Преобразователь давления измерительный многоканальный Российский патент 2024 года по МПК G01L9/04 G01L15/00 G12B7/00 G01D3/28 G01K13/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для многоканальных измерений давления на поверхности моделей и натурных летательных аппаратов (ЛА) бездренажным методом.

Известны многоканальные преобразователи давления, в которых используются тензорезисторные полупроводниковые чувствительные элементы давления (ЧЭД), изготовленные по интегральной технологии группами на общей подложке. В преобразователь встроен электронный коммутатор сигналов тензорезисторных мостов ЧЭД, фольговые нагревательные элементы и два терморезистора. По сигналам одного из них регулируется температура модуля с помощью внешней аппаратуры термостабилизации, другой служит для контроля температуры. Пневмопорты модулей манометрическими трассами, проложенными внутри модели ЛА, соединяются с дренажными отверстиями на поверхности модели (см. А.И. Беклемищев, В.Н. Чекрыгин. Многоточечные модули давления // Датчики и системы. - 2004, №3 - С. 9-10).

К недостаткам модулей можно отнести:

- ограниченный частотный диапазон измеряемых давлений, вследствие инерционности пневмотрасс, соединяющих пневмопорты преобразователей давления с приемниками давлений, установленными в дренажных отверстиях на поверхности модели ЛА;

- необходимость применения внешней аппаратуры термостабилизации модулей для уменьшения температурной погрешности;

- значительное количество кабельных линий связи модулей с внешней, удаленной (до 100 м) измерительной, терморегулирующей и питающей аппаратурой, снижающее эксплуатационную надежность многомодульной измерительной системы;

- значительные габаритные размеры, не позволяющие, в ряде изготовления и препарирования дренированной модели модулями.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является малогабаритный, многоканальный преобразователь давления с аналоговым и цифровым выходами (см. Бирюков Г.В., Блокин-Мечталин Ю.К., Колесников В.А., Назаров А.Е. Преобразователь давления многоканальный. Патент. – RU 2696945 C1). Преобразователь содержит тензорезисторные чувствительные элементы давления (ЧЭД), электронный мультиплексор сигналов измерительных мостов ЧЭД, схему управления мультиплексором, измерительный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- ограниченный частотный диапазон измеряемых давлений, вследствие инерционности пневмотрасс;

- значительные габариты преобразователей давления (53×13×9,5 мм), не позволяющие, в ряде случаев, встраивать преобразователи в малоразмерные модели ЛА;

- трудоемкость изготовления и препарирования дренированной модели преобразователями.

Техническим результатом изобретения является:

- возможность измерения распределения давления на поверхности моделей и натурных образцов ЛА бездренажным методом;

- расширение частотного диапазона измеряемых давлений;

- повышение информативности и быстродействия измерений давления;

- упрощение схемы, конструкции и уменьшение габаритов преобразователя давления.

Технический результат достигается тем, что в преобразователе давления измерительном многоканальном, содержащем тензорезисторные чувствительные элементы давления, построенные на основе тензорезисторных измерительных мостов, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, тензорезисторные чувствительные элементы давления изготовлены по технологии поверхностной микромеханики, смонтированы внутри тонкой ленты из гибкого материала с отверстиями в ленте, расположенными против каждого чувствительного элемента давления, а также содержит пневмоканал, объединяющий обратные полости чувствительных элементов давления, электрические линии питания и линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов проложены внутри ленты, при этом датчик температуры, являющийся датчиком температуры ленты, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, штуцер пневмоканала установлены на монтажной части ленты, а электрические линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов чувствительных элементов давления, измерительные линии датчика температуры ленты соединены с многоканальным аналого-цифровым преобразователем, входы управления которым соединены с микроконтроллером, выходы формирователя напряжений питания элементов преобразователя соединены с линиями питания тензорезисторных измерительных мостов чувствительных элементов давления, а также с линиями питания многоканального аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера. Лента выполнена из полиимида.

Лента выполнена толщиной не более 2 мм.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого преобразователя давления измерительного многоканального на гибкой ленте. Предлагаемый преобразователь содержит тензорезисторные чувствительные элементы давления 1, построенные на основе тензорезисторных измерительных мостов 2 и изготовленные по технологии поверхностной микромеханики, смонтированы внутри тонкой гибкой ленты из полиимида 3 с отверстиями в ленте, расположенными против каждого чувствительного элемента давления 1 в одну линию по центру ленты 3, пневмоканал, объединяющий обратные полости чувствительных элементов давления 1, электрические линии питания и линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов 2 проложены внутри ленты 3, датчик температуры ленты 4, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 5, микроконтроллер 6, формирователь напряжений питания элементов преобразователя 7, штуцер 8 пневмоканала, объединяющего обратные полости чувствительных элементов давления 1, установлены на монтажной части ленты 3, при этом электрические линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов 2 чувствительных элементов давления 1, измерительные линии датчика температуры ленты 4 соединены с многоканальным аналого-цифровым преобразователем 5, входы управления которым соединены с микроконтроллером 6, выходы формирователя напряжений питания элементов преобразователя 7 соединены с линиями питания тензорезисторных измерительных мостов 2 чувствительных элементов давления 1, а также с линиями питания многоканального аналого-цифрового преобразователя 5 и микроконтроллера 6.

Преобразователь давления многоканальный на гибкой ленте монтируется во фрезерованные пазы или непосредственно на поверхность модели. Несколько преобразователей могут быть объединены в единую многоканальную сеть.

Преобразователь давления работает следующим образом: изменение давления в точках на поверхности изделия приводит к изменению электрических сигналов тензорезисторных мостов 2 тензорезисторных чувствительных элементов давления 1, сигналы тензорезисторных измерительных мостов 2 и датчика температуры 4 одновременно измеряются и преобразуются в код многоканальным аналого-цифровым преобразователем 5 и регистрируются в микроконтроллере 6, где рассчитывается текущее давление, с учетом коррекции по температуре ленты 3, измеренной датчиком температуры 4.

Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат:

- реализуется технология бездренажного метода измерения распределения давления на поверхности моделей и натурных образцов летательных аппаратов;

- расширяется частотный диапазон измеряемых давлений;

- повышается информативность и быстродействие измерения давлений;

- упрощается схема и конструкция многоканальных преобразователей давления;

- уменьшаются габариты многоканальных преобразователей давления;

- сокращается трудоемкость подготовки модели к испытаниям;

- открывается возможность измерения полей статических и динамических давлений на поверхностях тонких элементов моделей и натурных летательных аппаратов в труднодоступных для измерения местах, где дренажный метод принципиально не применим.

Малая толщина ленты преобразователя давления позволяет минимизировать влияние на аэродинамическое обтекание модели. Применение многоканальных преобразователей давления на гибкой ленте упрощает процесс препарирования модели, открывает возможность использования преобразователей на ЛА, находящихся в эксплуатации, где дренирование и препарирование конструкции принципиально невозможно.

Изготовлен и исследован опытный образец преобразователя давлений многоканального на гибкой ленте с параметрами: количество измерительных каналов - 5, номинальное давление - 100 кПа, питание чувствительных элементов давления (ЧЭД) - 5 В, выходной сигнал ЧЭД - 50 мВ, диаметр отверстия для передачи давления на ЧЭД - 0,2 мм, шаг расположения ЧЭД на ленте - 50 мм, толщина ленты - 0,6 мм, ширина ленты - 5 мм, длина ленты -100 мм, материал ленты - полиимид. Чувствительные элементы давления -это микромеханическая система (МЭМС) с поверхностной микромеханикой. На поверхности кремниевой пластины формируется последовательность слоев поликремния, нитрида кремния и других. В результате последовательности операций нанесения слоев и их травления получают поликремниевую мембрану толщиной 1,5 мкм с нанесенными тензорезисторами и проводниками. Под мембраной с помощью ионно-плазменного травления формируется «колодец» - отверстие для подачи давления (рабочая полость). В качестве устройства измерения электрических сигналов преобразователя использовался многоканальный, быстродействующий АЦП фирмы National Instruments NI9237 с высокой разрешающей способностью, имеющий выход на сеть Ethernet.

Исследования опытного образца преобразователя на эталонных стендах и установленного на поверхностях моделей в АДТ показали: приведенная погрешность измерения не превышает - 1%, температурные коэффициенты изменения нулевых сигналов (ТКН) и чувствительности (ТКЧ) не превышают - 0,2%/°С, нестабильность нулевого сигнала в течение 8 часов при постоянной температуре не превышает - 1%, неравномерность АЧХ до 6 кГц не превышает - 3 дБ. Исследования подтвердили ожидаемые технические результаты.

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для многоканальных измерений давления на поверхности моделей летательных аппаратов бездренажным методом. Предлагаемый преобразователь давления измерительный многоканальный содержит тензорезисторные чувствительные элементы давления, построенные на основе тензорезисторных измерительных мостов, изготовленные по технологии поверхностной микромеханики и смонтированные внутри тонкой гибкой ленты из полиимида с отверстиями в ленте, расположенными против каждого чувствительного элемента давления в одну линию по центру ленты, пневмоканал, объединяющий обратные полости чувствительных элементов давления, электрические линии питания и линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов, проложенные внутри ленты, датчик температуры ленты, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, штуцер пневмоканала, объединяющего обратные полости чувствительных элементов давления, установленные на монтажной части ленты. Технический результат - возможность измерения распределения давления на поверхности моделей и натурных образцов ЛА бездренажным методом; расширение частотного диапазона измеряемых давлений; упрощение схемы, конструкции и уменьшение габаритов преобразователя давления. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Преобразователь давления измерительный многоканальный, содержащий тензорезисторные чувствительные элементы давления, построенные на основе тензорезисторных измерительных мостов, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, отличающийся тем, что тензорезисторные чувствительные элементы давления изготовлены по технологии поверхностной микромеханики, смонтированы внутри тонкой ленты из гибкого материала с отверстиями в ленте, расположенными против каждого чувствительного элемента давления, а также содержит пневмоканал, объединяющий обратные полости чувствительных элементов давления, электрические линии питания и линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов проложены внутри ленты, при этом датчик температуры, являющийся датчиком температуры ленты, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, штуцер пневмоканала установлены на монтажной части ленты, а электрические линии измерительных диагоналей тензорезисторных измерительных мостов чувствительных элементов давления, измерительные линии датчика температуры ленты соединены с многоканальным аналого-цифровым преобразователем, входы управления которым соединены с микроконтроллером, выходы формирователя напряжений питания элементов преобразователя соединены с линиями питания тензорезисторных измерительных мостов чувствительных элементов давления, а также с линиями питания многоканального аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера.

2. Преобразователь давления измерительный многоканальный по п. 1, отличающийся тем, что лента выполнена из полиимида.

3. Преобразователь давления измерительный многоканальный по п. 1, отличающийся тем, что лента выполнена толщиной не более 2 мм.