CC BY
42
Волохов И.В. , Пятышев Е.Н., Солодимов И.А ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ВАКУУМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Надежность аэрокосмической техники в значительной степени зависит от герметичности внутренних полостей космических аппаратов. По требованиям нормативно-технической документации абсолютное давление внутренних объемов космических аппаратов должно быть не менее 10-3 Па. Однако, широко используемые в аэрокосмической технике интегральные тензометрические датчики абсолютного давления не удовлетворяют упомянутым требованиям. Нижняя граница преобразуемого давления у датчиков давления лучших мировых фирм, таких как Motorola [1], Honeywell и других достигает единиц Па.
В промышленности давление ниже атмосферного принято измерять вакуумметрическими датчиками [2, 3]. Так, давление от 105 до 10-1 Па измеряют термопарными датчиками типа ПМТ-4М или терморезистивными ПМТ-6М-3. При более низких давлениях (от 10-1 до 10-7 Па) используют ионизационные датчики типа ПМИ-3-2 или им подобные. Низкая точность преобразования (относительная погрешность достигает 30-60%), нелинейность функции преобразования, большие массогабаритные размеры (длина баллона до 130-200 мм), большая инерционность преобразования (до 10 с), зависимость от рода измеряемого газа не позволяют использовать их в аэрокосмической технике. В то же время, зарубежные фирмы-производители [4-6] вакуумного оборудования, такие как Boc Edwards, Televac, MKS Instruments, Ilmvac и Veeco успешно выпускают интеллектуальные датчики вакуума, которые имеют элементы встроенной электроники, позволяющие осуществлять линеаризацию функции преобразования, компенсацию температурной погрешности и имеющие интерфейс для связи с ПЭВМ.
В настоящее время на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета (г. Пенза) совместно с ФГУП «Научно-исследовательский институт физических измерений» ведутся разработки интеллектуального датчика вакуума. Датчик представляет собой тонкостенный цилиндрический баллон из нержавеющей стали. В основание внутренней камеры баллона вмонтирован кремниевый чип, контактирующий с газом, давление которого необходимо измерить. Чип изготовлен лабораторией микротехнологий и микромеханических систем Санкт-Петербургского государственного технического университета. В центральной части чипа расположена многослойная оксид-нитридная мембрана, на которую напылен пленочный нагреватель. Симметрично нагревателю размещены две батареи термопары из p-n-поликремния, причем «горячие» их соединения находятся у нагревателя, а холодные над кремниевым основанием чипа. Через нагреватель пропускается постоянный ток. Вследствие конвекции, теплопроводности газа и излучения нагревателя выделяющееся на нагревателе тепло переносится на стенки баллона.
Для нахождения функции преобразования датчика составим уравнение теплового баланса:
Q = Ek + Et + Ей + Ем , (1)
где Q = /2ЛН[1 + а(Т — Т0)] - количество теплоты, выделяемое в нагревателе при пропускании через него
тока I; Rh - сопротивление нагревателя при температуре баллона To; T - температура нагревателя; а -температурный коэффициент нагревателя; Ек, Ет, Ей, Ем - потери тепла соответственно за счет конвекции, теплопроводности газа излучения нагревателя и теплопроводности материала нагревателя.
Конвективный перенос тепла может быть либо при наличии вынужденных газовых потоков в процессе откачки вакуумных камер, либо при нормальном давлении вследствие силового воздействия гравитационного поля Земли и наличия различных температурных градиентов газовых потоков. В области давлений ниже атмосферного роль конвективного теплообмена в общем балансе передачи тепла мала, следовательно Ек~0.
Потери тепла на излучение, согласно закону Стефана-Больцмана, пропорциональны только разности температур То и Т и не зависят от давления:
Еи = а(Т4 — Т04) S, (2)
где а - постоянная Стефана-Больцмана; S - площадь нагревателя.
Потери тепла, вызванные теплопроводностью материала нагревателя, пропорциональны разности температур:
Ем = b (T — To) S, (3)
где b - коэффициент пропорциональности, зависящий от теплопроводности материала нагревателя; S -площадь нагревателя. Em не зависит от давления.
Потери тепла, вызванные теплопроводностью газа, можно найти как:
Ет = KTp (T — T0) S, (4)
где Кт - коэффициент теплопроводности, p - измеряемое давление.
Анализ выражений (1)-(4) показал, что от измеряемого давления зависят лишь потери, обусловленные теплопроводностью газа, при этом функция преобразования рассматриваемого датчика будет иметь вид:
I 2-Rh[1 + a(T — T,)] — (Еи + Ем ) с (T — To) .
Очевидно, что для получения точных результатов преобразования рассматриваемого датчика мощность, выделяемая нагревателем, должна быть значительно выше потерь на излучение теплопроводности материала нагревателя. Это достигается путем уменьшения габаритных размеров кремниевого чипа и понижения температуры нагревателя. Так, при размерах кремниевого чипа 2,5х3,0х0,4 мм, сопротивлении нагревателя Rh=100 Ом, входном токе I=50 мА диапазон измеряемых давлений составил от 10-3 до 10 Па. Температура нагревателя измеряется с помощью термопары, значение термоЭДС при давлении 0,001 Па составляет более 100 мВ. На рисунке 1 приведена топология теплового кремниевого чипа.
Рисунок 1. Топология кремниевого чипа (сенсора давления)
Экспериментально полученная зависимость напряжения термопары от измеряемого давления приведена на рисунке 2.
Давление, Па
Рисунок 2. Зависимость выходного сигнала датчика от входного давления
Функциональная схема разрабатываемого датчика приведена на рисунке 3. Конструкция датчика такова, что элементы вторичной цепи расположены на внешней стороне баллона, вне рабочей камеры.
Рисунок 3. Функциональная схема разрабатываемого датчика давления
Вторичная цепь представляет собой микроэлектронную сборку, в состав которой входят инструментальный усилитель, коммутатор, преобразователь температуры, АЦП, ЦАП, преобразователь напряжения в ток (ПНТ), микропроцессор. Выходной сигнал с термопар чувствительного элемента (ЧЭ) усиливается инструментальным усилителем (ИУ) и подается на вход коммутатора (SW) , на второй вход которого поступает сигнал с преобразователя сопротивления терморезистора в напряжение. По команде с микропроцессора (CPU) коммутатор SW поочередно подключает к входу АЦП сигнал с ИУ и с усилителя У5. АЦП преобразует
11326728
выходные сигналы коммутатора в цифровой код. ЦАП преобразует код в выходное напряжение и далее с помощью ПНТ в ток нагревателя, поступающего в ЧЭ.
Наличие выходного двоичного кода позволяет располагать регистрирующий прибор и органы управления на расстоянии до 10 м от места расположения датчика. В качестве инструментального усилителя используется микросхема INA 114. Основой вторичной цепи является система сбора данных ADuC 816, в состав которой входят датчик температуры, усилитель, коммутатор, дельта-сигма АЦП, ЦАП, микропроцессор, энергонезависимая память. Нелинейность градуировочной характеристики сенсора давления не увеличивает погрешность измерения, так как используется микропроцессор и энергонезависимая память, в которую занесены индивидуальные градуировочные функции преобразования. Наличие температурного датчика внутри кристалла ADuC 816 позволяет осуществлять температурную компенсацию погрешности измерения давления, а использование в одной микросборке практически всех элементов вторичной цепи позволяет не только снизить массогабаритные размеры, но и повысить точность измерения за счет уменьшения паразитных параметров.
Полученные технически характеристики разрабатываемого датчика:
Диапазон измерения давления, Па 10-2 - 10
Предел допускаемой погрешности измерения давления, % не более, ± 5,0
Объем энергонезависимой памяти, Кбайт 12 8
Информация о процессе измерения через интерфейс RS-232 передается в специальный регистратор либо в ПЭВМ.
К преимуществам разрабатываемого датчика следует отнести наличие миниатюрного цифрового индикатора, вмонтированного в кабельную перемычку, что позволяет наблюдать за процессом измерения давления в месте расположения датчика.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панфилов Д.И., Иванов В.С. Датчики фирмы Motorola. - М.: «Додэка», 2000. - 96 с., ил.
2. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1982. - 207 с., ил.
3. Фролов Е.С., Минайчев В.Е. Вакуумная техника. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с., ил.
4. Vacuum & Pressure Catalogue. - BOC Edwards, 2004. - 610 p.
5. www.ilmvac.com - Professional Vacuum Technology.
6. www.televac.com - Vacuum measuring and control including Vacuum Instrumentation and Vacuum Sensors.
