Авиационные приборы и системы (стр. 23 )

Емкостный датчик давления

Емкостный датчик давления отличается вторичным преобразователем, который представляет собой воздушный конденсатор, одна из пластин которого неподвижна, а вторая перемещается под действием первичного упругого преобразователя.

Принцип действия емкостного преобразователя перемещения в напряжение основан на изменении емкости конденсатора при изменении взаимного положения электродов.

. (4.17)

Емкость плоского конденсатора равна (в фарадах)

, (4.18)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды (воздуха) между пластинами конденсатора в фарад/см; δ – расстояние между пластинами в см; ε = εо· ε', где εо·= 8,86·10-4 фарада/см – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; ε' – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Из формулы (4.18) видно, что изменения величины емкости можно достичь путем изменения одной из величин ε, S и δ. В малогабаритных, высокоточных авиационных датчиках давления чаще всего изменяется расстояние между пластинами.

Рис. 4.19. Емкостный преобразователь: 1 – кварцевые диафрагмы; 2 – пластины конденсаторов; 3 – металлическое покрытие

К особенностям емкостного преобразователя относятся: простота конструкции, высокие динамические характеристики. В связи с этим емкостные датчики часто применяют для измерения высокочастотных процессов изменения давлений. Емкостный преобразователь необходимо защищать от паразитных емкостей и всевозможных посторонних электрических наводок, так как к ним сильно восприимчив. Такой преобразователь показан на рис. 4.19. В нем обе диафрагмы изготовлены из кварца, пластины конденсаторов напылены на внутренних сторонах диаграмм. Для исключения образования паразитных емкостей на внешние поверхности диафрагм 1 нанесены тонкопленочные металлические покрытия 3. Для еще более надежной защиты преобразователя от всевозможных помех, в том числе от загрязнения пластин и пространства между ними, кварцевые диафрагмы герметично соединяют между собой, образуя анероидную коробку. Кварцевые мембраны гарантируют стабильность размеров, минимальный гистерезис и полное отсутствие структурной усталости. Одна диафрагма является рабочей, непосредственно воспринимающей измеряемое давление, другая диафрагма выполняет роль опорной. Под действием давления рабочая диафрагма прогибается внутрь, вызывая увеличение емкости.

Для получения выходного электрического сигнала емкость подключают в схему моста или генератора датчика. При изменении давления на входе датчика изменяется емкость и на выходе образуется напряжение в виде непрерывной величины, либо в виде частоты от генератора. Частотный сигнал, пропорциональный давлению, преобразуется в цифровой сигнал, который с выходного регистра, например, выдается потребителю в двоичном параллельном или последовательном коде (иногда то и другое).

На рис. 4.20 приведена одна из возможных функциональных схем емкостного датчика давления. Примерно по такой схеме фирмой Коретт (Corrett Corp) США разработан базовый емкостный датчик давления, который в модификациях измеряет абсолютное давление (Рст) в диапазоне от 0 до 3400 мбар (2550 мм рт. ст.) и дифференциальное давление в диапазоне от 0 до 405 мбар (303,75 мм рт. ст.). Этот датчик имеет характеристики: основная погрешность ± 0,01 % от диапазона, суммарная погрешность ± 0,025 %, гистерезис по давлению не более 0,025 мм рт. ст., разрешающая способность ± 0,00019 % от диапазона, диапазон температур от – 54 до 110 оС, диапазон рабочих частот от 0 до 1500 Гц, напряжение питания 115/230 Гц, масса 0,56 кг, габаритные размеры . Этот датчик нашел широкое применение на летательных аппаратах, в том числе на стратегическом бомбардировщике В-1, истребителях F-14, крылатых ракетах и самолетах в составе вычислителей СВС.

Рис. 4.20. Функциональная схема емкостного датчика давления:

Р – давление; 1 – рабочая диафрагма; 2 – конденсатор; 3 – буферный усилитель; 4 – 20‑разрядный счетчик; 5 – эталонное тактовое устройство 375 кГц; 6 – 20‑разрядный параллельно-последовательный сдвиговый регистр; 7 – двоичный выход при параллельном действии; 8 – двоичный выход при последовательном действии

Необходимо обратить внимание на преимущества частотного выходного сигнала датчика давления как носителя информации:

1. Частотный выходной электрический сигнал обладает высокой помехозащищенностью, так как бывает достаточным сохранить отличие уровней сигналов, соответствующих "единице" и "нулю".

2. Частотный сигнал легко обрабатывается вычислителем (перевод в код) без дополнительных потерь.

3. Слабая зависимость от колебаний питающих напряжений, так как частотный сигнал не теряет свое назначение при изменении напряжения вплоть до 50 %.

4. Частотный сигнал легко измеряется, хорошо интегрируется во времени, что повышает точность. Идеальным интегратором электрических импульсов является счетчик с неограниченным временем интегрирования. Пределом измерения является емкость электрического счетчика.

5. В целом позволяет достичь высокую точность датчика давления порядка 0,01 – 0,02 % от измеряемой величины.

Вибрационно-частотный датчик давления

Вибрационно-частотный датчик давления находит широкое применение наряду с прочими датчиками для измерения статического Рст, полного Рп, и динамического давлений в составе СВС. Его особенность начинается с оригинальности вторичного преобразователя давления непосредственно в частоту. Принцип работы воздушного преобразователя основан на функциональной зависимости частоты резонансных колебаний упругого чувствительного элемента от величины измеряемого давления

. (4.19)

В качестве упругого чувствительного элемента могут быть струна, мембрана, тонкостенный цилиндр и пьезоэлементы.

Рис. 4.21. Принципиальная схема частотного струнного датчика давления: 1 – сильфон; 2 – балка с опорой; 3 – си­ла натяжения струны; 4 – струна; 5 – усилитель; 6 – емкость; 7 – катушка возбуждения колебаний струны

Вторичный преобразователь во всех трех случаях представляет колебательную систему, содержащую инерционный элемент в виде массы, способной накапливать кинетическую энергию, и элемент, способный накапливать потенциальную энергию, в качестве которого выступает упругий элемент.

На рис. 4.21 представлен датчик избыточного давления с вибрирующей струной. Струна имеет первоначальное натяжение Fо при отсутствии избыточного давления Р. При этом струна будет иметь начальную собственную частоту fо. При увеличении давления Р жесткость струны увеличивается, частота растет в соответствии с зависимостью [37]

, (4.20)

где l – длина струны в м; F – сила натяжения струны в Ньютонах; ρ – объемная плотность материала струны в кг/м3; n – номер гармоники колебаний (n =1); S – сечение струны в м2.

В вибрационно-частотных датчиках давления используется система самовозбуждения непрерывной генерации частот. Для этого используется индуктивный и емкостной преобразователи перемещения в электрический сигнал.

Рис. 4.22. Индуктивный преобразователь	Рис. 4.23. Емкостной преобразователь

Преобразователь для самовозбуждения 7 подключается к выходу усилителя. В момент подключения усилителя к питанию на струну поступает импульс в виде притяжения (отталкивания). Начинаются колебания струны на собственной частоте. Если бы не последовали следующие импульсы, то колебания затухли бы. Но вслед за первым импульсом колебания струны улавливаются преобразователем съема сигнала 6, усиливаются, нормируются, выдаются на выход датчика и одновременно на преобразователь возбуждения колебаний 7. Наступают непрерывные колебания струны, собственная частота которых примерно пропорциональна измеряемому давлению.

На рис. 4.24 представлена принципиальная схема частотного мембранного датчика абсолютного давления (Рст). Особенностью этого датчика является то, что вторичным преобразователем являются два пьезоэлемента – элемент возбуждения 1 и элемент восприятия сигналов 2.

Рис. 4.24. Принципиальная схема частотного мембранного датчика давления

В основе работы таких элементов лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения в механическое напряжение в теле мембраны (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах 2, возникающих в результате деформаций вибратора-мембраны под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) [38]. Мембрана и корпус изготовлены из одного материала – кварца. Элемент 1 получает импульсы от усилителя и раскачивает мембрану 1. Элемент 2 воспринимает эти колебания, вырабатывает сигнал, пропорциональный собственной частоте мембраны: