЭ, вторая пленка является изолятором между первой и третьей перфорированными пленками. На нижней поверхности четвертой пленки сформирован ЧЭ датчика.

Такой датчик позволяет измерять давление в дренажных отверстиях на поверхности изделий (см. патент РФ N 2082132, G 01 L 9/12, 1997, "Способ измерения давления", автор А.А. Казарян).

Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является способ сборки четырехслойного датчика на основе диэлектрических пленок. Поверхности пленок металлизируют в вакууме. Затем способом электрической гравировки формируют ЧЭ датчика. Одну из пленок перфорируют и располагают между обкладками конденсатора с целью повышения чувствительности датчика. Из всех пленок формируют пакет и выдерживают под давлением и при температуре определенное время.

Такой способ сборки датчика позволяет измерять пульсации давления с помощью дренажных отверстий на поверхности изделия (см. патент РФ N 2082132, G 01 L 9/12, 1997, "Способ измерения давления", автор А.А. Казарян).

Недостатки конструкции датчика и способа сборки, выбранных в качестве прототипов, следующие: трудно измерять распределение полей статического давления на поверхности изделий; нет технологии сборки датчика на основе клея, режимов термической обработки и прессовки пакета датчика.

Задачей настоящего изобретения является повышение информативности за счет увеличения количества ЧЭ и повышение надежности за счет защиты ЧЭ устройства от внешних воздействий.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения давления, содержащем не менее четырех диэлектрических слоев, один слой перфорированный, на одной из поверхностей двух диэлектрических слоев сформированы обкладки с выводами и боковые экраны, основной экран сформирован на нижней поверхности одной диэлектрической пленки, причем перфорированная пленка расположена между обкладками конденсатора, в нем две перфорированные пленки из полиимида расположены под первым и четвертым фольгированными диэлектрическими листами, между двумя перфорированными пленками расположена мембрана из FeNi сплава, с обеих сторон покрытая полиимидной пленкой, дренажные трубки с внутренним d₂ и наружным диаметром d, которые определяются из зависимостей d= (1,25-4,0)d₂ и d=(2,5-8)d₁, где d₁ - диаметр сквозного отверстия, глубина сквозного отверстия t₁ составляет t₁=(0,4-0,5)t, где t - толщина первого и четвертого фольгированных диэлектрических листов, длина мембраны, первого фольгированного диэлектрического листа и второй перфорированной пленки l составляет l=(1,03-1,05)l₁, где l₁ - длина четвертого фольгированного диэлектрического листа и третьей перфорированной пленки, на нижних поверхностях первого и четвертого листов сформирован второй ряд обкладок с выводами и боковыми экранами, расстояние между двумя рядами обкладок A составляет A= (1,35-1,45)г, где г - длина обкладки, расстояние между дренажными трубками C составляет C=(1,33-1,5)б, где б - ширина обкладок, дренажные трубки соосны с ячейками перфорации на двух пленках из полиимида, все четыре слоя скреплены с мембраной клеем, сформированный пакет располагают в цилиндрическом каркасе, на поверхности каркаса образованы четыре паза для прохождения дренажных трубок, ширина пазов составляет a=(1,05-1,1)d, где d - наружный диаметр дренажных трубок, оба конца цилиндра закрыты крышками и скреплены винтами, токосъемные провода выведены из торца с левой и правой стороны через отверстия в крышках.

Технический результат достигается также тем, что в способе сборки устройства для измерения давления, содержащего не менее четырех диэлектрических слоев, в котором способом фотолитографии на верхних поверхностях первого и четвертого диэлектрических листов формируют основной экран, на нижних поверхностях формируют обкладки с выводами и боковые экраны, перфорируют полиимидную пленку, при котором слои пленок собирают в пакет, в нем слои пакета между собой скрепляют пленкой сухого клея на эпоксидно-каучуковой основе, дренажные отверстия высверливают на первом и четвертом фольгированных диэлектрических листах глубиной, равной t₁=(0,4-0,5)t, где t - толщина диэлектрических листов, внутрь сквозных отверстий вставляют дренажные трубки и скрепляют жидким клеем на эпоксидно-каучуковой основе, выдерживают при температуре 70-80^oC продолжительностью 5-10 мин, затем собранный пакет выдерживают под давлением 3,5-4,0 МПа при температуре 165-175^oC в течение 50-60 мин, затем охлаждают до 50-60^oC, сформированный пакет размещают в цилиндрическом каркасе, который изготавливают из стальной стандартной трубы, до размещения пакета в каркасе токосъемные провода закрепляют на поверхности фольгированных диэлектрических листов в удобном месте, причем все экраны электрически изолируют от каркаса, жгуты монтажных проводов выводят через отверстия на крышках с торцов с левой и правой стороны, во внутрь цилиндрического каркаса заливают парафин при температуре 70-85^oC.

На чертеже изображена конструкция устройства и отдельные его узлы для измерения давления.

Устройство содержит цилиндрический каркас 1, у которого обе стороны закрыты крышками 2. ЧЭ устройства формируют на основе первого и четвертого фольгированных диэлектрических листов 3, 4. На верхних поверхностях содержатся основные экраны 5, 6, на нижних поверхностях сформированы обкладки 7, 8 с выводами в, г, д ... и боковые экраны 9, 10 (сеч. А-А, Б-Б, В-В). Вторая и третья диэлектрические пленки из полиимида 11, 12 перфорированы (сеч. В-В) и расположены под обкладками устройства. Между двумя перфорированными пленками находится мембрана устройства из FeNi сплава 13, с обеих сторон покрытая полиимидной пленкой (сеч. В-В). Давление на мембрану подают через дренажные трубки 14 с фаской Ф. Все листы и пленки между собой скрепляют пленкой клея 15. Съем сигнала с выводов в, г, д осуществляют жгутами проводов 16 (сеч. В-В). Для свободного размещения дренажных трубок в каркасе, на его поверхности образованы пазы 17 шириной a. С целью защиты токоведущих частей от вибрации и ударов во внутрь устройства заливают компаунд 18 (сеч. Г-Г). Каркас скрепляют с крышками четырьмя винтами 19. Под один из винтов предусматривают лепесток 20 для соединения с местным заземлением. Давление от объекта подают через гибкие диэлектрические трубки 21. Жгут проводов скрепляют скобкой 22.

Такое устройство предназначено для измерения распределения давления на поверхности модели изделия с помощью дренажных отверстий и трубок. Ячейки перфорации диэлектрических пленок 11, 12, разделенные мембраной 13, создают две камеры давления между обкладками 7, 8 и мембраной 13 соответственно. Перемещение мембраны под давлением выявляется по изменению емкости между мембраной 13 и двумя неподвижными обкладками 7, 8. Размеры обкладок 7, 8 выбирают 4х6 - 6х9 мм² с целью согласования емкостных ЧЭ с измерительной цепью. При этом расстояние между дренажными трубками обставляет C=(1,33-1,5)б, где б - ширина обкладок; расстояние между двумя рядами обкладок A составляет A= (1,35-1,45) г, где г - длина обкладки. Дренажные трубки соосны с ячейками перфорации на двух пленках из полиимида 11, 12. Для свободного прохождения дренажных трубок через цилиндрический каркас, на его поверхности образуют четыре паза шириной a. Диаметр дренажных трубок 1-2 мм, ширина паза составляет a= (1,5-2,0)d, где d - наружный диаметр дренажных трубок. Расстояние между боковыми экранами и обкладками с выводами выбирают 0,3-0,5 мм. Размеры основных и боковых экранов (по периметру) на поверхностях фольгированных диэлектриков выбирают меньше размеров диэлектрических листов 3, 4 на 0,5-1 мм.

Такое сочетание выбранных размеров позволяет электрически изолировать дренажные трубки, основные и боковые экраны от корпуса каркаса, который соединен с местным заземлением. Изоляция между каркасом и основными экранами защищает от проникновения синфазных помех через какие-либо узлы измерительной цепи устройства.

Длина выводов для пайки 2-3 мм. Толщина диэлектрических листов от 5 до 10 мм, покрытых металлической фольгой 10-50 мкм. Длина мембраны, первого фольгированного диэлектрического листа и второй перфорированной пленки l составляет l= (1,03-1,05)l₁, где l₁ - длина четвертого фольгированного диэлектрического листа и третьей перфорированной диэлектрической пленки. Такое сочетание слоев конструкции между собой обеспечивает подачу напряжения поляризации устройства. Давление к мембране подают через дренажные трубки длиной 15-20 мм с наружным d и внутренним d₂ диаметрами (d=1-2 мм; d₂=0,5-1 мм), которые определяются из зависимостей d=(1,25- 4,0)d₂ и d=(2,5-8)d₁, где d₁ - диаметр сквозного отверстия. При этом глубина сквозного отверстия t₁ на стенках первого и четвертого листов составляет t₁= (0,4-0,5)t. Доступ давления к мембране осуществляют через дренажные трубки соосно со сквозными отверстиями диаметром d₁ = 0,25-0,4 мм. Выбранные размеры и их отношения

позволяют подавать давление на мембрану через гибкие диэлектрические дренажные трубки от объекта.

Сборку устройства осуществляют следующим образом.

На наружных поверхностях дренажных трубок соответствующей длины наносят жидкий клей на эпоксидно-каучуковой основе. Затем трубки вставляют в дренажные отверстия. Собранные первый и четвертый листы с трубками выдерживают при температуре 70-80^oC продолжительностью 5-10 мин. Затем вынимают из термостата, очищают отверстия от заусениц и отходов. Конечная термическая обработка осуществляется для собранного пакета устройства. Мембрану устройства изготавливают из FeNi сплава толщиной 10-40 мкм, шириной 100 мм. При размерах обкладок 4х6 - 6х9 мм ширину мембраны выбирают 20 и 25 мм, при этом обеспечивается производство без отходов. Длина мембраны зависит от количества ЧЭ и ее выбирают в зависимости от условий эксперимента. Максимальное количество ЧЭ не более 50 шт. обеспечивает надежную работу устройства. Покрытие мембраны с обеих сторон полиимидной пленкой осуществляют по известной технологии.

Из листов, пленок и мембраны собирают пакет. Слои между собой скрепляют пленкой сухого клея на эпоксидно-каучуковой основе. В собранном пакете токосъемные выводы в, г, д... на поверхностях первого и второго листов смещают друг относительно друга на 180^o и обеспечивают доступ пайки токосъемных проводов с выводами в, г, д. После этого собранный пакет располагают между двумя стальными пластинами и создают давление 3,5-4,0 МПа при температуре 165-175^oC в течение 50-60 мин, затем охлаждают до 50-60^oC.

Путем пайки или сварки дренажные трубки герметично соединяют с основным экраном. Затем осуществляют пайку токоведущих проводов 16 с выводами в, г, д. Провода с помощью клея или хомута прикрепляют к листам. Собранный пакет с дренажными трубками и жгутами проводов располагают в стальном цилиндрическом или другом каркасе любой удобной конструкции для проведения измерений. Жгуты выводят с правой и левой сторон.

Стальной каркас хорошо защищает от внешних электромагнитных полей экранированные электрические контакты в, г, д ... и провода. Затем после проверки функционирования каждого ЧЭ под давлением, устройство заливают герметиком или парафином с целью защиты ЧЭ от ударов, вибрации и электрической коррозии, особенно если устройство работает в условиях влажности и в агрессивной среде. При заливке каркаса парафином при температуре 70-80^oC обеспечивается хорошее экранирование пазов, где расположены дренажные трубки, и торцов, откуда выходят жгуты проводов.

В зависимости от чувствительности ЧЭ устройства, т.е. от толщины мембраны, диаметра ячейки перфорации и др. параметров, диапазон измеряемого давления (статического, динамического, стато-динамического) составляет от долей десятков Паскалей до нескольких тысяч мегаПаскалей.

Принцип работы устройства. При изменении давления ΔP изменяется расстояние между обкладками 7, 8 относительно мембраны 13. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость C, приращение емкости ΔC и относительное изменение емкости ΔC/C. Напряжение на выходе ЧЭ устройства измеряют между в,13; г,13; д,13 ..., пропорционально приращению ΔC/C и напряжению поляризации, подаваемому к выводам мембраны 13 из источника поляризации.

Предложенное устройство предназначено для измерения дифференциального, избыточного и абсолютного давлений. Когда с помощью дренажных трубок подают давление P₁, P₂ и P₁ > P₂, при этом измеряют дифференциальное давление, т.е. ΔP = P₁-P₂. Когда подают давление P₁, а P₂=0 (отверстие дренажной трубки закрыто), измеряют абсолютное давление ΔP = P₁-P₂ = P₁. B случае, когда подают давление P₁, а P₂=P₀, где P₀ - атмосферное давление, измеряют избыточное давление, т.е. ΔP = P₁-P₀.
С этой целью в ЦАГИ было изготовлено устройство с шестью ЧЭ для измерения статического давления. Размеры обкладок 6х9 мм с выводами 3 мм. Мембрана 0,5-1,0 мм с обеих сторон покрыта полиимидной пленкой из FeNi сплава толщиной 10 мкм. Перфорированная пленка из полиимида толщиной 40 мкм с диаметром ячейки перфорации 5 мм. В качестве связующего звена между пленками и листами был использован сукой клей марки САФ. Дренажные трубки с листами скреплялись клеем на эпоксидно-каучуковой основе, соединение с экраном - обычная пайка с припоем ПОС-40. Фаску Ф на дренажных трубках формируют под давлением на специальном устройстве.

Статические характеристики устройства были проверены при давлении 0-6000 Па. При этом нелинейность составила 16%, приращение емкости 0-2,4 пФ. Прямой и обратный ходы статической характеристики практически совпадают, т.е. гистерезис практически отсутствует.

Изобретения предназначены для измерения давления в авиационной технике и машиностроении. Устройство разработано на базе емкостных чувствительных элементов с двумя полостями давления дифференциальной конструкции. Устройство содержит две перфорированные полиимидные пленки, фольгированные диэлектрические листы и мембрану из FeNi сплава, с обеих сторон покрытую полиимидной пленкой. Собранный пакет чувствительных элементов давления размещен в цилиндрическом каркасе. С обоих концов каркаса выведен жгут токопроводящих выводов. Для защиты от влияния внешних факторов каркас залит компаундом. Сборку устройства осуществляют под давлением 3,5 - 4,0 МПа при 165 - 175^oC в течение 50 - 60 мин. Слои пакета скрепляют между собой пленкой сухого клея на эпоксидно-каучуковой основе. Дренажные трубки для подачи давления на мембрану с дренажными отверстиями скрепляют жидким клеем на эпоксидно-каучуковой основе. Технический результат - повышение информативности и надежности. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения давления, содержащее не менее четырех фольгированных диэлектрических листов, отличающееся тем, что в нем на верхних поверхностях первого и четвертого диэлектрических листов сформированы основные экраны, а на нижних поверхностях - два ряда обкладок конденсаторов с выводами и боковыми экранами, под первым и четвертым фольгированными диэлектрическими листами расположены две перфорированные диэлектрические пленки, между которыми расположена покрытая с обеих сторон полиимидной пленкой мембрана из FeNi сплава, снабженная дренажными трубками с внутренним диаметром d₂ и наружным диаметром d, которые определяют из зависимостей d = (1,25 - 4,0) d₂ и d = (2,5 - 8) d₁, где d₁ - диаметр сквозного отверстия, выполненного в стенках первого и четвертого фольгированных диэлектрических листов, глубина t₁ сквозного отверстия составляет t₁ = (0,4 - 0,5) t, где t - толщина первого и четвертого фольгированных диэлектрических листов, при этом длина l мембраны, первого фольгированного диэлектрического листа и второй перфорированной диэлектрической пленки составляет l = (1,03 - 1,05) l₁, где l₁ - длина четвертого фольгированного диэлектрического листа и одной перфорированной диэлектрической пленки, причем расстояние А между двумя рядами обкладок составляет А = (1,35 - 1,45) г, где г - длина обкладки, расстояние С между дренажными трубками составляет С = (1,33 - 1,5) б, где б - ширина обкладок, дренажные трубки расположены соосно с ячейками перфорации на двух диэлектрических пленках из полиимида, все четыре фольгированных диэлектрических листа скреплены с мембраной в пакет с помощью клея, скрепленный пакет расположен в цилиндрическом каркасе, на поверхности которого выполнены четыре паза для размещения дренажных трубок, при этом ширина а пазов составляет а = (1,05 - 1,1) d, где d - наружный диаметр дренажных трубок, оба конца цилиндрического каркаса закрыты крышками, а токосъемные провода выведены через отверстия в крышках. 2. Способ сборки устройства для измерения давления, содержащего скрепленные в пакет не менее четырех фольгированных диэлектрических листов и мембрану, отличающееся тем, что фольгированные диэлектрические листы, перфорированные диэлектрические пленки и мембрану скрепляют пленкой сухого клея на эпоксидно-каучуковой основе, в первом и четвертом фольгированных диэлектрических листах высверливают сквозные дренажные отверстия глубиной t₁, равной t₁ = (0,4 - 0,5) t, где t - толщина фольгированных диэлектрических листов, вставленные в сквозные отверстия дренажные трубки скрепляют жидким клеем на эпоксидно-каучуковой основе, выдерживают при 70 - 80^oC продолжительностью 5 - 10 мин, собранный пакет выдерживают под давлением 3,5 - 4,0 МПа при температуре 165 - 175^oC в течение 50 - 60 мин, затем охлаждают до 50 - 60^oC, сформированный пакет размещают в цилиндрическом каркасе, изготовленном из стальной стандартной трубы, перед размещением пакета в каркасе токосъемные провода закрепляют на поверхности фольгированных диэлектрических листов в удобном месте, при этом все экраны электрически изолируют от каркаса, жгуты монтажных проводов выводят через отверстия в крышках, закрывающих каркас с обоих концов, а внутрь цилиндрического каркаса заливают парафин при 70 - 85^oC.