CC BY
192
УДК 681.586
Коновалов Р.С., Львов А.А.
ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарёва, Саратовская обл., Энгельс-19, Россия
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
Развитие авиационной техники является одной из приоритетных задач любого государства. Неотъемлемой составной частью всех авиационных транспортных средств являются датчики давления, температуры и перемещения. Наиболее востребованными в авиационной технике являются датчики давления (далее ДД) для топливных и гидравлических систем. Одной из задач, с которыми сталкиваются разработчики при проектировании датчиковой аппаратуры, является сохранение работоспособности и заданных технических характеристик при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды (таблица 1), возникающих при эксплуатации ДД.
Таблица 1 - Основные воздействующие факторы
Воздействующий фактор Характеристика воздействующего фактора Значение воздействующего фактора
Пониженная температура окружающей среды Рабочая, °С Минус 55
Предельная, °С Минус 65
Повышенная температура окружающей среды Рабочая, °С 125
Предельная, °С 200
Акустический шум Диапазон частот, Гц 10000
Уровень звукового давления, дБ 150
Случайная широкополосная вибрация Диапазон частот, Гц 500-2000
Спектральная плотность виброускорения, g 2/Гц 0,025
При воздействии указанных в таблице 1 факторов ДД должны преобразовывать давление измеряемой агрессивной среды в аналоговый или цифровой выходной сигнал. При этом предел основной погрешности измерения ДД по требованиям разработчиков перспективных объектов авиационной техники снижается с каждым годом и в настоящее время составляет не более 0,15% от верхнего предела измерения (ВПИ).
Разработка соответствующих указанным требованиям ДД, применяемым в силовых установках, гидравлических и топливных системах нового поколения, требует нового подхода к проектированию датчико-вой аппаратуры.
В настоящее время реализовано множество типов ДД, в которых использованы различные принципы преобразования абсолютного и избыточного давления измеряемой среды (пьезорезистивный, пьезоэлектрический, ёмкостной, резонансный и др.) в выходной сигнал.
Пьезорезистивный метод [1] преобразования давления относится к наиболее перспективным методам, позволяющим создать серийно выпускаемые ДД для авиационной техники, удовлетворяющие заложенным техническим требованиям.
Использование в конструкции ДД пьезорезистивных преобразователей с сформированными пьезорезисторами, включенными по схеме моста Уитстона, которые изолированы с помощью p-n-переходов, ограничивает применение данного типа ДД на высоких температурах. Граница верхнего предела температуры для кремниевых преобразователей составляет +125°С. Такое ограничение вызвано шириной запрещенной зоны материала. Для достижения работоспособности ДД с сохранением заданных характеристик на расширенном диапазоне температур до +200°С требуется разработка нового конструктивного исполнения пьезорезистивного преобразователя. В процессе проведения опытно-конструкторской работы, проведенной на базе предприятия ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, был разработан ДД (Рисунок 1) с применением пьзорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния. Технические характеристики разработанного ДД приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Технические характеристики ДД с применением пьезорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния
Наименование параметра Значение
Диапазон измерения давления, кгс/см2. От 0,3 до 45
Перегрузочное давление, кгс/см2 абс. 1,5 Рном.
Рабочая температура, °С От минус 60 до +200 включ.
Погрешность измерения в рабочем диапазоне от верхнего предела диапазона измерения давления (при всех условиях эксплуатации), %, не более: ±0.5
Выходной сигнал, мВ От 100 до 120
Напряжение питания постоянного тока, мА 4 ±0,2
Вибрация в диапазоне частот от 10...2000Гц 10g
Достижение работоспособности ДД в расширенном температурном диапазоне достигнуто за счет осуществления изоляции тензорезисторов с использованием диэлектрических слоев [3], а не традиционных р-л-переходов.
Рис.1. Конструкция датчика давления с применением пьезорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния
Конструктивно датчик выполнен в виде моноблока и состоит из интегрального преобразователя (ИП) абсолютного или избыточного давления (3) в зависимости от исполнения, штуцера для монтажа на объект (4), электрического соединителя типа СНЦ (7), защитного кожуха (8), разделительной мембраны (1), трубки для заполнения разделительной жидкостью (5), металлостеклянного корпуса (б) и кремнийорганической жидкости (2).
Интегральный преобразователь (3) выполнен из кремниевого упругого элемента с образованными на нем кремниевых пьезорезистивных структур на диэлектрической изоляции (SiO2) [3] . Пьезорезисторы сформированы в виде моста Уитстона - электрическая цепь, используемая для измерения сопротивления (рис. 2).
Рис. 2. Мостовая схема Уитстона
Выходной сигнал (Цвых) по схеме Уитстона определяется по формуле: R1R3 - R2R4
U - E
и вых ~ ^ПИТ
(R1 + R4)(R2 +
(1)
Из формулы (1) видно, что если все сопротивления в мосту равны, то при подаче питания имеем на выходе нулевой сигнал. Однако на практике сопротивления резисторов лишь относительно равны друг другу, существует малое отклонение от номинального значения. Из-за этого на выходе возникает неприемлемый сигнал, вызванный разбросом сопротивлений, который называется начальным разбалансом моста. Монтаж ИП осуществляется к металлостеклянному корпусу через компенсирующую подложку из стекла (Pyrex) для уменьшения влияния напряжений на ИП, возникающих в конструкции датчика от внешних воздействующих факторов (ВВФ). Металлостеклянный корпус (6) изготовлен из коррозионностойкой стали, по по температурному коэффициенту линейного расширения приближенной к стеклу. В корпусе с помощью металлостеклянного спая вакуумноплотно вмонтированы электро-выводы для соединения ИП с электрическим соединителем (7).
Для защиты ИП от воздействия агрессивной среды к корпусу (6) методом лазерной сварки приварена мембрана из коррозионностойкой стали.
Геометрические размеры мембраны и её ход при изменении измеряемого давления определяются по формулам (2,3) .
W - Ар ■ Рном ■ R4/ (E ■ к3) , (2)
где WM - ход мембраны, мм; RH - наружный радиус мембраны, мм; Го - радиус жёсткого центра, мм; Е = 1820000 кгс/см2 - модуль упругости; Рис,м - номинальное давление, кгс/см2; h - толщина мембраны,
мм.
Ар - 3(l)(k4 -4k2 lnk-1)/ (l6k4), k -RH / rH (3)
где ц - коэффициент Пуассона.
В качестве передаточного звена от измеряемой среды к ИП выбрана полиметилсилоксановая жидкость (ПМС) 20р, коэффициент её температурного расширения приблизительно равен с температурным коэффициентом расширения корпуса. ПМС широко используется технике, благодаря высокой теплопроводности и химической инертности. Заполнение разделительной жидкостью ПМС производилось в высоком вакууме (1х10-4 мм.рт.ст.) через впаянную в корпус (6) стальную трубку (5) . Предварительно перед заполнением жидкость ПМС необходимо дегазировать при температуре +60°С в течении 2 часов.
Разработанная конструкция датчика благодаря наличию диэлектрических слоев в интегральном пьезопреобразователе обеспечивает работоспособность ДД в расширенном диапазоне рабочих температур (от минус 600С до +2000С) , смещенном в сторону высоких температур, относительно температурного диапазона традиционных ДД[7]. Другой особенностью датчика является наличие встроенной температурной компенсации чувствительности в ИП при питании от генератора тока [6].
Изготовленные опытные датчики абсолютного давления подтвердили заявленные характеристики при основных ВВФ на конструкторских испытаниях, проведенных на базе предприятия ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А. И. Глухарёва.
Таблица 3- Перечень оборудования используемого при проведении испытаний.
Наименование приборов (оборудования) Тип или обозначение Диапазон измерения Класс точности, погрешность
Вольтметр Agilent 34970F 0-30 В 0,005% от ИВ
Задатчик давления Mensor CPC 6000 0 - 51 бар 0.01% от ВПИ
Источник питания постоянного тока NI - 4110 0-100В 0-2А 0,15% от ИВ
Камера тепла-холода ESPEC SU-261 от -60 до +150 ±1°С
Расчёт отклонения от индивидуальной линейности был проведен на основании соотношения[4]:
Usr -Un х100% , (4)
U - U
umax u0
Usr = (Upr + Uobr) / 2
Un = Uo + n ■ (Umax - U(
где USr - среднее значение выходного сигнала; Umax , Uo - соответственно верхний и нижний пределы измерений выходного сигнала; Un - линейная расчетная характеристика.
Следующий этап разработки ДД с применением ИП заключается в применение усилительных и корректирующих электрических схем для создания интеллектуального ДД на расширенный температурный диапазон. Наиболее подходящей схемой для реализации поставленной задачи является применения формирователя сигнала параметрических датчиков [4].
Малогабаритные ДД нового поколения разработанные в ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева и изготовленные с использованием материалов, элементов и комплектующих только отечественного производства, со встроенной термокомпенсацией на всем заявленном диапазоне температур от минус 600С до +2000С, позволят провести модернизацию имеющихся и разработать новое поколение систем измерения, контроля, управления и диагностики новейших образцов воздушной техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аш Ж и соавторы. Датчики измерительных систем: В2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992.-480 с., ил.
2. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник, москва: техносфера, 20б.-592с.
3. В.А. Гридчин, В.М. Любимский. Тензопреобразователь давления.-Патент РФ №2329480 от 20.07.08г.
4. А.А. Львов, В.А. Пыльский. Линейная петлевая схема точной обработки сигналов датчиков. Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2004. - №2 (3). - С. 102-113.
5. Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. ГОСТ 22520-85.
6. Волков В.С., Баринов И.Н., Дарвин В.Ю. Температурная компенсация чувствительности высокотемпературного полупроводникового датчика давления. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 13-14.
7. Волков В. С. Снижение температурной зависимости начального выходного сигнала высокотемпературного полупроводникового датчика давления на структуре «Поликремний - диэлектрик». Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 75-77.
(5)
)/5 (6)
