RU2603446C1 - Device for pressure and temperature measuring - Google Patents

Device for pressure and temperature measuring Download PDF

Info

Publication number
RU2603446C1
RU2603446C1 RU2015131609/28A RU2015131609A RU2603446C1 RU 2603446 C1 RU2603446 C1 RU 2603446C1 RU 2015131609/28 A RU2015131609/28 A RU 2015131609/28A RU 2015131609 A RU2015131609 A RU 2015131609A RU 2603446 C1 RU2603446 C1 RU 2603446C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
pressure
temperature
indicator
output
Prior art date
Application number
RU2015131609/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Акоп Айрапетович Казарян
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2015131609/28A priority Critical patent/RU2603446C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603446C1 publication Critical patent/RU2603446C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for simultaneous measurement of pressure, temperature and heat flow with compensation for temperature influence on pressure measurement results. Sensitive element (SE) for pressure measurement is selected "silicon-on-sapphire" consisting of artificial sapphire and titanium metal film. In addition to sapphire substrate lower plate is included, and upper plate is capacitor titanium film. On sapphire four armed strain-gauge bridge (TM) is formed. Capacitive SE is formed by arrangement of dielectric ring between capacitor lower and upper plates and is protected from external electromagnetic noise with shield. Temperature and heat flow SE is coaxially and symmetrically formed on upper and lower surfaces of other dielectric film. Sensor structure package consisting of two parts is assembled under vacuum, located inside housing and protected by mesh. For electric connections provision is made for terminal block with connectors and circuit board, on which high-resistance protective circuit and charge amplifier are mounted. Sensor cavity behind membrane maintains communication with atmosphere by pipe with covers, passing through sensor structure first part. On sensor structure second part at least 10 support through holes are made. Between sensor structure first and second parts air gap is formed. Communication with atmosphere between sensor structure first and second parts is accomplished by support pipes and holes. Sensor housing is connected to device common ground and sensor structure first part and filled with soft sealant.
EFFECT: technical result consists in possibility of simultaneous measuring in specified section of sound pressure (pulsations, explosive, impact, wind), sound pressure (total pressure), static pressure (absolute, excess, differential), temperature and heat flow.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения полного давления (давления звука), звукового давления, статического давления, температуры, теплового потока и т.д. в авиационной технике, машиностроении, кораблестроении, нефтяной и газовой промышленности.The invention relates to measuring technique and can be used to measure total pressure (sound pressure), sound pressure, static pressure, temperature, heat flux, etc. in aviation technology, mechanical engineering, shipbuilding, oil and gas industry.

Известен датчик давления, содержащий емкостной чувствительный элемент (ЕЧЭ) и тензометрический мост (ТМ). ЕЧЭ содержит основание из диэлектрической пленки и основной экран. На верхней поверхности основания укреплены электрические разъемы, металлизированная нижняя обкладка конденсатора. Полость датчика капиллярным отверстием диаметром d связана с атмосферой. Мембрана датчика (верхняя обкладка) цилиндрической формы сформирована в вакууме из дисперсионных прецизионных сплавов или из разных высококачественных сплавов и из полупроводника. Сопротивления r1, r2, r3, r4 электрически изолированы от поверхности датчика диэлектрической пленкой. Мембрану соединяют с основанием, боковым экраном тонкими проводами через капиллярное отверстие с одним из разъемов. Форма мембраны может быть плоской с перфорированными ячейками: мелкого пильчатого, синусоидального, тороидального профиля гофра. На эффективной поверхности мембраны в вакууме сформирован четырехплечный тензомост (ТМ) с диагоналями а, б; в, г и активными сопротивлениями плеч r1, r2, r3, r4. Для измерения давления с выхода ТМ использована аппаратура низкой частоты (АНЧ). Диагонали а, б ТМ соединены с источником питания. Выход ЕЧЭ датчика (через один из разъемов) через усилители заряда, напряжения (УН) соединен со входом блока вычитания и индикатора. Другие диагонали ТМ в и г через плечо АНЧ соединены с входом блока вычитания. Причем емкостной датчик поляризован отдельным источником питания.A known pressure sensor containing a capacitive sensitive element (ECE) and a strain gauge bridge (TM). ECE contains a base of a dielectric film and a main screen. On the upper surface of the base are electrical connectors, a metallized bottom plate of the capacitor. The sensor cavity is connected with the atmosphere by a capillary hole with a diameter d. The sensor membrane (upper plate) of a cylindrical shape is formed in vacuum from dispersion precision alloys or from various high-quality alloys and from a semiconductor. Resistance r 1 , r 2 , r 3 , r 4 are electrically isolated from the surface of the sensor by a dielectric film. The membrane is connected to the base, the side screen with thin wires through a capillary hole with one of the connectors. The shape of the membrane can be flat with perforated cells: a small serrated, sinusoidal, toroidal profile of the corrugation. On the effective surface of the membrane in vacuum, a four-arm tensor bridge (TM) with the diagonals a, b; c, d and active resistance of the shoulders r 1 , r 2 , r 3 , r 4 . To measure the pressure from the TM output, low-frequency equipment (ANF) was used. Diagonals a, b TM are connected to a power source. The output of the ECE sensor (through one of the connectors) through the charge, voltage (UN) amplifiers is connected to the input of the subtraction unit and indicator. The other diagonals TM in and g across the arm of the ANF are connected to the input of the subtraction block. Moreover, the capacitive sensor is polarized by a separate power source.

Такие чувствительные элементы (ЧЭ) датчика давления позволяют измерять давление звука, звуковое давление, статическое давление и т.д. на исследуемом объекте методом дренирования поверхности изделий [1 - патент РФ №2267757, G01L 9/12, G01L 9/08 «Датчик и способ измерения давления», авторы А.А. Казарян, А.А. Поваров].Such sensitive elements (SE) of the pressure sensor allow you to measure sound pressure, sound pressure, static pressure, etc. on the studied object by the method of draining the surface of the products [1 - RF patent No. 2267757, G01L 9/12, G01L 9/08 "Sensor and method of measuring pressure", authors A.A. Ghazaryan, A.A. Cooks].

Датчик имеет следующие недостатки: ЧЭ датчика давления не защищен от внешних воздействий. В частности, слабо защищен от влияния внешних электромагнитных помех. Отсутствие сведений о величине температуры, возможности оценки влияния температуры на результаты измерения.The sensor has the following disadvantages: The pressure sensor SE is not protected from external influences. In particular, it is poorly protected from external electromagnetic interference. Lack of information about the temperature, the ability to assess the effect of temperature on the measurement results.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является датчик для измерения давления. Датчик для измерения давления содержит: основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану плоской формы или с гофрированным, тороидальным профилем. При этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие. На поверхности мембраны сформирован ТМ, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки. Датчик снабжен аппаратурой низкой частоты (АНЧ), источником питания постоянного тока, усилителем заряда (УЗ) и напряжения (УН), блоком вычитания, индикатором. Одна из диагоналей ТМ соединена с источником питания, а вторая диагональ ТМ через АНЧ соединена с индикатором и с входом блока вычитания, который присоединен к индикатору. Емкостной выход датчика через разъем, УЗ и УН соединен с входом блока вычитания и индикатора. Тензометрические чувствительные элементы (ЧЭ) ТМ и емкостные элементы конденсатора выполнены на основе «кремний на сапфире». ЕЧЭ и ТМ защищены защитной сеткой, содержат клеммную колодку с разъемами, опорную трубку с крышкой, корпус, залитый мягким герметиком, по два резистора и конденсатора. Верхняя обкладка ЕЧЭ датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом УЗ. Оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке. Первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой ЕЧЭ датчика. Второй резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением. ЕЧЭ и ТМ соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одинаковым напряжением. Блок вычитания расположен внутри корпуса датчика.The closest technical solution to the proposed invention is a sensor for measuring pressure. The sensor for measuring pressure contains: a base made of a dielectric film, a main screen formed on its surface, a capacitor plate, a membrane of a flat shape or with a corrugated, toroidal profile. In this case, the internal cavity of the sensor is connected to the atmosphere through a capillary hole. A TM is formed on the membrane surface, electrically isolated from the membrane surface by a layer of a dielectric film. The sensor is equipped with low-frequency equipment (ANF), a DC power source, a charge amplifier (US) and voltage (UN), a subtraction unit, and an indicator. One of the TM diagonals is connected to a power source, and the second TM diagonal is connected through an ANF to the indicator and to the input of the subtraction unit, which is connected to the indicator. The capacitive output of the sensor through the connector, US and UN is connected to the input of the subtraction unit and indicator. Strain gauge sensitive elements (SE) TM and capacitive elements of the capacitor are made on the basis of "silicon on sapphire." ECHE and TM are protected by a protective grid, contain a terminal block with connectors, a support tube with a cover, a body filled with soft sealant, two resistors and a capacitor. The upper lining of the ECE sensor through the cable screen is connected to the positive pole of the ultrasound. Both resistors and the second capacitor are connected at one point. The first resistor is connected to the core cable, with the first capacitor and the bottom plate of the ECE sensor. The second resistor is connected to the positive pole of the polarization source. The negative pole of the polarization source is connected to an external shield and local ground. ECHE and TM are connected at the same output of the DC source and supply the pressure sensor with the same voltage. The subtraction unit is located inside the sensor housing.

Такие ЧЭ датчика давления позволяют измерять давление звука, звуковое давление, статическое давление и т.д. на исследуемом объекте методом дренирования изделий [2 - патент РФ №2384825, G01 L/12 «Датчики для измерения давления», авторы А.А. Казарян, В.В. Петроневич, Н.А. Езеев]. Датчик имеет следующие недостатки: ЧЭ датчика не обеспечивают преобразование давления в электрический сигнал вне зависимости от температуры. Отсутствуют сведения о влиянии температуры на датчик.Such SE pressure sensors allow you to measure sound pressure, sound pressure, static pressure, etc. at the test object by the method of drainage of products [2 - RF patent No. 2384825, G01 L / 12 "Sensors for measuring pressure", authors A.A. Ghazaryan, V.V. Petronevich, N.A. Ezeev]. The sensor has the following disadvantages: CE sensors do not provide the conversion of pressure into an electrical signal, regardless of temperature. There is no information on the effect of temperature on the sensor.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение надежности. Технический результат достигается за счет разработки компактной конструкции датчика на базе ТМ, ЕЧЭ и ЧЭТ. Тензометрический мост разработан на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире» и сформирован монолитно.The objective of the present invention is to expand the scope, increasing reliability. The technical result is achieved through the development of a compact sensor design based on TM, ECE and CHET. The strain gauge bridge is designed on the basis of a single crystal structure "silicon on sapphire" and is formed in a monolithic manner.

Технический результат достигается тем, что в датчик давления, содержащий основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану с краевым, например, тороидальным профилем плоской формы или с гофрированным профилем, собранные в пакет, разъемы, соединяющие обкладку, мембрану, основной экран, тензометрический мост с внешней цепью, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, на поверхности мембраны сформирован тензометрический мост, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки, тензометрический и емкостной чувствительные элементы датчика на основе «кремния на сапфире», защитная сетка, клеммная колодка с разъемами, опорная трубка с крышкой, корпус, залитый мягким герметиком, по два резистора и конденсатора, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем датчик снабжен аппаратурой низкой частоты, источником питания постоянного тока, усилителем заряда и напряжения, блоком вычитания, индикатором, причем емкостной чувствительный элемент и тензометрический мост соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одним напряжением, а блок вычитания расположен внутри корпуса датчика, дополнительно введены два чувствительных элемента температуры горячего спая, симметрично расположены между собой на верхней и нижней поверхности диэлектрической пленки, два чувствительных элемента температуры холодного спая, холодный спай термопары располагают вне корпуса устройства, обеспечивают температурой таяния льда, соединяют между собой и через переключатель подсоединяют к индикатору, металлическое кольцо, по два потенциометрических усилителя, блока памяти, один переключатель, три блока вычитания, причем в первом положении переключателя выход аппаратуры низкой частоты, усилителя напряжения через переключатель, блоки памяти, блоки вычитания подсоединены к входам индикатора, во втором положении переключателя выходы аппаратуры низкой частоты и усилителя напряжения через переключатель соединены с входами тремя блоками вычитания и их выходы подсоединены к входу индикатора, выходы двух чувствительных элементов температуры через потенциометрический усилители и блок вычитания соединены с индикатором, выход одного из потенциометрических усилителей подсоединен к индикатору, выход другого потенциометрического усилителя через блоки памяти подсоединен тоже к индикатору, причем усилитель заряда монтирован внутри корпуса датчика на нижней поверхности монтажной платы, корпус датчика подсоединен к общей шине в точке В устройства, на второй части конструкции датчика, состоящей из двух диэлектрических пленок и чувствительных элементов температуры, через них выполнены не менее десяти сквозных опорных отверстий, полость емкостного чувствительного элемента за мембраной связана с атмосферой через опорную трубку, проходящую сквозь первую часть конструкции датчика, состоящего из монтажной платы, воздушной прослойки, многоштырькового разъема, экрана на поверхности диэлектрической пленки и заливочного компаунда, причем воздушная прослойка образована между первой и второй частями конструкции датчика, а между первой и второй частями конструкции датчика расположено металлическое кольцо.The technical result is achieved in that in a pressure sensor containing a base of a dielectric film, a main screen formed on its surface, a capacitor lining, a membrane with an edge, for example, a toroidal profile of a flat shape or with a corrugated profile, assembled in a bag, connectors that connect the lining, a membrane, a main screen, a strain gauge bridge with an external circuit, while the internal cavity of the sensor is connected to the atmosphere through a capillary hole, a strain gauge bridge is formed on the surface of the membrane, electrically isolated from the surface of the membrane by a layer of dielectric film, strain gauge and capacitive sensitive elements of the sensor based on "silicon on sapphire", a protective grid, a terminal block with connectors, a support tube with a cover, a body filled with soft sealant, two resistors and a capacitor, the top one the lining of the capacitive sensor element through the cable screen is connected to the positive pole of the charge amplifier, both resistors and the second capacitor are connected at one point, the first resistor is connected with a residential cable, with the first capacitor and the lower lining of the capacitive sensor element of the sensor, the negative pole of the polarization source is connected to an external screen and local ground, and the sensor is equipped with low-frequency equipment, a DC power supply, a charge and voltage amplifier, a subtraction unit, an indicator, and the capacitive sensor element and the strain gauge bridge are connected at one output of the direct current source and supply the pressure sensor with one voltage, and the subtraction unit is located inside three sensor housings, two hot junction temperature sensing elements are additionally introduced, symmetrically located between each other on the upper and lower surfaces of the dielectric film, two cold junction temperature sensing elements, cold junction thermocouples are located outside the device housing, provide the ice melting temperature, are interconnected and through the switch is connected to the indicator, a metal ring, two potentiometric amplifiers, memory blocks, one switch, three subtraction blocks, and m in the first position of the switch, the output of the low-frequency equipment, the voltage amplifier through the switch, memory blocks, subtraction units are connected to the indicator inputs, in the second position of the switch, the outputs of the low-frequency equipment and the voltage amplifier through the switch are connected to the inputs of three subtraction units and their outputs are connected to the input indicator, the outputs of two temperature sensors through potentiometric amplifiers and a subtraction unit are connected to the indicator, the output of one of the potentiometric of amplifiers is connected to the indicator, the output of another potentiometric amplifier is also connected to the indicator through memory blocks, with the charge amplifier mounted inside the sensor housing on the bottom surface of the circuit board, the sensor housing connected to a common bus at point B of the device, on the second part of the sensor construction, consisting of two dielectric films and temperature sensitive elements, at least ten through support holes are made through them, the cavity of the capacitive sensitive element behind the membrane is connected and with the atmosphere through a support tube passing through the first part of the sensor structure, consisting of a mounting plate, an air gap, a multi-pin connector, a screen on the surface of the dielectric film and a casting compound, the air gap being formed between the first and second parts of the sensor structure, and between the first and the second part of the sensor design is a metal ring.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика давления в сборе и на фиг. 2 блок-схема устройства измерения давления и температуры.In FIG. 1 shows the construction of the pressure sensor assembly and FIG. 2 is a block diagram of a pressure and temperature measuring device.

На фиг. 1 первая часть конструкции устройства содержит диэлектрическую пленку 1, на нижней поверхности содержит залитый герметик 2, на верхней - экран 3, колодку 4, монтажную плату 5, на нижней поверхности собрана электрическая схема усилителя заряда 6, а на верхней - защитная схема 6′, состоящая из резисторов R1, R2 и конденсаторов C1, С2 (фиг. 2), и металлическое кольцо 7. Вторая часть содержит основание из диэлектрической пленки 8, на верхней и нижней поверхностях соответственно сформированы ЧЭТ 9, 10 (чувствительные элементы температуры-термопары горячего спая), ЧЭТ холодного спая 9′, 10′ (которые не расположены внутри корпуса устройства), диэлектрическая пленка 11, на верхней поверхности сформирована нижняя обкладка конденсатора 12, между нижней 12 и верхней 13 обкладками расположены кольца 14, представляет собой ЕЧЭ 15; на верхней обкладке 13, т.е. на поверхности мембраны, расположена изоляционная пленка 16 из любого диэлектрика, в частности из искусственного сапфира. На поверхности диэлектрической пленки 16 расположен ТМ 17 (фиг. 1 сеч. А-А). Сквозь пленки 8-12 сформированы более 10 опорных отверстий 18. Опорные отверстия с атмосферой связаны опорной трубкой 19 с внутренним диаметром d=0,1-0,35 мм (фиг. 1 сеч. А-А, Б-Б). На конец опорной трубки 19 надевают крышку 20. Все узлы от 1 до 19 позиции, собранные в пакет, располагают внутри корпуса 21 за исключением ЧЭТ холодного спая. Корпус 21 оснащен снаружи шестигранным выступом 22 для крепления датчика на исследуемом объекте (ИО). На нижней поверхности металлического кольца датчика находится снизу первая часть конструкции датчика, а на верхней поверхности находится вторая часть конструкции датчика. ТМ 17 от внешнего воздействия защищен сеткой 23. Опорная трубка 19 проходит сквозь пленки 1-5 первой части конструкции датчика. Между пленками 5 и 8, т.е. между первой и второй частями конструкции датчика, образуется воздушная прослойка 24. Полость 25 за мембраной 13 ЕЧЭ 15 связана многочисленными опорными отверстиями 18 (фиг. 1 сеч. А-А, Б-Б). Для надежного съема сигнала с выходов ТМ 17 и ЕЧЭ 15 предусмотрена специальная колодка 4, колодка оснащена разъемами или гермовыводами. Образующий жгут 26 (связка из проводов), в том числе общая шина, соединен с корпусом датчика 21 в точке В, выходит наружу для соединения с внешней цепью. УЗ 6, защитные цепи 6′расположены внутри корпуса датчика 21. Такое конструктивное решение повышает надежность датчика за счет сокращения расстояния между ЕЧЭ 15 и высокоомным входом УЗ 6, защищает от воздействия внешних электромагнитных помех.In FIG. 1, the first part of the device’s construction contains a dielectric film 1, on the bottom surface it contains filled sealant 2, on the top there is a screen 3, block 4, a mounting plate 5, on the bottom surface there is an electric circuit of the charge amplifier 6, and on the top there is a protective circuit 6 ′, consisting of resistors R 1 , R 2 and capacitors C 1 , C 2 (Fig. 2), and a metal ring 7. The second part contains a base of a dielectric film 8, on the upper and lower surfaces respectively CHET 9, 10 (temperature sensitive elements hot thermocouples about junction), BET of cold junction 9 ′, 10 ′ (which are not located inside the device case), dielectric film 11, the lower lining of the capacitor 12 is formed on the upper surface, rings 14 are located between the lower 12 and the upper 13 lining, represents the ECHE 15; on the top cover 13, i.e. on the surface of the membrane, an insulating film 16 of any dielectric, in particular of artificial sapphire, is located. On the surface of the dielectric film 16 is TM 17 (Fig. 1 section. A-A). More than 10 support holes 18 are formed through films 8-12. The support holes with the atmosphere are connected by a support tube 19 with an inner diameter d = 0.1-0.35 mm (Fig. 1, section A-A, B-B). A cover 20 is put on the end of the support tube 19. All nodes from 1 to 19 positions, assembled in a package, are placed inside the housing 21 with the exception of the CHET cold junction. The housing 21 is equipped externally with a hexagonal protrusion 22 for mounting the sensor on the test object (IO). On the lower surface of the metal ring of the sensor is located below the first part of the sensor structure, and on the upper surface is the second part of the sensor structure. TM 17 from external influences is protected by a mesh 23. The support tube 19 passes through the film 1-5 of the first part of the sensor structure. Between films 5 and 8, i.e. between the first and second parts of the sensor design, an air gap is formed 24. The cavity 25 behind the membrane 13 of the ECE 15 is connected by numerous support holes 18 (Fig. 1, section A-A, BB). For reliable signal pick-up from the outputs of TM 17 and ECHE 15, a special block 4 is provided, the block is equipped with connectors or pressure outputs. The forming harness 26 (bundle of wires), including a common bus, is connected to the housing of the sensor 21 at point B, goes outside for connection with an external circuit. UZ 6, protective circuits 6 ′ are located inside the sensor housing 21. This design solution increases the reliability of the sensor by reducing the distance between the ECE 15 and the high-impedance input of UZ 6, protects against external electromagnetic interference.

Симметричное расположение опорных отверстий 18 (фиг. 1 сеч. Б-Б) за мембраной внутренней полости 25 ЕЧЭ 15 (фиг. 1 сеч. А-А) обеспечивает равномерный прогиб мембраны. Выравнивание статического давления за мембраной необходимо для достижения возможно точного определения нижнего диапазона рабочей частоты. Наличие воздушного слоя в зависимости от условия работы мембраны позволяет внести в режим работы мембраны добавочное затухание или добавочную упругость. Наличие опорных отверстий при изменении звуковой частоты в широком диапазоне, влияние инерции воздуха, влияние внутреннего трения мембраны и т.д. одинаково и незначительно изменяют акустическое сопротивление ЕЧЭ. Известно, что чувствительность ЕЧЭ с малой воздушной полостью 25 между верхней 13 и нижней 12 обкладками (фиг. 1 сеч. А-А) не зависит от толщины кольца 14, если внешняя шунтирующая емкость пренебрежимо мала по сравнению с емкостью ЕЧЭ. Это приводит к аннулированию эффекта возрастания жесткости воздушной подушки, когда зазор уменьшается и наоборот. Опорные отверстия за мембраной улучшают чувствительность ЕЧЭ в двадцать раз [3 - патент РФ №2334964 G01L 9/12. 2008].The symmetrical arrangement of the support holes 18 (Fig. 1 sec. BB) behind the membrane of the internal cavity 25 ECE 15 (Fig. 1 sec. A-A) provides uniform deflection of the membrane. Equalization of the static pressure behind the membrane is necessary to achieve the most accurate determination of the lower range of the operating frequency. The presence of an air layer, depending on the operating conditions of the membrane, allows introducing additional attenuation or additional elasticity into the membrane operating mode. The presence of support holes when changing sound frequency in a wide range, the influence of inertia of air, the influence of internal friction of the membrane, etc. equally and slightly change the acoustic impedance of the ECE. It is known that the sensitivity of an ECE with a small air cavity 25 between the upper 13 and lower 12 plates (Fig. 1, section A-A) does not depend on the thickness of the ring 14 if the external shunt capacitance is negligible compared to the capacity of the ECE. This leads to the cancellation of the effect of increasing the stiffness of the air cushion when the gap decreases and vice versa. The support holes behind the membrane improve the sensitivity of the ECE by a factor of twenty [3 - RF patent No. 2334964 G01L 9/12. 2008].

Блок-схема измерения давления и температуры фиг. 2 содержит ТМ 17 с диагоналями а, б (первое плечо), в, г (второе плечо) с активными сопротивлениями r1, r2, r3, r4. Использована аппаратура низкой частоты 27 (АНЧ). Диагонали а, б ТМ соединены с источником питания (ИП) 28, который поляризует ЕЧЭ, состоящий из нижней обкладки 13, размещенный в конструкции датчика давления ЕЧЭ 15. Выход ЕЧЭ датчика через конденсатор С 2, УЗ 6, УН 29, первое положении переключателя 30, блоки вычитания 32, 33 соединены с входами индикатора 34. Другие диагонали ТМ в, г через АНЧ 27, первое положение переключателя 30, блоки памяти 35, 31, блоки вычитания 36, 33 подсоединены к входу индикатора 34. Во втором положении блока 30 выходы АНЧ 27, УН 29 через переключатель 30, блоки вычитания 36, 32 соответственно подсоединены к индикатору. При этом выходы АНЧ и УН через блок 30 подсоединены к входу индикатора. Выходы блоков вычитания 36, 32 через блок вычитания 33 подсоединены к входу индикатора. Другие выходы блока 36, 32 тоже подсоединены к входу индикатора. При этом ЧЭТ 9, 10 одновременно через потенциометрические усилители (ПУ) 37, 38 и через блок вычитания 39 подсоединены к входам индикатора 34. Другие два выхода ПУ 38 соединены с блоками памяти 31, 35. Вход переключателя 30 тоже подсоединен к индикатору. Вторая диагональ ТМ в точке б подсоединена к общей шине (проводу) в точке В.The pressure and temperature measurement block diagram of FIG. 2 contains TM 17 with diagonals a, b (first shoulder), c, d (second shoulder) with active resistances r 1 , r 2 , r 3 , r 4 . Used equipment low frequency 27 (ANCH). Diagonals a, b TM are connected to a power source (IP) 28, which polarizes an ECH, consisting of a bottom plate 13, located in the design of an ECHE pressure sensor 15. The output of an ECH sensor through a capacitor C 2, UZ 6, UN 29, the first switch position 30 , the subtraction blocks 32, 33 are connected to the inputs of the indicator 34. Other diagonals TM v, d through the ANF 27, the first position of the switch 30, the memory blocks 35, 31, the subtraction blocks 36, 33 are connected to the input of the indicator 34. In the second position of the block 30, the outputs ANCH 27, UN 29 through switch 30, subtraction blocks 36, 32, respectively Connect the indicator to. In this case, the outputs of the ANCH and UN through the block 30 are connected to the input of the indicator. The outputs of the subtraction blocks 36, 32 through the subtraction block 33 are connected to the input of the indicator. Other outputs of block 36, 32 are also connected to the indicator input. At the same time, CHET 9, 10 are simultaneously connected via potentiometric amplifiers (PU) 37, 38 and through subtraction block 39 to the inputs of indicator 34. The other two outputs of PU 38 are connected to memory blocks 31, 35. The input of switch 30 is also connected to the indicator. The second TM diagonal at point b is connected to a common bus (wire) at point B.

Поляризацию ЕЧЭ и питание УЗ 6 и УН 29 осуществляют ИП 28.The polarization of the ECE and the power supply of UZ 6 and UN 29 are performed by IP 28.

Входом датчика являются слои металлической 13, диэлектрической пленок 16 и ТМ 17, на которые подают давление. Выбранные провода 26 марки АВКТ-6 используют в условиях эксплуатации с повышенной радиацией, вибрацией, температурой. Нижняя обкладка 12 ЕЧЭ через жилу кабеля и первый конденсатор С2 соединена с отрицательным полюсом УЗ. Экран 3 (фиг. 2) соединен с экраном антивибрационного кабеля и в точке В местного заземления. Положительный полюс УЗ 6 является общей шиной устройства. Экран 3, отрицательный полюс источника поляризации 28, верхняя обкладка 13 через экран кабеля соединены с общей шиной устройства в точке В (положительный полюс). Второй конденсатор С1, резисторы R1 и R2 между собой соединены последовательно, и свободный конец R1 соединен с первым конденсатором С2. Другой конец резистора R2 соединен с положительным полюсом источника поляризации 28. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с положительным полюсом УЗ 6. Промежуточные спаи обкладок А, В и А′, В′ образуются в местах соединение ЧЭТ 9, 10 и 9′, 10′ с подводящими проводами С, Д и С′, Д′ фиг. 2. ЧЭТ 9′, 10′ через электронный переключатель 30′ подсоединяют проводами С, Д к индикатору. Соединение ЧЭТ 9, 10 и 9′, 10′ осуществляют между собой через переключатель 30′ или раздельно под командой индикатора. Низкую температуру (холодного) спая ЧЭТ 9′, 10′ обеспечивают, помещая его в среду таящего льда или, чем-то другим. ЧЭТ 9, 10 и 9′, 10′ состоят из двух различных проводящих обкладок А, В и А′, B′, например из меди и никеля, и это место подвергается нагреву или охлаждению. Подводящие провода С, Д связывают блоки 37, 38 с холодными спаями А′ и B′ проводами С′, Д′ и термопары 9′, 10′ соединяют с индикатором.The input of the sensor are layers of metal 13, dielectric films 16 and TM 17, which are supplied with pressure. Selected wires 26 of the AVKT-6 brand are used in operating conditions with increased radiation, vibration, and temperature. The bottom plate 12 ECE through the core of the cable and the first capacitor C2 is connected to the negative pole of the ultrasound. Screen 3 (Fig. 2) is connected to the screen of the anti-vibration cable and at point B of the local ground. The positive pole of the UZ 6 is the common bus device. Screen 3, the negative pole of the polarization source 28, the upper plate 13 through the screen of the cable are connected to the common bus of the device at point B (positive pole). The second capacitor C1, the resistors R1 and R2 are interconnected in series, and the free end R1 is connected to the first capacitor C2. The other end of the resistor R2 is connected to the positive pole of the polarization source 28. The negative pole of the polarization source is connected to the positive pole of the ultrasound 6. Intermediate junctions of the plates A, B and A ′, B ′ are formed at the places where the BET 9, 10 and 9 ′, 10 ′ are connected lead wires C, D and C ′, D ′ of FIG. 2. CHET 9 ′, 10 ′ through the electronic switch 30 ′ is connected by wires C, D to the indicator. The connection of CHET 9, 10 and 9 ′, 10 ′ is carried out among themselves through the switch 30 ′ or separately under the indicator command. The low temperature of the (cold) junction CHET 9 ′, 10 ′ is ensured by placing it in the environment of melting ice or something else. CHET 9, 10 and 9 ′, 10 ′ consist of two different conductive plates A, B and A ′, B ′, for example, copper and nickel, and this place is subjected to heating or cooling. The lead wires C, D connect the blocks 37, 38 to the cold junctions A ′ and B ′ with the wires C ′, D ′ and thermocouples 9 ′, 10 ′ are connected to the indicator.

Основные требования, которые предъявляются к запоминающему устройству в индикаторе: способность длительного хранения информации с возможностью непрерывного и неразрушающего считывания; способность быстрой записи новой информации по сигналам индикатора. Формы подачи информации в виде длительных импульсов, подлежащих долгому хранению. Блоки вычитания, содержащие несколько входных и выходных резисторов, обеспечивают вычитание напряжений, подключенных к ним. На выходе сопротивления подключен операционный усилитель (ОУ), а на входе ОУ поддерживается напряжение, близкое нулю. ОУ обеспечивает усиление как постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности, так и переменного напряжения. Потенциометрические усилители представляют собой усилители постоянного тока. В них при повышении потенциала эмиттера следующего каскада достигается пропуском через его эмиттерное сопротивление в виде полупроводникового стабилитрона. К числу основных требований система управления индикатора, которая обеспечивает переключение внешних блоков (УН, АНЧ, ПУ, блоки вычитания и т.д.) с блоками индикатора, задает время решения, синхронизирует работу отдельных блоков, осуществляет выбор и подключение измерительных блоков в устройстве. Индикатор также обеспечивает ввод и вывод информации, состоящей из системы коммутации, предназначенной для соединения отдельных внутренних блоков между собой в соответствии с заданной программой (обычно в виде коммутационного или наборного поля); средств для установки коэффициентов передачи начальных значений переменных; системы вывода результатов и их регистрации и т.д.The main requirements that apply to the storage device in the indicator are: the ability to store information for a long time with the possibility of continuous and non-destructive reading; ability to quickly record new information on indicator signals. Forms of information in the form of long pulses subject to long storage. Subtraction blocks containing several input and output resistors provide the subtraction of voltages connected to them. An operational amplifier (OA) is connected at the output of the resistance, and a voltage close to zero is maintained at the OA input. The op-amp provides amplification of both direct voltage of positive and negative polarity, and alternating voltage. Potentiometric amplifiers are direct current amplifiers. In them, when the emitter potential is increased, the next stage is achieved by passing through its emitter resistance in the form of a semiconductor zener diode. Among the main requirements is the indicator control system, which provides switching of external units (UN, ANCH, PU, subtraction blocks, etc.) with indicator blocks, sets the solution time, synchronizes the operation of individual blocks, selects and connects measuring units in the device. The indicator also provides input and output of information consisting of a switching system designed to connect individual indoor units to each other in accordance with a given program (usually in the form of a switching or typesetting field); means for setting the transmission coefficients of the initial values of the variables; systems for outputting and recording results, etc.

Датчик с ЕЧЭ имеет высокое выходное сопротивление и при поляризации, в частности, напряжением постоянного тока на выходе имеет электрический сигнал мощностью ~10-13-10-15 Вт. Такой сигнал по кабелю через согласующую цепь, т.е. УЗ можно передавать на большие расстояния (50 м и больше). Одним из возможных вариантов согласующих цепей является УЗ. УЗ обеспечивает высокое входное сопротивление с закрытым входом. Усилитель, расположенный рядом с ЕЧЭ в корпусе датчика 21, не чувствителен к наводкам и помехам, вызываемым колебанием кабеля. УЗ разработан на базе операционного усилителя с глубокой отрицательной обратной связью («Устройство для измерения звукового давления», патент РФ №2281470, 2006 г., бюл. №22, авторы А.А. Казарян, Л.М. Москалик).The ECE sensor has a high output impedance and, when polarized, in particular, with a DC voltage at the output, has an electric signal with a power of ~ 10 -13 -10 -15 W. Such a signal is cabled through a matching circuit, i.e. Ultrasound can be transmitted over long distances (50 m or more). One of the possible options for matching circuits is ultrasound. UZ provides a high input impedance with a closed input. The amplifier located next to the ECH in the sensor housing 21 is not sensitive to interference and interference caused by cable oscillation. The ultrasound was developed on the basis of an operational amplifier with deep negative feedback (“Device for measuring sound pressure”, RF patent No. 2281470, 2006, bull. No. 22, authors A. A. Kazaryan, L. M. Moskalik).

Чтобы на выходе ТМ получить электрический сигнал, пропорциональный сопротивлению, изменяющемуся под воздействием давления, к ним, т.е. к этим сопротивлениям r1, r2, r3, r4, должно быть подано электрическое напряжение Uп из ИП 28. В принципе ТМ можно питать как постоянным, так и переменным напряжением. ТМ, питающийся напряжением постоянного тока и выполненный с помощью металлических или полупроводниковых тензорезисторов, не требует фазовой балансировки. Если ТМ не сбалансирован на выходе ТМ (где подключена АНЧ 27 в диагоналях в, г), то мост не находится в состоянии равновесия, возникает напряжение на выходе АНЧ Uвых. Между напряжениями выходным и питания существует известная зависимость:

Figure 00000001
. При воздействии давления сопротивление ТМ можно представить состоящим из переменной и постоянной составляющих:
Figure 00000002
, где
Figure 00000003
, а r0 - начальное сопротивление ТМ. Если все сопротивления моста равны, ТМ при Δr=0 уравновешен. В принципе ТМ можно выполнять с двумя активными, одинаково изменяющимися сопротивлениями, т.е. имеем полумост. Полумост характерен тем, что r1=-r2, r3=-r4, как Δl=Δl1=-Δl2, Δl3=-Δl4=0. При этом напряжение Uп и Uвых взаимно связано как:
Figure 00000004
. Полный ТМ с четырьмя активными, одинаково изменяющимися сопротивлениями характеризуется тем, что r1=r3=-r2=-r4, при этом имеем удлинение и укорочение сопротивлений, т.е. Δl1=Δl3=(растяжение)=-Δl2=-Δl4 (сжатие).In order to obtain an electrical signal at the TM output, proportional to the resistance changing under the influence of pressure, to them, i.e. To these resistances r 1 , r 2 , r 3 , r 4, an electrical voltage U p from IP 28 should be supplied. In principle, a TM can be powered with either constant or alternating voltage. A TM powered by DC voltage and made using metal or semiconductor strain gages does not require phase balancing. If TM is not balanced output TM (wherein ANCh 27 connected in the diagonals, and d) the bridge is not in an equilibrium state, a voltage at the output U O ANCh. Between the output voltage and power there is a known relationship:
Figure 00000001
. When exposed to pressure, the resistance of the TM can be represented as consisting of a variable and a constant component:
Figure 00000002
where
Figure 00000003
, and r 0 is the initial resistance of the TM. If all the bridge resistances are equal, the TM at Δr = 0 is balanced. In principle, TM can be performed with two active, equally changing resistances, i.e. we have a half bridge. The half-bridge is characteristic in that r 1 = -r 2 , r 3 = -r 4 , as Δl = Δl 1 = -Δl 2 , Δl 3 = -Δl 4 = 0. The voltage U n and U O mutually related as:
Figure 00000004
. A complete TM with four active, equally changing resistances is characterized by the fact that r 1 = r 3 = -r 2 = -r 4, while we have an elongation and shortening of the resistances, i.e. Δl 1 = Δl 3 = (tension) = - Δl 2 = -Δl 4 (compression).

Напряжение на диагоналях (выходе) моста в, г растет как:The voltage on the diagonals (output) of the bridge in, r increases as:

Figure 00000005
Figure 00000005

Связь выходного напряжения с ТМ получается более очевидной, когда эта зависимость линейна, и давление Р, действующее на ТМ, равно нулю. Кроме того, изменения каждого из сопротивлений моста имеют определенную направленность, чтобы не было взаимной компенсации выходного сигнала ТМ. На фиг. 2 ТМ включен так, что сопротивления r1, r2, r3, r4 вызывают положительное приращение выходного напряжения, имеет вид

Figure 00000006
, откуда из начальных условий следует, что ε1=-ε23=-ε4=ε, при этом имеем
Figure 00000007
.The relationship between the output voltage and the TM is more obvious when this dependence is linear, and the pressure P acting on the TM is zero. In addition, changes in each of the bridge resistances have a certain orientation so that there is no mutual compensation of the TM output signal. In FIG. 2 TM included so that the resistance r 1 , r 2 , r 3 , r 4 cause a positive increment of the output voltage, has the form
Figure 00000006
, whence it follows from the initial conditions that ε 1 = -ε 2 = ε 3 = -ε 4 = ε, and we have
Figure 00000007
.

Согласно последнему выражению можно записать, что выходное напряжение полумоста находится в соотношении

Figure 00000008
, а для четверти моста
Figure 00000009
. Величина коэффициента k=100-150, с его помощью можно регулировать нелинейность ТМ.According to the last expression, we can write that the output voltage of the half-bridge is in the ratio
Figure 00000008
, and for a quarter of the bridge
Figure 00000009
. The coefficient k = 100-150, with its help it is possible to adjust the nonlinearity of the TM.

Предлагаемые датчики базируются на основе известного высоконадежного полупроводникового датчика «Сапфир 22», в первую очередь благодаря непосредственному преобразованию деформации мембраны и ТМ в электрический выходной сигналы с выходов ЕЧЭ и ТМ на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире». Гибридная микроэлектроника и компактная цельносварная конструкция ТМ датчиков обеспечивают высокую надежность и стабильность метрологических характеристик в различных условиях эксплуатации.The proposed sensors are based on the well-known highly reliable Sapphire 22 semiconductor sensor, primarily due to the direct conversion of the membrane and TM deformation into electrical output signals from the outputs of the ECHE and TM based on the silicon-on-sapphire single crystal structure. Hybrid microelectronics and compact all-welded design of TM sensors provide high reliability and stability of metrological characteristics in various operating conditions.

Для создания и развития новых энергосберегающих, экологически чистых "нано" технологий производственных процессов, проведения исследований, научных экспериментов в авиационно-космической технике, машиностроении, энергетике, нефтехимической промышленности и для повышения точности измерения и снижения себестоимости проводимых работ крайне необходим предложенный датчик.To create and develop new energy-saving, environmentally friendly "nano" technologies of production processes, research, scientific experiments in aerospace engineering, mechanical engineering, energy, petrochemical industry and to increase the accuracy of measurement and reduce the cost of the work, the proposed sensor is extremely necessary.

Решению этих проблем в значительной мере способствовали работы по модернизации комплекса тензорезистивных датчиков «Сапфир-22», проведенные специалистами НИИ теплоприбор и МПО «Манометр» [Датчики давления. "Приборы и системы управления" №11, 1990, ст. 27-30, авт. Г.Г. Иордан, А.Я. Юровский и др.]The solution to these problems was greatly facilitated by the work on the modernization of the Sapphire-22 strain gauge sensor complex carried out by specialists of the Research Institute of Thermal Appliance and MPO Manometer [Pressure Sensors. "Devices and control systems" No. 11, 1990, art. 27-30, ed. G.G. Jordan, A.Ya. Yurovsky and others.]

В конструкции датчика давления в качестве ТМ и ЕЧЭ используют модернизированный многослойный «сандвич» на базе «кремния на сапфире». Это позволяет охватить очень широкую область измеряемых давлений. Верхние пределы измерений различных модернизированных моделей находятся в интервале давлений от ±0,03 кПа до 1000 МПа. Использован тензорезистивный эффект в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической подложки на искусственном сапфире.In the design of the pressure sensor, a modernized multilayer sandwich based on "silicon on sapphire" is used as a TM and ECE. This allows you to cover a very wide range of measured pressures. The upper limits of measurements of various modernized models are in the pressure range from ± 0.03 kPa to 1000 MPa. The tensoresistive effect is used in a heteroepitaxial silicon film grown on the surface of a single crystal substrate on artificial sapphire.

Для надежного соединения тонкостенного ТМ (0,15-0,2 мм) с выводами, разъемами применена высокотемпературная пайка в вакууме. Большая механическая прочность монокристаллической сапфировой подложки и хорошие упругие свойства, например, титановой мембраны позволяют обеспечить высокий уровень рабочих деформаций ТМ, дают возможность изменить выходной сигнал на выходе ТМ 300-400 мВ пропорционально изменению входной величины при питании ТМ стабилизированным постоянным напряжением. ТМ «кремний на сапфире» также оснащен узлом компенсации дополнительных погрешностей, возникающих, например, при изменениях температуры и/или статического давления контролируемой среды, температуры окружающей среды, напряжения питания, влажности. Компенсационный узел входит в состав сопротивлений r1, r2, r3, r4 в ТМ и находится на поверхности диэлектрической пленки из сапфира. Для измерения сверхвысоких давлений (160-1000 МПа) мембрану ЕЧЭ выполняют (изготавливают) с гофрированным профилем с ячейками мелкого пильчатого профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками глубокого пильчатого профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками трапецеидального профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками синусоидального профиля гофра.For reliable connection of thin-walled ТМ (0.15-0.2 mm) with leads, connectors, high-temperature soldering in vacuum is applied. The high mechanical strength of the single-crystal sapphire substrate and the good elastic properties of, for example, a titanium membrane make it possible to ensure a high level of TM working strains, make it possible to change the output signal at the TM output 300-400 mV in proportion to the change in the input value when the TM is supplied with a stabilized constant voltage. ТМ “silicon on sapphire” is also equipped with a unit for compensation of additional errors that occur, for example, when changes in temperature and / or static pressure of a controlled environment, ambient temperature, supply voltage, humidity. The compensation unit is part of the resistances r 1 , r 2 , r 3 , r 4 in the TM and is located on the surface of the sapphire dielectric film. To measure ultrahigh pressures (160-1000 MPa), the ECE membrane is made (manufactured) with a corrugated profile with cells of a small serrated profile of a corrugation, with a corrugated profile with cells of a deep serrated profile of a corrugation, with a corrugated profile with cells of a trapezoidal profile of a corrugation, with a corrugated profile with cells sinusoidal profile of the corrugation.

Достоинствами монокристаллического сапфира является то, что в нем отсутствует гистерезис и усталостные явления, присущие металлу, а также тепловые деформации, возникающие из-за разницы температурных коэффициентов расширения сапфира и металла (титана) при соединении ТМ с металлическим корпусом датчика и приводящие к дополнительным температурным погрешностям.The advantages of single-crystal sapphire are that it does not have hysteresis and fatigue phenomena inherent in the metal, as well as thermal deformations arising due to the difference in temperature expansion coefficients of sapphire and metal (titanium) when the TM is connected to the metal case of the sensor and leading to additional temperature errors .

Для изготовления сапфировой мембраны для разных пределов измерения давления, известны разработанные методы плазмохимического травления сапфира, которые могут осуществляться при температурах, не превышающих 700°С. Травление сапфира происходит в результате его взаимодействия со свободными радикалами атомарного фтора. Скорость травления сапфира значительно зависит от температуры и связана с равномерностью травления мембраны ЕЧЭ больших размеров. На поверхности мембраны ЕЧЭ сопротивления r1, r2, r3, r4 ТМ расположены с края на поверхности диэлектрической пленки из сапфира, что позволит ТМ работать в условиях чисто упругой деформации. Это обеспечивает повышение линейной зависимости Uвых выходного напряжения ТМ от действия давления. В ТМ тензорезисторы r1-r4 могут быть из кремния проводимостью р-типа с кристаллографической ориентацией (001).For the manufacture of a sapphire membrane for different ranges of pressure measurement, the developed methods of plasma-chemical etching of sapphire are known, which can be carried out at temperatures not exceeding 700 ° C. Sapphire etching occurs as a result of its interaction with the free radicals of atomic fluorine. The etching rate of sapphire is significantly dependent on temperature and is associated with the uniformity of etching of the ECE membrane of large sizes. On the surface of the ECE membrane, the resistances r 1 , r 2 , r 3 , r 4 of the TM are located from the edge on the surface of the sapphire dielectric film, which will allow the TM to work under conditions of purely elastic deformation. This provides an increase in the linear dependence of the Uoutput TM output voltage on the action of pressure. In TM, r 1 -r 4 strain gages can be made of silicon with p-type conductivity with crystallographic orientation (001).

Металлические узлы датчика давления, опорная трубка 19 с крышкой 20, корпус 21 с шестигранным выступом 22, защитная сетка 23 изготавливаются из различных коррозийно-стойких материалов. Например, корпус и защитная сетка из сплава 29НК (Ковар) или из стали 12Х18Н10Т. Габаритные размеры датчика: длина L=25-35 мм, диаметр D=11-12 мм. Опорная трубка 1×0,25; из стали 12Х18Н10Т трубка стандартная. Разъем изготавливают из диэлектрика в зависимости от условия измерения давления в диапазоне температуры от -50 до +80°С, например из стержня эбонита Б-10, стержни разъемов изготавливают из проволоки МТ-0,4. Мягкий заливочный компаунд 14 низковязкий эластичный для упрочнения, герметизации и изоляции электрических цепей марки ЭЛК-12, работоспособный при высоких вибрационных и ударных нагрузках в интервале температуры от -60 до +120°С. В случае необходимости соединения с ЭЛК-12 могут быть демонтированы.The metal nodes of the pressure sensor, the support tube 19 with a cover 20, the housing 21 with a hexagonal protrusion 22, a protective mesh 23 are made of various corrosion-resistant materials. For example, the case and protective mesh are made of 29NK alloy (Kovar) or 12Kh18N10T steel. Overall dimensions of the sensor: length L = 25-35 mm, diameter D = 11-12 mm. Support tube 1 × 0.25; from steel 12X18H10T standard tube. The connector is made of a dielectric, depending on the pressure measurement conditions in the temperature range from -50 to + 80 ° C, for example, from a B-10 ebonite rod, the connector rods are made from MT-0.4 wire. Soft casting compound 14 low-viscous elastic for hardening, sealing and isolation of electric circuits of the ELK-12 brand, operable under high vibration and shock loads in the temperature range from -60 to + 120 ° С. If necessary, connections to ELK-12 can be dismantled.

Использованный АНЧ известен в измерительной технике в 4-х и 8-ми канальном исполнении на несущей частоте. Четырех- и восьмиканальные АНЧ предназначены для усиления сигналов с ТМ при измерении полного давления (давление звука) и статического давления исследуемого объекта. Согласование электрического сигнала с выхода емкостного датчика осуществляют УЗ, затем усиливают, нормируют в УН и подают на индикатор. Согласование и усиление электрического сигнала с выхода емкостного датчика можно осуществлять аппаратурой фирмы «Брюль и Къер» (Дания), РИОН (Япония), RFT (Германия). Опыт измерения давления показал, что датчики давления могут быть подключены к зарубежной аппаратуре без применения дополнительной схемы согласования. В некоторых случаях приходится выбирать ответную часть разъема датчика. Отечественные усилители заряда выполнены на интегральной микросхеме 544УД1. Для измерения звукового давления также используют аппаратуру «ЗАРЯД», УЗ РШ2731/4. Электрическая емкость датчиков от 3 пф и выше (практически без ограничений) согласуется со входом усилителя заряда. Выходное напряжение 5 В, 10 В. Выход аппаратуры рассчитан на работу с аналогово-цифровыми преобразователями, осциллографами, магнитными накопителями и т.д. В АНЧ для согласования ТМ с внешней электрической цепью используют усилитель постоянного тока (УПТ), затем выход УПТ согласуют с входом усилителя низкой частоты. Входной каскад УПТ выполнен по дифференциальной схеме.The used ANF is known in measurement technology in 4 and 8 channel versions at the carrier frequency. Four- and eight-channel ANFs are designed to amplify signals from the TM when measuring the total pressure (sound pressure) and static pressure of the object under study. Coordination of the electrical signal from the output of the capacitive sensor is carried out by ultrasound, then amplified, normalized to the UN and fed to the indicator. Coordination and amplification of the electrical signal from the output of the capacitive sensor can be carried out by Bruhl & Kjерr equipment (Denmark), RION (Japan), RFT (Germany). Experience in measuring pressure has shown that pressure sensors can be connected to foreign equipment without the use of an additional matching circuit. In some cases, you have to choose the counterpart of the sensor connector. Domestic charge amplifiers are made on an integrated microcircuit 544UD1. To measure sound pressure also use the equipment "CHARGE", UZ RSh2731 / 4. The electrical capacitance of sensors from 3 pF and above (almost without restrictions) is consistent with the input of the charge amplifier. The output voltage is 5 V, 10 V. The equipment output is designed to work with analog-to-digital converters, oscilloscopes, magnetic drives, etc. In the ANF, a DC amplifier (UPT) is used to coordinate the TM with an external electric circuit, then the output of the UPT is coordinated with the input of the low-frequency amplifier. The input stage UPT is made according to the differential circuit.

ЕЧЭ датчика от внешних электромагнитных воздействий защищен корпусом, сеткой, экраном путем соединения экранов проводов АВКТ-6 с основным экраном 3 и местным заземлением в точке В. Введение дополнительных элементов в устройстве (датчике) позволяют изолировать емкость ЕЧЭ датчика от емкости кабеля с помощью введения цепи резисторов R1, R2, второго конденсатора С1 и компенсировать емкость кабеля. В случае когда УЗ не находится внутри корпуса датчика рядом с ЕЧЭ, это позволяет увеличить расстояние между датчиком и усилителем заряда в (частности до 50 м). Длина кабеля между датчиком и УЗ ограничивается только проводимостью кабеля и частотными свойствами ЕЧЭ. Выбранные резисторы R1, R2 по величине одинаковы. Надежность датчика повышается путем размещения УЗ в корпусе датчика и за счет защиты УЗ от попадания напряжения поляризации на его вход. Первый конденсатор С2 соединен между ЕЧЭ и УЗ. Надежность также повышается за счет измерения полезного сигнала и подачи напряжения питания ТМ и поляризации ЕЧЭ датчика с одним кабелем (проводом).The ECH of the sensor from external electromagnetic influences is protected by a housing, grid, screen by connecting the shields of the AVKT-6 wires with the main screen 3 and local grounding at point B. The introduction of additional elements in the device (sensor) allows isolating the ECH sensor capacitance from the cable capacity by introducing a circuit resistors R1, R2, the second capacitor C1 and compensate for the cable capacity. In the case when the ultrasound is not located inside the sensor housing near the ECH, this allows to increase the distance between the sensor and the charge amplifier in (in particular, up to 50 m). The cable length between the sensor and the ultrasound is limited only by the conductivity of the cable and the frequency properties of the ECE. The selected resistors R1, R2 are the same in value. The reliability of the sensor is increased by placing ultrasound in the sensor housing and due to the protection of the ultrasound from the polarization voltage entering its input. The first capacitor C2 is connected between the ECE and the ultrasound. Reliability is also improved by measuring the useful signal and applying the supply voltage of the TM and polarization of the ECH sensor with one cable (wire).

Четырехплечный ТМ выполнен с разными сопротивлениями от r=30-400 Ом; r=100-400 Ом; r=200-400 Ом. При этом напряжение на выходе АНЧ Uвых=±5 В (при сопротивлении нагрузки 160-170 Ом). ТМ, разработанный на базе «кремния на сапфире», питают напряжением постоянного тока 36 В или 15-42 В. Одновременно эти напряжения являются напряжением поляризации ЕЧЭ. Диэлектрическая пленка 8 содержит ЧЭТ 9, 10 для определения температуры и теплового потока. На нижнюю поверхность слоя 8 наносится термопара из двух металлов, никель (нижний) и медь (верхний). Сигналы снимаемые соответствуют температуре в месте соединения двух металлов. Оснащение пленки 8 (фиг. 1 сеч. А-А) термопарами 9, 10 и их расположение симметрично относительно друг друга позволяют сформировать ЧЭ теплового потока. Максимально возможным термоэлектрическим эффектом обладают слои металлов, которые могут наносится путем испарения в вакууме. Этому требованию удовлетворяют никель и медь. Для выравнивания их омических сопротивлений площадь обкладок из никеля (нижние) выбирают в 1,4-1,6 раза больше площади обкладок меди. Выбор соотношения вне указанных пределов усложняет согласование ЧЭТ 9, 10 с ПУ 37, 38, в частности, при балансировке резисторов, ПУ 37, 38. Пределы характеризуются температурными коэффициентами двух металлов (αCu=0,0045 и αNi=0,0068). Толщина ЧЭТ 0,18-0,2 мкм, размерами 1×1 мм или диаметрами от 1 мм до 4 мм.The four-arm TM is made with different resistances from r = 30-400 Ohms; r = 100-400 ohms; r = 200-400 ohms. In this case, the voltage at the output of the ANF U out = ± 5 V (with a load resistance of 160-170 Ohms). A TM developed on the basis of "silicon on sapphire" is supplied with a DC voltage of 36 V or 15-42 V. At the same time, these voltages are the polarization voltage of the ECH. The dielectric film 8 contains BET 9, 10 to determine the temperature and heat flux. A thermocouple of two metals, nickel (lower) and copper (upper), is applied to the lower surface of layer 8. The signals taken correspond to the temperature at the junction of two metals. The equipment of the film 8 (Fig. 1 cross-section A-A) with thermocouples 9, 10 and their arrangement symmetrically with respect to each other allow the formation of a heat flow SE. The maximum possible thermoelectric effect is possessed by metal layers, which can be deposited by evaporation in vacuum. Nickel and copper satisfy this requirement. To equalize their ohmic resistances, the area of the nickel plates (lower ones) is 1.4–1.6 times the area of the copper plates. The choice of a ratio outside the specified limits complicates the coordination of the BET 9, 10 with PU 37, 38, in particular, when balancing resistors, PU 37, 38. The limits are characterized by temperature coefficients of two metals (α Cu = 0.0045 and α Ni = 0.0068) . The thickness of the BET is 0.18-0.2 microns, sizes 1 × 1 mm or diameters from 1 mm to 4 mm.

Таким образом, предполагается, что предложенное устройство позволяет в заданной точке ИО одним датчиком, состоящим из ТМ, ЕЧЭ и ЧЭТ, одновременно с измерением звукового давления измерять давление звука, статическое давление, температуру, тепловой поток. При этом на выходе ТМ и ЕЧЭ имеем информацию об измерении давления без влияния температуры на результаты измерения.Thus, it is assumed that the proposed device allows at a given point in the IO one sensor, consisting of TM, ECHE and BET, simultaneously with the measurement of sound pressure to measure sound pressure, static pressure, temperature, heat flux. At the same time, at the output of the TM and ECE we have information about the measurement of pressure without the influence of temperature on the measurement results.

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

Датчик располагают на определенном участке ИО и на него не задают давление (его изолируют от воздействия давления) Р=0 и задают температуру от 20 до 100°С.The sensor is placed on a specific section of the IO and the pressure is not set on it (it is isolated from pressure) P = 0 and the temperature is set from 20 to 100 ° C.

При этом с выхода АНЧ и УН на индикаторе регистрируют сумму сигналов собственных шумов аппаратуры и тепловой шум, т.е. измеряют нулевые сигналы. На выходе АНЧ регистрируют электрический сигнал U. Одновременно с выхода ПУ регистрируют Uθ, т.е. электрический сигнал, пропорциональный тепловому шуму. Одновременно с выхода АНЧ и УН сигналы U и

Figure 00000010
передают через I-е положение переключателя 30 блока памяти 31, 35 и индикатор для запоминания и хранения. Напряжение с выхода ПУ 38 подают на входы блоков памяти 31, 35. С выхода ПУ 37 сигнал Uθ подают на индикатор. На выходе УН регистрируют
Figure 00000011
. На датчик задают в первом положении стандартное калибровочное звуковое давление Р≠0 и температуру. В этом случае с выхода АНЧ регистрируют сигнал Uвыхθ и на выходе УН -
Figure 00000012
, сигналы с Uвыхθ,
Figure 00000013
с выходов АНЧ, УН через II-е положение блока 30 подают на входы блоков вычитания 32, 36, где после операции вычитания полезные выходные сигналы АНЧ и УН - на входы индикатора и блока вычитания 33, т.е. измеряют основной сигнал. Оба сигнала регистрируют в индикаторе, затем определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов, т.е. определяют значение последних сигналов с выхода АНЧ ΔUвых=Uвыхθ-U; с выхода
Figure 00000014
; при этом коэффициенты преобразования каналов определяют как:At the same time, from the output of the ANF and UN on the indicator, the sum of the signals of the internal noise of the equipment and thermal noise are recorded, i.e. measure zero signals. At the output of the ANF, an electrical signal U 0θ is recorded . Simultaneously with the PU output, U θ is recorded, i.e. electrical signal proportional to thermal noise. Simultaneously with the output of the ANF and UN signals U and
Figure 00000010
transmit through the I-th position of the switch 30 of the memory unit 31, 35 and an indicator for storing and storage. The voltage from the output of the PU 38 is fed to the inputs of the memory blocks 31, 35. From the output of the PU 37, the signal U θ is supplied to the indicator. At the output of the UN register
Figure 00000011
. In the first position, the standard calibration sound pressure P за 0 and temperature are set on the sensor. In this case, from the output of the ANF register the signal U o
Figure 00000012
, signals from U o
Figure 00000013
from the outputs of the ANCH, UN through the II-th position of the block 30 is fed to the inputs of the subtraction blocks 32, 36, where after the subtraction operation the useful output signals of the ANCh and the UN are fed to the inputs of the indicator and the subtraction block 33, i.e. measure the main signal. Both signals are recorded in the indicator, then the conversion coefficients of the measuring channels are determined, i.e. determine the value of the last signals from the output of the ANF ΔU out = U outθ -U ; from exit
Figure 00000014
; wherein the channel conversion coefficients are defined as:

Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000015
Figure 00000016

На датчик, т.е. на мембрану, где сформирован ТМ и образован ЕЧЭ, задают давление звука (во втором положении переключателя), с непериодической функцией времени в виде интеграла Фурье. Задаваемое давление звука P(t) ИО с периодом Т, удовлетворяющее условиям Дирехле, представляют в виде ряда Фурье с вещественными членами как:

Figure 00000017
, где P(t), Р1, Bk и Ck имеют размерность измерения давления, их определение известно в измерительной технике, ω - угловая частота.Per sensor, i.e. the sound pressure (in the second position of the switch), with a non-periodic function of time in the form of the Fourier integral, is set on the membrane where the TM is formed and the ECE is formed. The preset sound pressure P (t) of the EUT with a period T satisfying the Direchle conditions is represented as a Fourier series with real terms as:
Figure 00000017
where P (t), P 1 , B k and C k have the pressure measurement dimension, their definition is known in the measurement technique, ω is the angular frequency.

Указывают, что параметры P(f), Р0, Bk, Ck и т.д. непериодических функций выражены в виде суммы бесконечного множества синусоидальных функций с бесконечно малыми амплитудами давления с частотами, имеющими все возможные значения -∞ до +∞.Indicate that the parameters P (f), P 0 , B k , C k , etc. non-periodic functions are expressed as the sum of an infinite number of sinusoidal functions with infinitely small pressure amplitudes with frequencies having all possible values of -∞ to + ∞.

При этом в заданном участке ИО одновременно с одним датчиком (с одной мембраной) на выходе АНЧ регистрируют электрическое напряжение:Moreover, in a given section of the IO simultaneously with one sensor (with one membrane), the voltage is recorded at the output of the ANF:

Figure 00000018
,
Figure 00000018
,

где

Figure 00000019
Where
Figure 00000019

Как видно из формул, на выходе УН имеют звуковое давление P(t)≡U(t)≡U(θ) при постоянной составляющей U1≡P0; и переменных составляющих UB≡Bk, UC≡Ck; напряжения в этой цепи. Следовательно, постоянная составляющая давления на входе ЕЧЭ равна нулю. И эта цепь представляет собой бесконечное сопротивление U1 для прохождения, т.е. U1=0. Далее сигналы с выхода АНЧ и УН одновременно поступают на индикатор для регистрации и дальнейшей обработки и на выходы блока вычитания 33. До произведения вычитания в блоке 33 сигналы с выходов АНЧ и УН подают на блоки вычитания 32, 36 для выделения из общего сигнала сигнала теплового шума

Figure 00000020
. После вычитания в последнем блоке 33
Figure 00000021
получим основной сигнал, несущей информацию об избыточном статическом давлении Pизбыт ИО пропорционально напряжению UАНЧ. Значение UАНЧ регистрируют на индикаторе. Далее истинное значение давления звука на выходе АНЧ определяют как: U(t)θ-U=ΔUАНЧ, затем
Figure 00000022
.As can be seen from the formulas, at the output of the CNs they have sound pressure P (t) ≡U (t) ≡U (θ) with a constant component U 1 ≡P 0 ; and variable components U BB k , U CC k ; voltage in this circuit. Therefore, the constant component of the pressure at the inlet of the ECE is equal to zero. And this circuit is an infinite resistance U 1 for passage, i.e. U 1 = 0. Further, the signals from the output of the ANF and UN simultaneously enter the indicator for registration and further processing and to the outputs of the subtraction unit 33. Before subtracting in block 33, the signals from the outputs of the ANF and UN provide the subtraction units 32, 36 to extract the thermal noise signal from the total signal
Figure 00000020
. After subtraction in the last block 33
Figure 00000021
we get the main signal carrying information about the excess static pressure P excess IO proportional to the voltage U ANF . The value of U ANCH recorded on the indicator. Next, the true value of the sound pressure at the output of the ANF is determined as: U (t) θ -U = ΔU ANF , then
Figure 00000022
.

На датчик задают два разных по величине статических давления (второе положение переключателя), допустим

Figure 00000023
. Давление P1 действует со стороны защитной сетки, и давление
Figure 00000024
действует через опорную трубу. При этом на выходе АНЧ после выделения напряжения теплового шума имеем электрическое постоянное напряжение
Figure 00000025
, несущее информацию о дифференциальном давлении
Figure 00000026
. Величину давления
Figure 00000027
определяют как:
Figure 00000028
. Эти напряжения регистрируют в индикаторе. Все указанные измерения проводят при наличии связи полости датчика за мембраной через опорную трубу и многочисленные опорные отверстия 18 (фиг. 1 сеч. Б-Б).Two different static pressures are set on the sensor (second position of the switch), let's say
Figure 00000023
. Pressure P 1 acts on the side of the safety net, and pressure
Figure 00000024
acts through the support pipe. In this case, at the output of the ANF after the isolation of the thermal noise voltage, we have an electric constant
Figure 00000025
carrying differential pressure information
Figure 00000026
. Pressure value
Figure 00000027
defined as:
Figure 00000028
. These voltages are recorded in the indicator. All these measurements are carried out in the presence of the connection of the sensor cavity behind the membrane through the support pipe and numerous support holes 18 (Fig. 1 sec. BB).

Опорная труба закрыта крышкой, и полость датчика (за мембраной) изолируют от атмосферного давления и со стороны защитной сетки на мембрану задают статическое давление

Figure 00000029
. При этом на выходе АНЧ после выделения сигнала теплового шума регистрируют постоянное напряжение
Figure 00000030
, несущее информацию об абсолютном статическом давлении
Figure 00000031
, где
Figure 00000032
- атмосферное давление;
Figure 00000033
- заданное. Величину
Figure 00000034
определяют как:
Figure 00000035
. Все величины регистрируют в индикаторе. При этом на выходе УН имеем лишь сумму сигналов, сигналов шумов аппаратуры, теплового шума и внешних помех. Сигнал
Figure 00000036
на выходе УН равняется нулю.The support tube is closed by a cover and the sensor cavity (behind the membrane) is isolated from atmospheric pressure and static pressure is set on the membrane from the side of the protective mesh
Figure 00000029
. At the same time, at the output of the ANF, after isolating the thermal noise signal, a constant voltage is recorded
Figure 00000030
carrying absolute static pressure information
Figure 00000031
where
Figure 00000032
- Atmosphere pressure;
Figure 00000033
- given. Value
Figure 00000034
defined as:
Figure 00000035
. All values are recorded in the indicator. At the same time, at the output of the CN we have only the sum of the signals, the noise signals of the equipment, thermal noise and external noise. Signal
Figure 00000036
at the output, the UN equals zero.

Звуковое давление, преобразованное емкостным датчиком в электрический сигнал, согласуют в УЗ, усиливают в УН и на его выходе имеют сигнал, соответствующий звуковому давлению, и определяют как:

Figure 00000037
.The sound pressure transformed by a capacitive sensor into an electric signal is matched to ultrasound, amplified in a UN and at its output have a signal corresponding to sound pressure, and is determined as:
Figure 00000037
.

Датчик располагают в звуковом поле и на мембрану задают звуковое давление (второе положение переключателя)

Figure 00000038
. При этом на выходе АНЧ и УН. после выделения теплового шума регистрируют одинаковый сигнал, несущий информацию о звуковом давлении, т.е.
Figure 00000039
.The sensor is placed in the sound field and the sound pressure is set on the membrane (second switch position)
Figure 00000038
. At the same time, the output of the ANCH and UN. after heat noise is released, the same signal is recorded that carries sound pressure information, i.e.
Figure 00000039
.

Истинное значение звукового давления определяют с помощью коэффициентов преобразования с выходов АНЧ и УН аналогичным образом как в предыдущем пункте, т.е.

Figure 00000040
.The true value of sound pressure is determined using the conversion factors from the outputs of the ANF and UN in the same way as in the previous paragraph, i.e.
Figure 00000040
.

Чтобы с выхода ЕЧЭ зарегистрировать сигнал от воздействия статического давления, УЗ и УН заменяют мостом переменного тока, в частности, типа Р-589. В этом случае при изменении статического давления

Figure 00000041
от нижнего до верхнего предела определяют изменения выходного сигнала
Figure 00000042
от нижнего до верхнего значения, пропорционального изменению измеряемого давления (от
Figure 00000043
до
Figure 00000044
). При этом определяют приращение емкости ΔС=Ст±С0; где Ст - текущее значение емкости ЕЧЭ, когда
Figure 00000045
; С0 - начальная емкость ЕЧЭ при давлении Pст=0. Кроме моста Р-589, для измерения
Figure 00000046
можно использовать специально разработанную аппаратуру. Рассмотрение последнего вопроса не входит в рамки предложенного изобретения.In order to register the signal from the effect of static pressure from the output of the ECHE, the ultrasonic and the UN are replaced by an alternating current bridge, in particular, of the R-589 type. In this case, when the static pressure changes
Figure 00000041
from the lower to the upper limit determine changes in the output signal
Figure 00000042
from the lower to the upper value proportional to the change in the measured pressure (from
Figure 00000043
before
Figure 00000044
) In this case, the increment of the capacitance ΔС = С t ± С 0 is determined; where C t is the current value of the capacity of the ECE when
Figure 00000045
; With 0 - the initial capacity of the ECE at a pressure P article = 0. In addition to the R-589 bridge, for measurement
Figure 00000046
You can use specially designed equipment. Consideration of the last issue is not included in the scope of the proposed invention.

При тепловом потоке Ф через диэлектрическую пленку 8, верхние 10 и нижние 9 термопары испытывают действие температур θ1 и θ2 соответственно. Зависимость между электродвижущей силой и температурами горячего и холодного спаев устанавливается коэффициентом пропорциональности. Тепловой поток определяется измеренной разностью температур, коэффициентом теплопроводности и толщиной диэлектрической пленки 8 (фиг. 1 сеч. А-А)

Figure 00000047
, где
Figure 00000048
- теплопроводность полиимидной пленки. Значения термоэлектродвижущей силы определяются приблизительно. Оно зависит от структуры и чистоты металлов. При температуре холодного спая 0°С используется выражение Е=Аθ+Вθ2 [мкВ]. Для меди имеем постоянные А=2,76; В=0,006, области температур 0-100°С; для никеля А=-16,3; В=-0,027, область температур -200 до +100°С. Для снижения погрешности в стадии измерения принято использовать проводники для подводящих проводов из того же материала, что и основные ЧЭТ. Это условие можно выполнить, если подобрать пару проводящих проводов А, В; С, Д и А′, В′; С′, Д′ к температуре так, чтобы при любых температурах выполнялось требование Еc-ЕДAB и ЕC′-ЕД′-ЕA′-ЕB′. Таким образом, суммарная погрешность измерения выходного сигнала ΔЕ=ΔEm+ΔEn, где реальная погрешность измерения может достигать до 20%. ΔEm, ΔEn - погрешности термопары и подводящих проводов соответственно. Коэффициент преобразования чувствительности ЧЭТ определяют как:
Figure 00000049
, выражается в милливольтах на °С, зависит от химического состава и физической обработки материалов и изменяется в зависимости от температуры. Например, приближенное значение термоэлектрической чувствительности мВ/°С для термопар из меди и никеля определяется как разность чувствительностей, т.е. S=-(-15)+6,5=21,5 мВ/°С где 6,5 - для меди.When the heat flux Φ through the dielectric film 8, the upper 10 and lower 9 thermocouples are exposed to temperatures θ 1 and θ 2, respectively. The relationship between the electromotive force and the temperatures of the hot and cold junctions is set by the proportionality coefficient. The heat flux is determined by the measured temperature difference, the coefficient of thermal conductivity and the thickness of the dielectric film 8 (Fig. 1 sec. A-A)
Figure 00000047
where
Figure 00000048
- thermal conductivity of the polyimide film. The values of thermoelectromotive force are determined approximately. It depends on the structure and purity of the metals. At a cold junction temperature of 0 ° C, the expression E = Aθ + Bθ 2 [μV] is used. For copper, we have the constants A = 2.76; B = 0.006, temperature range 0-100 ° C; for nickel A = -16.3; B = -0.027, temperature range -200 to + 100 ° С. To reduce the error in the measurement stage, it is customary to use conductors for lead wires of the same material as the main CHET. This condition can be satisfied if you pick up a pair of conductive wires A, B; C, D and A ′, B ′; C ′, D ′ to the temperature so that at any temperature the requirement is fulfilled: EC-E D = E A -E B and E C ′ -E D ′ -E A ′ -E B ′. Thus, the total measurement error of the output signal ΔE = ΔE m + ΔE n , where the real measurement error can reach up to 20%. ΔE m , ΔE n - errors of the thermocouple and lead wires, respectively. The sensitivity conversion factor CHET is defined as:
Figure 00000049
, expressed in millivolts per ° C, depends on the chemical composition and physical processing of materials and varies with temperature. For example, the approximate value of the thermoelectric sensitivity mV / ° C for thermocouples made of copper and nickel is defined as the difference in sensitivity, i.e. S = - (- 15) + 6.5 = 21.5 mV / ° С where 6.5 is for copper.

Принцип работы устройства. При изменении давления ΔР деформируются слои металлической 13 и диэлектрической 16 пленок. За счет деформации мембраны одновременно изменяется расстояние между мембраной 13 и нижней обкладкой конденсатора 12. За счет прогиба мембраны 13 происходит деформация ТМ 17. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость ЕЧЭ 15 С0, сопротивление ТМ r0, приращения ΔС, Δr и относительное изменение емкости ΔС/С0 (ЕЧЭ) и Δr/r0 (ТМ). Напряжение поляризации постоянного тока Uп из блока 28 через резисторы R1 и R2 подают металлическому слою 13, экрану 3 датчика и на экран кабеля АВКТ-6. Сигнал с выхода нижней обкладки 12 ЕЧЭ снимают через центральную жилу кабеля 12. Напряжение Uп с выхода блока 28 подают к одной из диагоналей а, б ТМ 17. При этом напряжение на выходе ЕЧЭ (между обкладками 12 и 13) и ТМ (между другими диагоналями в, г моста) пропорционально приращению ΔС/С0, Δr/r0, напряжению поляризации ЕЧЭ и питания ТМ соответственно.The principle of operation of the device. When the pressure ΔP changes, the layers of the metal 13 and dielectric 16 films are deformed. Due to the deformation of the membrane, the distance between the membrane 13 and the lower lining of the capacitor 12 simultaneously changes. Due to the deflection of the membrane 13, the deformation of TM 17 occurs. As a result of the deflection of the membrane, the initial capacitance of the ECE 15 C 0 , the resistance of TM r 0 , increments ΔС, Δr and relative change capacity ΔС / С 0 (ЕЧЭ) and Δr / r 0 (ТМ). The DC polarization voltage U p from block 28 through the resistors R 1 and R 2 serves the metal layer 13, the screen 3 of the sensor and the screen of the cable АВКТ-6. The signal from the output of the bottom plate 12 ECE is removed through the Central core of the cable 12. The voltage U p from the output of block 28 is fed to one of the diagonals a, b TM 17. The voltage at the output of the ECE (between the plates 12 and 13) and TM (between the other by the diagonals c, d of the bridge) is proportional to the increment ΔС / С 0 , Δr / r 0 , the polarization voltage, and the power supply of the TM, respectively.

С этой целью в ЦАГИ был исследован ЕЧЭ из кремния с диаметром мембраны 4 мм, расстоянием между плоской мембраной толщиной 6 мкм и нижней обкладкой 1 мкм. Амплитудная характеристика определялась при уровне звукового давления от 0 до 11 Па (0-131 дБ), частоте 30 Гц.To this end, TsAGI investigated silicon EECs with a membrane diameter of 4 mm, a distance between a flat membrane 6 μm thick and a lower lining 1 μm. The amplitude characteristic was determined at a sound pressure level from 0 to 11 Pa (0-131 dB), a frequency of 30 Hz.

Неравномерность АЧХ в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц составляет не менее 12-15%. Нелинейность амплитудной характеристики меньше одного процента. Коэффициент преобразования канала 1,26 мВ/Па. Собственные шумы и помехи на выходе УЗ 30-40 дБ. Напряжение поляризации ЕЧЭ 100 В. ТМ сопротивлением r0=800 Ом создан на базе ЧЭ давления толщ. 15 мкм, диаметром 3 мм из кремния. С помощью этого датчика возможно измерять звуковое давление (при условии, что статическое давление ИО равно нулю), давление звука и статическое давление (при условии, если звуковое давление ИО равно нулю). Коэффициент преобразования этих датчиков находится в пределах 0,55-3,5 мкВ/Па. Верхний предел от диапазона измерения давления датчиков по линейности не менее 160 дБ. Кратковременно и повторно кратковременно 170-200 дБ. Напряжение разбаланса датчиков при работе с аппаратурой АНЧ-22 от начального значения (уход нуля) в течение 50 мин находилось в пределах 7,5-120 мкВ. Напряжение питания ТМ 5 В.Frequency response in the frequency range from 20 Hz to 20 kHz is at least 12-15%. The non-linearity of the amplitude characteristic is less than one percent. Channel conversion coefficient 1.26 mV / Pa. Own noise and interference at the output of the ultrasound 30-40 dB. The polarization voltage ECHE 100 V. TM resistance r 0 = 800 Ohm created on the basis of the SE pressure pressure. 15 microns, with a diameter of 3 mm from silicon. Using this sensor, it is possible to measure sound pressure (provided that the static pressure of the EUT is zero), sound pressure and static pressure (provided that the sound pressure of the EUT is zero). The conversion coefficient of these sensors is in the range of 0.55-3.5 μV / Pa. The upper limit on the linear pressure measuring range of the sensors is at least 160 dB. Short-term and repeated short-term 170-200 dB. The voltage of the imbalance of the sensors when working with the ANCH-22 equipment from the initial value (zero) for 50 minutes was in the range of 7.5-120 μV. Supply voltage TM 5 V.

Зависимости изменения приращения емкости и выходного нулевого сигнала ЕЧЭ с твердым диэлектриком из полиимида размерами 6×9 мм проверялось при температуре от 25 до 100°С. При 100°С нулевой сигнал увеличивался в семь раз от первоначального значения (0,468 В). При начальной емкости датчика 20,6 пФ с ростом температуры до 100°С емкость датчика увеличивалась 1,3 раза. Измерение емкости было проведено мостом Р-589. Датчики были наклеены на поверхности тензометрической линейки согласно ГОСТ 21615-76. Температуру измеряли обычным термометром.The dependences of the change in the increment of the capacitance and the output zero signal of the EHF with a solid dielectric of polyimide 6 × 9 mm in size were tested at a temperature of 25 to 100 ° C. At 100 ° С, the zero signal increased seven times from the initial value (0.468 V). At an initial sensor capacitance of 20.6 pF, with an increase in temperature to 100 ° C, the sensor capacitance increased 1.3 times. Capacitance measurement was carried out by the R-589 bridge. The sensors were glued to the surface of the strain gauge according to GOST 21615-76. The temperature was measured with a conventional thermometer.

В НИИтеплоприбор на базе технологии плазменохимического травления «кремния на искусственном сапфире» были модернизованы серии датчиков. Например, в комплекс «Сапфир-22М» входят 45 различных моделей датчиков абсолютного давления («Сапфир 22М-ДА»), избыточного давления («Сапфир 22М-ДИ»), разрежения («Сапфир 22М-ДВ», «Сапфир 22М-ДИВ»), разности давлений («Сапфир 22М-ДД») и т.д. (журнал «Приборы и системы управления», 1990, №1 стр. 27-30).A series of sensors were modernized at the NIIteplopribor based on the technology of plasma-chemical etching "silicon on artificial sapphire". For example, the Sapphire-22M complex includes 45 different models of absolute pressure sensors (Sapphire 22M-DA), overpressure (Sapphire 22M-DI), vacuum (Sapphire 22M-DV, Sapphire 22M-DIV "), Pressure difference (" Sapphire 22M-DD "), etc. (magazine "Instruments and control systems", 1990, No. 1 p. 27-30).

Высокий технико-экономический эффект достигается за счет совокупного действия известных решений, и это выгодно отличает изобретение от выбранных аналога и прототипа. Конкретным решением является возможность в одной конструкции с одним ЧЭ давления и двумя ЧЭТ одновременно в заданном участке измерять давление звука, звуковое давление, (пульсации, ударные, взрывные, ветровые волны), статическое давление (избыточное, абсолютное, дифференциальное, температуры, теплового потока), позволяет получить ряд преимуществ: выделить из основного сигнала сигнал тепловых шумов и помех, сократить затраты на эксперимент, сократить затраты на материалы для изготовление датчиков, повысить помехоустойчивость измерительных каналов, сократить число токоведущих проводов, расширить область применения, повысить надежность.The high technical and economic effect is achieved due to the combined action of known solutions, and this distinguishes the invention from the selected analogue and prototype. A specific solution is the ability to measure sound pressure, sound pressure, (pulsations, shock, explosive, wind waves), static pressure (excess, absolute, differential, temperature, heat flow) in one design with one SE pressure and two CHET simultaneously in a given section , allows to obtain a number of advantages: isolate the signal of thermal noise and interference from the main signal, reduce the cost of the experiment, reduce the cost of materials for the manufacture of sensors, increase the noise immunity of the meter s channels, reduce the number of current wires, to extend the scope and increase the reliability.

Claims (1)

Устройство для измерения давления и температуры, содержащее основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану с краевым, например, тороидальным профилем плоской формы или с гофрированным профилем, собранные в пакет, штырьки, соединяющие обкладку, мембрану, основной экран, тензометрический мост с внешней цепью, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, на поверхности мембраны сформирован тензометрический мост, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки, тензометрический и емкостной чувствительные элементы датчика на основе «кремния на сапфире», защитная сетка, клеммная колодка с разъемами, опорная трубка с крышкой, корпус, залитый мягким герметиком, по два резистора и конденсатора, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем датчик снабжен аппаратурой низкой частоты, источником питания постоянного тока, усилителем заряда и напряжения, блоком вычитания, индикатором, причем емкостной чувствительный элемент и тензометрический мост соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одним напряжением, а блок вычитания расположен внутри корпуса датчика, отличающееся тем, что дополнительно введены два чувствительных элемента температуры горячего спая, симметрично расположены между собой на верхней и нижней поверхностях диэлектрической пленки, два чувствительных элемента температуры холодного спая, холодный спай термопары располагают вне корпуса устройства, обеспечивают температурой таяния льда и их соединяют между собой и через переключатель подсоединяют к индикатору, металлическое кольцо, по два потенциометрических усилителя, блока памяти, один переключатель, три блока вычитания, причем в первом положении переключателя выход аппаратуры низкой частоты, усилителя напряжения через переключатель, блоки памяти, блоки вычитания подсоединены к входам индикатора, во втором положении переключателя выходы аппаратуры низкой частоты и усилителя напряжения через переключатель соединены с входами трех блоков вычитания и их выход соединен со входом индикатора, выходы двух чувствительных элементов температуры через потенциометрические усилители и блок вычитания соединены с индикатором, выход одного из потенциометрических усилителей подсоединен к индикатору, выход другого потенциометрического усилителя через блоки памяти подсоединен тоже к индикатору, причем усилитель заряда смонтирован внутри корпуса датчика на нижней поверхности, монтажной платы, корпус датчика подсоединен к общей шине в точке В устройства, на второй части конструкции датчика, состоящей из двух диэлектрических пленок и чувствительных элементов температуры, через них выполнены не менее десяти сквозных опорных отверстий, полость емкостного чувствительного элемента за мембраной связана с атмосферой через опорную трубку, проходя сквозь первую часть конструкции датчика, состоящего из монтажной платы, воздушной прослойки, клеммной колодки разъемов, экрана на поверхности диэлектрической пленки и заливочного компаунда, причем воздушная прослойка образована между первой и второй частями конструкции датчика, а между первой и второй частями конструкции датчика расположено металлическое кольцо. A device for measuring pressure and temperature, comprising a base from a dielectric film, a main screen formed on its surface, a capacitor plate, a membrane with an edge, for example, a toroidal profile of a flat shape or with a corrugated profile, assembled in a bag, pins connecting the plate, membrane, main a screen, a strain gauge bridge with an external circuit, while the internal cavity of the sensor is connected to the atmosphere through a capillary hole, a strain gauge bridge is formed on the membrane surface, an electric insulated from the membrane surface by a layer of dielectric film, strain gauge and capacitive sensitive elements of the sensor based on "silicon on sapphire", a protective grid, a terminal block with connectors, a support tube with a cover, a body filled with soft sealant, two resistors and a capacitor, with the upper lining the capacitive sensor element of the sensor through the cable screen is connected to the positive pole of the charge amplifier, both resistors and the second capacitor are connected at one point, the first resistor is connected to the residential cable I, with the first capacitor and the bottom plate of the capacitive sensor element of the sensor, the negative pole of the polarization source is connected to an external screen and local ground, and the sensor is equipped with low-frequency equipment, a DC power supply, a charge and voltage amplifier, a subtraction unit, an indicator, and the capacitive sensitive the element and the strain gauge bridge are connected at the same output of the DC source and supply the pressure sensor with the same voltage, and the subtraction unit is located inside the housing sensor, characterized in that two additional elements of the temperature of the hot junction are additionally introduced, are symmetrically located on each other on the upper and lower surfaces of the dielectric film, two sensitive elements of the temperature of the cold junction, the cold junction of thermocouples are located outside the device body, provide the melting temperature of the ice and they are connected between yourself and through a switch connect to the indicator, a metal ring, two potentiometric amplifiers, memory blocks, one switch, three blocks you power, and in the first position of the switch the output of the low-frequency equipment, the voltage amplifier through the switch, memory blocks, subtraction units are connected to the indicator inputs, in the second position of the switch, the outputs of the low-frequency equipment and the voltage amplifier through the switch are connected to the inputs of the three subtraction units and their output is connected with an indicator input, the outputs of two temperature sensors through potentiometric amplifiers and a subtraction unit are connected to the indicator, the output of one of the potentiometers of various amplifiers is connected to the indicator, the output of another potentiometric amplifier through memory blocks is also connected to the indicator, with the charge amplifier mounted inside the sensor housing on the bottom surface of the circuit board, the sensor housing connected to a common bus at point B of the device, on the second part of the sensor of two dielectric films and temperature sensors, through them at least ten through support holes are made, the cavity of the capacitive sensor element behind the membrane It is connected with the atmosphere through the support tube, passing through the first part of the sensor structure, consisting of a mounting plate, an air gap, a terminal block of connectors, a screen on the surface of the dielectric film and a casting compound, the air gap being formed between the first and second parts of the sensor structure, and between the first and second parts of the sensor design is a metal ring.
RU2015131609/28A 2015-07-30 2015-07-30 Device for pressure and temperature measuring RU2603446C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015131609/28A RU2603446C1 (en) 2015-07-30 2015-07-30 Device for pressure and temperature measuring

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015131609/28A RU2603446C1 (en) 2015-07-30 2015-07-30 Device for pressure and temperature measuring

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2603446C1 true RU2603446C1 (en) 2016-11-27

Family

ID=57774558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015131609/28A RU2603446C1 (en) 2015-07-30 2015-07-30 Device for pressure and temperature measuring

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603446C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109580074A (en) * 2018-11-19 2019-04-05 安徽科达自动化集团股份有限公司 A kind of high sensibility pressure transducer
RU2696068C2 (en) * 2017-12-08 2019-07-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Intelligent converter
RU2702820C1 (en) * 2019-01-25 2019-10-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Method of making semiconductor pressure sensors
CN110686806A (en) * 2019-11-07 2020-01-14 徐州陀微传感科技有限公司 Pressure sensor and preparation method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2110778C1 (en) * 1996-06-04 1998-05-10 Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского Pressure and temperature sensitive element
US6725514B2 (en) * 2002-05-31 2004-04-27 Delphi Technologies, Inc. Method of making thick film pressure and temperature sensors on a stainless steel diaphragm
RU2267757C2 (en) * 2003-11-24 2006-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Method and device for measuring pressure
RU2384825C1 (en) * 2008-12-10 2010-03-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Pressure measurement sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2110778C1 (en) * 1996-06-04 1998-05-10 Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского Pressure and temperature sensitive element
US6725514B2 (en) * 2002-05-31 2004-04-27 Delphi Technologies, Inc. Method of making thick film pressure and temperature sensors on a stainless steel diaphragm
RU2267757C2 (en) * 2003-11-24 2006-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Method and device for measuring pressure
RU2384825C1 (en) * 2008-12-10 2010-03-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Pressure measurement sensor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2696068C2 (en) * 2017-12-08 2019-07-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Intelligent converter
CN109580074A (en) * 2018-11-19 2019-04-05 安徽科达自动化集团股份有限公司 A kind of high sensibility pressure transducer
RU2702820C1 (en) * 2019-01-25 2019-10-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Method of making semiconductor pressure sensors
CN110686806A (en) * 2019-11-07 2020-01-14 徐州陀微传感科技有限公司 Pressure sensor and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2603446C1 (en) Device for pressure and temperature measuring
US7456638B2 (en) MEMS based conductivity-temperature-depth sensor for harsh oceanic environment
Patranabi Sensors and Tranducers
US7765875B2 (en) High temperature capacitive static/dynamic pressure sensors
FI126999B (en) Improved pressure gauge box
RU2384825C1 (en) Pressure measurement sensor
CN105283745A (en) An improved pressure sensor structure
CN101657729A (en) Device including a contact detector
US8656785B1 (en) Multi-diaphragm pressure sensors
JP3523193B2 (en) Strain gauge strip and its use
CN111238361B (en) Graphene temperature strain sensor
US3948102A (en) Trielectrode capacitive pressure transducer
Anderson The new current loop: An instrumentation and measurement circuit topology
Niwa et al. Strain sensors and pressure sensors using Cr─ N thin films for high‐pressure hydrogen gas
US7613586B2 (en) Thermal vacuum gauge
Saha et al. A temperature compensated non-contact pressure transducer using Hall sensor and Bourdon tube
RU2589494C1 (en) Capacitive inertial pressure sensor, method of its assembly and method of pressure measuring
Qandil et al. Considerations in the design and manufacturing of a load cell for measuring dynamic compressive loads
Zarfl et al. A novel miniaturised sensor for combined static and dynamic pressure measurements in Harsh Environments
RU2267757C2 (en) Method and device for measuring pressure
EP2230523B1 (en) Physical quantity measuring unit and device for measuring a voltage and an electric field
CN211346684U (en) Graphene temperature strain sensor
US2477026A (en) Electric fluid pressure gauge
Patel et al. Validation of experimental strain measurement technique and development of force transducer
Zribi et al. Oil-free stress impedance pressure sensor for harsh environment

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180731