Датчик для исследования загрязнения поверхности Российский патент 2024 года по МПК G01N5/00 

Изобретение относится к области космического машиностроения, а именно к методам регистрации малых масс, оценки свойств осаждаемых загрязнений, основанным на использовании пьезорезонансных масс-чувствительных датчиков - кварцевых микровесов (КМВ).

КМВ широко используются в измерительной технике для контроля осаждаемой массы твердых тонких пленок с порогом чувствительности 10^-9 г. (Датчики измерительных систем, Аш Ж. с соавторами, в 2 кн., Пер с франц. М.: Мир, 1992, сс. 394-395).

Известны криогенные кварцевые микровесы (SU 1649296A1, МПК G01G 9/00, 15.05.1991), предназначенные для регистрации малых величин масс, которые могут использоваться в качестве датчиков контроля чистоты поверхности и регистраторов потока массы, при измерениях, где требуется измерение величины масс в диапазоне 10^-9-10^-4 г. Для измерения параметров газового окружения, для обеспечения конденсации массы газообразного вещества используется подключение КМВ к источнику криогенной температуры (объем, охлаждающийся путем пропускания через него хладогента, жидких газов Не, Ne, N₂ и т.д). для удаления осевшей пленки подогревателя.

Недостатком приведенного технического решения является необходимость использования источника криогенных температур (криобаллон с жидким газом и системой его прокачки) для создания профиля захолаживания, температура чувствительного элемента КМВ (кристалла кварца) в процессе измерений определяется балансом тепловых потоков от источника криогенных температур и внешних источников тепловых потоков, что делает невозможным проведения точной регулировки и стабилизации температуры кварцевого кристалла в процессе измерений, отсутствие опорного кварцевого резонатора увеличивает температурную погрешность микровесов.

Известно устройство для анализа загрязнения (US 4917499, МПК G01N 5/00 G01N 5/04, опубл. 17.04.1990), позволяющее проводить термогравиметрический анализ загрязняющего покрытия (идентификацию молекулярного загрязнения в окружающей среде). Чувствительный кристалл охлаждается и подвергается воздействию окружающей среды. Загрязняющие вещества оседают на кристалле, образуя на нем криопленку. После накопления проводится термогравиметрический анализ путем подачи питания на нагреватель. При критических температурах сублимации загрязняющие вещества испаряются, вызывая уменьшение массы кристалла. Дифференциация массы отложений по времени обеспечивает спектр, который позволяет идентифицировать несколько загрязняющих веществ либо конкретно (например, диоксид углерода), либо в целом (органический материал). В конструкции используется последовательное закрепление измерительного и опорного кварцевых резонаторов. Опорный кварцевый резонатор используется для температурной коррекции результатов измерения.

Недостатком в приведенном устройстве является последовательная структура закрепления измерительного и опорного кварцевых резонаторов, приводящая к возникновению разности температур измерительного и опорного кварцевых резонаторов при воздействии внешних тепловых потоков, косвенный контроль температуры чувствительного элемента КМВ (кристалла кварца) и соответственно температуры сублимации осажденного вещества посредством измерения температуры опоры (элемента закрепления) измерительного и опорного кристаллов кварца (кварцевого резонатора).

Известен датчик направленных потоков масс (RU 116236U1, МПК G01N 5/00, опубл. 20.05.2012), содержащий кварцевые резонансные микровесы, рабочий (измерительный) и опорный кварцевые резонаторы, соединенные между собой тепловым мостом через радиатор, и включенные в цепь соответствующих генераторов, смеситель, фильтр нижних частот, усилитель, а также нагреватель рабочего кварцевого резонатора, опорный и рабочий кварцевые резонаторы охлаждаются, а рабочий кварцевый резонатор снабжен нагревателем. Предложены варианты с использованием в качестве источника криогенной температуры - криопанели или термобатареи (элемент Пельтье).

Наиболее близким по технической сущности является датчик измерения малых масс загрязняющих частиц (RU 218442 U1, МПК G05B 99/00, опубл. 25.05.2023), содержащий тепловой мост, соединенный с радиатором, который крепится на криопанели с помощью соответствующих винтов. Поддержание стабильной температуры пьезокристаллов осуществляется регулятором температуры радиатора. Нагреватель рабочего кристалла необходим для регенерации кристалла при срыве выходной частоты весов. Для повышения точности измерений количества осажденного вещества на рабочем кварцевом резонаторе датчика вводится дополнительный радиатор с регулятором температур, к которому, посредством теплового моста, подключаются рабочий (измерительный) и опорный кварцевый резонатор, к нижней части крепится печатная плата с электронной частью КМВ, в состав которой включен регулятор температуры радиатора.

Основными недостатками указанного датчика, а также указанного выше, являются: температурная погрешность микровесов из-за невозможности обеспечения точной стабилизации температуры кристаллов, в связи с последовательной компоновкой рабочего (измерительного) и опорного кварцевых резонаторов, возможной деградацией теплового контакта (возникновением дополнительного теплового сопротивления в ходе длительной эксплуатации) между радиатором, тепловым мостом, рабочим (измерительным) и опорным кварцевым резонатором, наличием меняющихся во времени внешних и внутренних тепловых потоков; возникновение теплового потока от радиатора к элементам электронной части КМВ, приводящая к изменению их теплового режима и, следовательно, к изменению режимов работы электронных элементов, температурной зависимости выходных параметров генераторов, фильтров, смесителей, усилителей регулятора температуры.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей КМВ в направлении расширения количества измеряемых параметров загрязняющих покрытий и увеличения точности измерения.

Техническим результатом является повышение точности измерений количества осажденного вещества на измерительном кварцевом резонаторе датчика, расширение информативности и функциональных возможностей датчика и увеличение достоверности полученных данных.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике для исследования загрязнения поверхности, содержащем измерительный и опорный кварцевый резонаторы, соединенные общим тепловым мостом, прикрепленным к охлаждаемому интегрирующему радиатору с регулятором температуры, измерительный и опорный кварцевый резонаторы, подключенные к генераторам кварцевых микровесов, установлены в верхней части корпуса датчика и имеют форму диска, оси которых расположены в одной плоскости параллельно друг другу, сами резонаторы закреплены между нижним и верхним электродами, причем на верхних электродах установлены термоизоляторы, чувствительная поверхность опорного датчика изолирована защитным кварцевым стеклом, на термоизоляторе измерительного кварцевого резонатора установлен поверхностный датчик температуры, а нижние и верхние электроды изолированы друг от друга с помощью печатной платы, при этом нижние электроды, образуя тепловой мост, подключены к интегрирующему радиатору, прикрепленному к регулятору температуры в виде термобатареи, которая установлена с возможностью охлаждения и нагревания, а в нижней части корпуса установлен микроконтроллерный модуль управления, при этом на нижней поверхности кристаллов измерительного и опорного кварцевых резонаторов нанесены платиновые датчики температуры с возможностью работы в режиме прямого измерения температуры и микронагрева, а в верхней части устройства установлен фотодатчик засветки чувствительной поверхности Солнцем.

Кроме того, термобатарея выполнена в виде Пельтье модуля.

Одинаковое расположение измерительного и опорного кварцевого резонатора относительно воздействующих тепловых потоков, введение фотодатчика, поверхностного термодатчика, напыленных (нанесенных) датчиков прямого измерения температуры кристаллов кварцевых резонаторов, реализация режимов охлаждения, нагрева, стабилизации температуры, с использованием специализированного регулятора температуры, увеличивают точность поддержания температуры измерительного и опорного кварцевого резонатора, увеличивает точность измерения количества осажденного вещества на измерительном кварцевом резонаторе датчика, расширяют функциональные возможности датчиков в области исследования состава загрязняющих пленок, повышают достоверность и снижают вероятность возникновения ошибок в ходе обработки полученных результатов.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими чертежами:

- на фиг. 1 приведена блок-схема датчика для исследования загрязнения поверхности;

- на фиг. 2 приведена нижняя поверхность кварцевого резонатора;

- на фиг. 3 приведен общий вид датчика;

- на фиг. 4 изображено измерительное кольцо (площадка) поверхностного датчика температуры и датчик температуры.

Датчик для исследования загрязнения поверхности содержит измерительный кварцевый резонатор (1), опорный кварцевый резонатор (2), измерительное кольцо (площадка) (3) поверхностного датчика температуры, нижний электрод (4) кварцевого резонатора, верхний электрод (5) кварцевого резонатора, термоизолятор (6) измерительного кварцевого резонатора (1), термоизолятор (7) опорного кварцевого резонатора (2), защитное кварцевое стекло (8), фотодиод (9) фотодатчика засветки, датчик температуры (10), держатель (11) защитного стекла (8), печатная плата (12) электродов, термоизолирующая прокладка (13), охладитель (нагреватель) (14) интегрирующий радиатор охладителя (нагревателя), Пельтье модуль (15) (термобатарея), верхнюю часть корпуса (16) датчика, основную часть корпуса (17) датчика, платы (18) микроконтроллерного модуля управления, генераторов КМВ и регулятора температуры, внутреннюю крышку (19).

Датчик работает в нескольких режимах.

1. Режим регистрации уровня осаждения микромасс на контролируемые поверхности.

Загрязняющая масса попадает через отверстие в верхней части корпуса датчика на рабочую поверхность измерительного кварцевого резонатора (1), который включен в цепь соответствующего генератора КМВ. Величина осажденной массы пропорциональна выходной частоте КМВ, которая регистрируется внешними устройствами. На всем протяжении работы датчика происходит контроль температур измерительного (1) и опорного (2) кварцевых резонаторов КМВ с помощью напыленных (нанесенных) на нижнюю поверхность платиновых датчиков температуры (20), контроль температуры поверхности с использованием дополнительного датчика температуры (10), контроль нахождения в поле зрения кварцевых резонаторов источника ультрафиолетового (УФ), видимого (ВИ), инфракрасного (ИК) излучения (Солнца). Стабилизация температуры измерительного (1) и опорного (2) кварцевых резонаторов на уровне температуры поверхностного датчика (10) грубо осуществляется через тепловой мост, соединенный с радиатором (14), который крепится на рабочей поверхности Пельтье модуля (15), точно подстраивается с использованием напыленных (нанесенных) на нижнюю поверхность платиновых датчиков температуры (20), работающих как распределенные микронагреватели. Поддержание стабильной температуры кварцевых резонаторов осуществляется модулем контроля и стабилизации температуры (18). При срыве выходной частоты весов предполагается переход в режим термогравиметрического анализа загрязняющего покрытия (идентификации молекулярного загрязнения в окружающей среде) или регенерации датчика.

2. Режим регистрации состава газового окружения собственной внешней атмосферы (СВА) КА.

Модуль контроля и стабилизации температуры (18) переводит Пельтье модуль (15) в режим максимального охлаждения. Происходит охлаждение поверхностей измерительного (1) и опорного (2) кварцевого резонатора. Контроль фактически достигнутой температуры поверхности измерительного и опорного кварцевых резонаторов осуществляется с использованием напыленных (нанесенных) на нижнюю поверхность платиновых датчиков температуры (20). Загрязняющая масса попадает через отверстие в верхней части корпуса датчика на рабочую поверхность измерительного кварцевого резонатора (1), который включен в цепь соответствующего генератора КМВ. Величина осажденной массы пропорциональна выходной частоте КМВ, которая регистрируется внешними устройствами. Режим осаждения выдерживается установленное время. Затем модуль контроля и стабилизации температуры переводится в режим термогравиметрического анализа загрязняющего покрытия (идентификации молекулярного загрязнения в окружающей среде). В этом режиме осуществляется медленное увеличение температуры рабочих поверхностей измерительного (1) и опорного (2) кварцевых резонаторов по линейному закону. В результате происходит постепенный прогрев чувствительного кристалла и пленки конденсированных на нем загрязнений. При критических температурах сублимации различных загрязняющих веществ они испаряются, и их потеря и, следовательно, общее уменьшение массы загрязняющего вещества на поверхности измерительного кварцевого резонатора (1) регистрируется как изменение частоты КМВ. Дифференциация массы отложений по времени и температуре обеспечивает спектр, который позволяет идентифицировать состав загрязняющих веществ.

3. Режим оценки влияния УФ излучения Солнца на процесс сублимации загрязняющего вещества.

Введение фотодиода (9) с полем зрения, совпадающим (согласованным) с полем зрения рабочего датчика КМВ позволяет фиксировать момент попадания на рабочую поверхность оптического излучения Солнца. Оптическое излучение Солнца содержит широкий спектр излучения. Длинноволновая область спектра создает (отвечает) за тепловое воздействие на рабочую поверхность, коротковолновая, в большей степени, за возможные химические преобразования в загрязняющей поверхностной пленке. Учет времени воздействия расширяет возможности исследования процессов происходящих на поверхности КА, позволяет учесть синергетическое влияние нескольких воздействующих факторов на пленочные осаждения.

Модуль контроля и стабилизации температуры работает в соответствии с режимом регистрации уровня осаждения микромасс на контролируемые поверхности. При фиксации в поле зрения источника УФ излучения - Солнца, осуществляется непрерывный контроль выходной частоты КМВ, температуры измерительного (1) и опорного (2) кварцевого резонатора, температуры внешней поверхности. Оценка влияния осуществляется по результатам усреднения и сравнения результатов изменения выходной частоты КМВ в режимах наличия воздействия УФ и отсутствия воздействия УФ. При необходимости, для формирования сравнительного измерения, возможна имитация тепловых режимов работы измерительного и опорного кварцевого резонаторов за счет перевода модуля контроля и стабилизации температур в режим моделирования (воспроизведения) записанного профиля температур.

Использование: для регистрации малых масс, оценки свойств осаждаемых загрязнений. Сущность изобретения заключается в том, что измерительный и опорный кварцевый резонаторы, подключенные к генераторам кварцевых микровесов, установлены в верхней части корпуса датчика и имеют форму диска, оси которых расположены в одной плоскости параллельно друг другу, сами резонаторы закреплены между нижним и верхним электродами, причем на верхних электродах установлены термоизоляторы, чувствительная поверхность опорного датчика изолирована защитным кварцевым стеклом, на термоизоляторе измерительного кварцевого резонатора установлен поверхностный датчик температуры, а нижние и верхние электроды изолированы друг от друга с помощью печатной платы, при этом нижние электроды, образуя тепловой мост, подключены к интегрирующему радиатору, прикрепленному к регулятору температуры в виде термобатареи, которая установлена с возможностью охлаждения и нагревания, а в нижней части корпуса установлен микроконтроллерный модуль управления, при этом на нижней поверхности кристаллов измерительного и опорного кварцевых резонаторов нанесены платиновые датчики температуры с возможностью работы в режиме прямого измерения температуры и микронагрева, а в верхней части устройства установлен фотодатчик засветки чувствительной поверхности Солнцем. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений количества осажденного вещества на измерительном кварцевом резонаторе датчика. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик для исследования загрязнения поверхности, содержащий измерительный и опорный кварцевый резонаторы, соединенные общим тепловым мостом, прикрепленным к охлаждаемому интегрирующему радиатору с регулятором температуры, отличающийся тем, что измерительный и опорный кварцевый резонаторы, подключенные к генераторам кварцевых микровесов, установлены в верхней части корпуса датчика и имеют форму диска, оси которых расположены в одной плоскости параллельно друг другу, сами резонаторы закреплены между нижним и верхним электродами, причем на верхних электродах установлены термоизоляторы, чувствительная поверхность опорного датчика изолирована защитным кварцевым стеклом, на термоизоляторе измерительного кварцевого резонатора установлен поверхностный датчик температуры, а нижние и верхние электроды изолированы друг от друга с помощью печатной платы, при этом нижние электроды, образуя тепловой мост, подключены к интегрирующему радиатору, прикрепленному к регулятору температуры в виде термобатареи, которая установлена с возможностью охлаждения и нагревания, а в нижней части корпуса установлен микроконтроллерный модуль управления, при этом на нижней поверхности кристаллов измерительного и опорного кварцевых резонаторов нанесены платиновые датчики температуры с возможностью работы в режиме прямого измерения температуры и микронагрева, а в верхней части устройства установлен фотодатчик засветки чувствительной поверхности Солнцем.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что термобатарея выполнена в виде Пельтье модуля.