VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Современное развитие техники, в первую очередь ракетно-космической, авиацию, двигателестроение, изделия для атомной энергетики и т.п., во многом зависит от технического уровня информационно-измерительных и управляющих систем, качество и технико-экономические показатели которых определяются использованной в них датчико-преобразующей аппаратурой. Во многих случаях датчико-преобразующая аппаратура эксплуатируется при воздействии большого количества дестабилизирующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, температуры.

При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются датчики давления. Конструкция датчика давления состоит из первичного преобразователя, в состав которого входят чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, корпусные детали, устройство вывода и определяется диапазоном измеряемых давлений, а также способом преобразования перемещения или деформации чувствительного элемента в электрический сигнал. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования измеряемого давления в электрический сигнал.

В настоящее время разработано большое количество датчиков давления, которые отличаются по структуре построения и методу обработки сигналов с чувствительных элементов. Наибольшее распространение среди датчиков давления получили емкостные датчики давления с цифровым выходом, отличающиеся стабильностью метрологических характеристик и относительно малыми габаритами.

Известные емкостные датчики давления используют метод, где упругая металлическая мембрана керамического или кремниевого емкостного первичного преобразователя давления деформируется и вызывает изменение расстояния между обкладками, либо изменение площади перекрытия обкладок, а следовательно происходит изменение емкости конденсатора. Достоинствами чувствительного емкостного элемента являются простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум. К недостаткам можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Анализ динамики патентования, определяемой распределением основных (приоритетных) заявок по годам временного интервала, позволяет сделать вывод, что период с 1995 по 2015 годы характеризуется равномерной активностью изобретательства в области разработки емкостных датчиков давления. Анализ структуры взаимного патентования показал, что ведущее место в разработках емкостных датчиков давления занимает США, и наиболее активную защиту своих изобретений в зарубежных странах проводят также США. Страны США и Япония с одинаковой активностью патентуют у себя в стране и за рубежом. Великобритания и Франция являются наиболее перспективными для коммерческой реализации технических решений в данной области техники.

В России разработками по данной тематике занимаются конструкторские бюро аналитического приборостроения АН РФ, С-Петербургский ГТУ, Пензенский государственный университет, МГТУ им. Н. Баумана, Самарский государственный аэрокосмический университет, Ульяновский авиационный институт, ПГ "Метран" (г. Челябинск); АО «НИИФИ» (г. Пенза); ГК "ПРОМПРИБОР"; Всероссийский научно-производственный институт автоматики им. Н. Л. Духова, НПО «Измерительная техника» (г. Королев Московской обл.); Ульяновское конструкторское бюро приборостроения.

Принцип действия емкостных датчиков давления основывается на использовании функциональной зависимости электрической емкости конденсатора С от площади S его электродов, зазора d₀ или диэлектрической проницаемости ɛ₀ среды между электродами:

В практике измерения давления наибольшее значение и распространение получили емкостные преобразователи давления, использующие функциональную зависимость емкости от зазора между электродами C(d₀) при обеспечении одновременно минимально возможной зависимости С (ɛ) и С(S).

Влияние на функцию преобразования емкостного чувствительного элемента изменения диэлектрической проницаемости сухого воздуха в диапазоне температур от 0 до 100 °С характеризуется коэффициентом, равным примерно минус 1,310^-6 1/°С.

Влияние изменения давления в замембранной полости, если полость емкостного преобразователя негерметизированная, оценивается барометрическим коэффициентом диэлектрической проницаемости, равным примерно 1,0710^-4 1/Па в диапазоне от 510⁴ до 110⁵ Па.

Влияние изменения относительной влажности в диапазоне от 0 до 85 % оценивается коэффициентом, равным примерно 2,510^-6 1 /%. При вакуумировании замембранной полости емкостного преобразователя влиянием рассмотренных факторов можно пренебречь. Влияние изменения геометрических размеров емкостного преобразователя оценивается величиной TKJIP  910^-6 1/°С.

Погрешности, рассчитанные с учетом этих коэффициентов, будут относительно малы и не определяют в целом температурную погрешность реальных емкостных чувствительных элементов. Если считать погрешности, обусловленные этими факторами, систематическими и сложить их абсолютные значения, то получим значение суммарной погрешности, оцениваемой весьма малым температурным коэффициентом (0,3510^-5 1/°С), что соответствует температурной погрешности  0,035 % при T = 100 °С..

Наряду с решением основной задачи по повышению термоустойчивости емкостных датчиков давления усилия разработчиков за рубежом и у нас в стране направлены на решение задач повышения линейности и стабильности характеристики преобразования, дистанционности, защиты от агрессивной среды и перегрузки давлением, снижения габаритных размеров, массы и стоимости.

Для защиты емкостного чувствительного элемента датчика от воздействия агрессивной среды давление внутрь передается при помощи разделительных мембран, а опорные поверхности корпуса емкостных чувствительных элементов выполнены по профилю этих мембран. Внутренняя полость между мембранами заполняется жидким диэлектриком. Это решение используется с целью исключения выхода из строя преобразователя при избыточных импульсных давлениях, возникающих в измеряемых средах, поскольку разделительные мембраны, защищающие рабочую мембрану от агрессивных сред, изготавливаются очень тонкими с тем, чтобы их жесткость была много меньше жесткости рабочей мембраны (упругого чувствительного элемента). Неподвижные электроды емкостного чувствительного элемента профилированы под сферу.

Таблица 1 – Примеры конструктивных и системных решений емкостных чувствительных элементов преобразователя давления

№ рисунка	Конструкции	Схемы	Наименование ЕЧЭ
1			ЕЧЭ с плоской мембраной
2			ЕЧЭ с плоской мембраной, выполненной за одно целое с опорным кольцом
3			ЕЧЭ со сферической мембраной
4			ЕЧЭ со сферической цельноточеной мембраной
5			ЕЧЭ с разделительной мембраной
6			Дифференциальный ЕЧЭ с передачей перемещения от мембраны к электроду через шток
7			Дифференциальный ЕЧЭ с разделительными мембранами и плоскими электродами
8			Дифференциальный ЕЧЭ с разделительными мембранами и профильными электродами
9			ЕЧЭ с кварцевой мембраной
10			Высокочувствительный ЕЧЭ в интегральном исполнении
11			ЕЧЭ переменной опорной емкостью
12			ЕЧЭ с постоянной опорной емкостью (мембрана с жестким центром)
13			ЕЧЭ с постоянной опорной емкостью (мембрана с грибком)
14			ЕЧЭ с постоянной опорной емкостью (плоская мембрана)
Примечание: а) Цифрами на рисунках обозначены: 1 – мембрана – подвижный электрод; 2 – неподвижный электрод; 3 – разделительная (изолирующая мембрана. б) На рисунке 12-14 тонкопленочная изоляция электродов условно не показана.

Появление на российском рынке отечественных емкостных датчиков значительно повышает технический уровень и безопасность эксплуатации технологического оборудования, позволяет получить принципиально новый уровень управления и контроля за технологическими процессами в важнейших отраслях промышленности: газовой, нефтяной, химической, металлургической, на объектах тепловой и атомной энергетики и др.

В зависимости от того, какой параметр в датчике является информативным (связанным функционально с измеряемой величиной), с какой средой и в каких внешних условиях он должен работать, выбирают принципы его проектирования: принцип действия и конструктивное выполнение, материалы элементов конструкции, технологию изготовления и принципы преобразования выходного сигнала в форму, удобную для передачи и регистрации.

По конструктивному решению чувствительных элементов (конденсаторов) емкостные датчики подразделяют на плоскопараллельные, коаксиальные, стержневые, с обкладками, выполненными из сеток, и т. д. Несмотря на кажущиеся отличия, конструктивные решения можно свести в основном к двум типам: коаксиальному и плоскопараллельному.

Пренебрегая краевыми эффектами, емкость датчика с плоско­параллельными обкладками, работающего в диэлектрических средах, можно упрощенно записать в виде:

(1)

если информативными параметрами являются расстояние d между обкладками или диэлектрическая проницаемость  контролируемой среды, или

(2)

если информативным параметром является площадь перекрытия обкладок датчика контролируемой средой с диэлектрической проницаемостью _c.

В выражениях (2) и (3) ₀ — электрическая постоянная (8,87∙10^-12 Ф/м); _с – диэлектрическая проницаемость контролируемой среды; _r – диэлектрическая проницаемость газообразной среды; S – полная площадь перекрытия обкладок; S₁ – площадь перекрытия части обкладок, расположенных в газообразной среде; S₂ – площадь перекрытия обкладок, расположенных в исследуемой среде.

Соответствующие упрощенные выражения для аналогичных случаев коаксиального датчика имеют вид:

(3) (4)

где L– полная длина обкладок датчика; L₁ –длина части об­кладок датчика, расположенной в газообразной среде; L₂– длина части обкладок датчика, расположенной в исследуемой среде; r₁– радиус внутренней обкладки датчика.

В реальной ситуации выражения емкостей датчиков с учетом воздействия влияющих величин имеют более сложный вид, однако приведенные выражения позволяют оценить область применения преобразователей в зависимости от того, какой из параметров (d,S₂,L,) является информативным.

Датчики с переменными расстояниями (зазорами) dобычно применяют при измерениях, связанных с малыми перемещениями (менее 1 мм), например прогибами мембран датчиков давления; датчики с переменной площадью перекрытия обкладок контролируемой средой применяют в уровнемерах, а датчики с переменной диэлектрической проницаемостью – в измерителях несплошности.

Практика использования датчиков давления специального назначения в двигательных установках выдвигает перед разработчиками многообразные, зачастую противоречивые требования: точность, надежность, помехозащищенность, быстродействие, малые габаритные размеры, технологичность изготовления. Дальнейшее развитие датчиков давления диктует необходимость повышения их надежности, точности и одновременного уменьшения габаритных размеров. Это связано, в первую очередь, с широким использованием датчиков на подвижных объектах, где уменьшение габаритов и массы оборудования позволяет увеличить общий коэффициент полезного действия объекта и объем формируемой информации. Особенно важно это при работе датчиков в ограниченных пространствах: во внутренних полостях агрегатов, двигателей, гидроцилиндров, под обшивками летательных аппаратов, в переносных устройствах, где ограничения в габаритных размерах играют решающую роль при выборе датчика. Кроме того, снижение габаритно-весовых показателей ведет к уменьшению энергопотребления и материалоемкости, однако при этом должны сохраняться метрологические характеристики датчиков. Именно такие задачи на сегодняшний день стоят перед разработчиками современной датчиковой аппаратуры.

Список литературы

1. Фрайден. Дж. Современные датчики. Справочник. Перевод с английского Ю.А.Заболотной под редакцией Е.Л.Свинцова. –М., Техносфера. -2005.-588 с.

2. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. Учебное пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат. -1985 .440 с.

3. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. Справочник. Перевод с английского под редакцией В.В. Лучинина. –М., Техносфера, 2007. -380 с.

4. Мокров Е. А., Трофимов А. Н., Колганов В.Н., Баринов Н.И., Папко А.А. Особенности разработки и применения датчиков параметров движения в ракетно-космической технике и народном хозяйстве // Труды международного симпозиума "Надёжность и качество", 2001, Пенза, с. 209.

Код для цитирования: Скопировать