научная статья по теме МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМАХ Энергетика

Текст научной статьи на тему «МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМАХ»

ЛИТЕРАТУРА

1. Будько Н, Зайцев А., Карпачев А. и др. Космическая среда вокруг нас. — Троицк: Тровант, 2006. — 232 с.

2. March 1989 geomagnetic storm. <http:// en.wikipedia.org/wiki/March_1989_ geomagnetic_storm>

3. Boteler D. H. Assessment of Geomagnetic Hazard to Power Systems in Canada // Natural Hazards. — 2001. — N 23. — Р. 101—120.

4. Мизун Ю. Г. Магнитные бури и здоровье человека // НПЦ "Экология и здоровье". — 1994. — 172 с.

5. Бреус Т. К, Рапопорт С. И, Гамбур-цев А. Г. Особенности спектрально-временной структуры количества вызовов скорой помощи в Москве по поводу различных заболева-

ний и уличных происшествий. Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Циклическая динамика в природе и обществе. — М.: Научный мир, 1998. — С. 323—334.

6. Mayaud P. N. Derivation, meaning and use of geomagnetic indices // AGU Geophysical Monograph 22. — 1980.

7. A. c. № 593170 СССР. Магнитодина-мический магнитометр / Ю. А. Бурцев, Б. А. Белов // Бюл. — 1978. — № 6.

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В.Пушкова (г. Троицк МО).

Юрий Александрович Бурцев — канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник, ® 8 916-656-54-96 E-mail: burtsev05@mail.ru Владимир Дмитриевич Кузнецов — д-р физ.-мат. наук, директор, ® (496) 751-01-20 E-mail: kvd@izmiran.ru Валерий Григорьевич Петров — канд. техн. наук, зам. директора, ® (496) 751-09-21 E-mail: vpetrov@izmiran.ru Александр Сергеевич Амиантов — вед. инженер,

® (496) 751-02-93

E-mail: amiantov@izmiran.ru □

УДК 681.586.326

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМАХ

Д. В. Гусев, Н. Л. Данилова, В. В. Панков, В. С. Суханов

Рассмотрены конструкции микроэлектронных преобразователей давления, выполненных на базе кремниевых структур. Приведена конструкция, обеспечивающая защиту микроэлектронного преобразователя от воздействия окружающей среды, а также варианты использования в системах теплоавтоматики.

Ключевые слова: чувствительный элемент давления, датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления, теплоавтоматика, контроллер.

Одним из параметров, контролируемых в системах тепло-автоматики, является давление. Измерение давления применяется для сред энергоносителей, например таких, как прямая и обратная ветки в контуре теплоснабжения, давление или перепад давлений воздуха в контуре приточной вентиляции и воздушного обогрева и кондиционирования.

Применение средств автоматизации в системах теплоавто-матики вызывает необходимость применения датчиков физических величин с электрическим выходом, который может быть подключен к измерительной

системе для преобразования в цифровой вид и дальнейшей передачи информации пользователю.

Преобразователи абсолютного давления — тензомодули серии ТДМ-А и ТДМ1-А, а так-

же преобразователи дифференциального давления ТДМ-Д (рис. 1) для неагрессивных газовых сред на базе кристаллов интегральных преобразователей давления (ИПД) мембранного типа выпускаются в соответст-

Рис. 1. Тензомодуль избыточного давления ТДМ-Д

вии с ГОСТ 22520. Тензомодули серии ТДМ-А выпускаются на ряд давлений с пределами измерений от 0 до 0,01...10 МПа, серии ТДМ-Д — на ряд давлений от 0 до 1,0 МПа. На кристалле ИПД сформирована тензометрическая схема в виде моста Уитстона и схема температурной компенсации. В соответствии с указанными диапазонами давлений применяется три типа кристаллов: ИПД5.2, ИПД6 и ИПД9.1, отличающихся размером кристалла и геометрией мембраны.

Каждый преобразователь имеет индивидуальную характеристику преобразования давления в выходное напряжение. Выходной сигнал ивых при поданном на тензомодуль давлении р вычисляется по формуле

^вых ивыхп

+

А и„.

р,

где ивых — выходное напряжение при избыточном давлении р = 0, мВ; рном — верхний предел преобразуемого давления, МПа; А ивых — диа-

выхном

пазон изменения выходного напряжения при номинальном давлении (р = рном), мВ; ивых — выходное напряжение при номинальном давлении

(р = рнОМ), мВ; А ивыхном = ивыхном - ^Ь^ .

Основные параметры тензомодулей приведены в таблице.

Основные параметры тензомодулей давления

Наименование параметра, обозначение, единица измерения, режим измерения Диапазон изменения параметра Температура среды, °С

не менее не более

Ток потребления, 1поТ, мА — 1,5 -45...+85

Выходное напряжение, Цд, мВ, при р = 0 -6 6

Диапазон изменения выходного напряжения, а Цвых , мВ 40 150 20 ± 10

Нелинейность выходной характеристики, 2Кн, %

Температурный коэффициент дрейфа Ц0, ТКН, %/10 °С

Температурный коэффициент диапазона изменения выходного напряжения а ЦвыХнои , ТКД, %/10 °С -0,2 0,2 -45...+85

Температурный гистерезис "нуля", Гтн, %

Температурный гистерезис диапазона изменения выходного напряжения, Гтд, %

Рис. 2. Конструкции тензомодулей абсолютного давления серии ТДМ-А (а) и серии ТДМ1-А (б):

1 — кристалл ИПД; 2 — кремниевая прокладка; 3 — стеклянное основание; 4 — вакуумированная полость; 5 — основание корпуса; 6 — крышка; 7 — ключ; 8 — штуцер крышки; 9 — компаунд "СИЭЛ"

Конструкции тензомодулей абсолютного давления серии ТДМ-А приведены на рис. 2, а. Кристалл ИПД монтируется в корпус 5 в составе чувствительного элемента давления (ЧЭД), который состоит из кристалла ИПД 1 и кремниевой прокладки 2 и стеклянного основания 3, соединенных в вакууме легкоплавким стеклом, при этом под мембраной ИПД образуется вакуумированная полость 4.

Тензомодули серии ТДМ1-А предназначены для контроля абсолютного давления газовых сред с повышенной влажностью. Чтобы обеспечить работу тензомодуля при повышенной влажности, применена заливка компаундом "СИЭЛ" (см. рис. 2, б). Для тензомодулей ТДМ1-А величина номинального давления не более 0,25 МПа; по остальным параметрам тензомодули ТДМ1-А аналогичны тензомодулям серии ТДМ-А.

Для защиты конструкции микроэлектронного преобразователя от воздействия окружающей среды и расширения диапазона преобразования давления в отличие от ТДМ1-А создана новая конструкция чувствительного элемента абсолютного давления ЧЭДА-1 (рис. 3, а) и соответственно новая конструкция тензопреобразователя ТДМ203 (рис. 3, б). Конструкция ЧЭДА-1 состоит из четырех частей: кристалла ИПД 1, кремниевой прокладки 2, кремниевого основания 3 и кристалла-крышки 4. Соотношение размеров внутренних полостей в соединяемых деталях выбрано таким

ном

х

ном

образом, чтобы обеспечить механическую развязку ИПД от корпуса преобразователя [1]. Кристалл ИПД имеет квадратную форму с размерами 6,2 х 6,2 мм, в кристалле сформирована тонкая мембрана с жестким центром, на которую подается измеряемое давление. С лицевой стороны кристалла ИПД расположены четыре тензоре-зистора 9. Над лицевой поверхностью ИПД расположена крышка, в которой анизотропным травлением сформировано углубление. Крышка по периметру герметично соединяется с ИПД при помощи легкоплавкого стекла. Процесс соединения деталей происходит в вакууме. При этом под крышкой создается вакуумная полость 5, относительно которой происходит измерение давления. В кристалле ИПД соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью переходных высоколегированных областей р+-типа проводимости [2] за пределами зоны соединения кристалла ИПД с защитной крышкой, что обеспечивает надежность созданной конструкции.

Из рис. 3, б, видно, что такая конструкция ЧЭД позволяет полностью изолировать электрическую схему кристалла от воздействия внешней среды благодаря крышке корпуса 7. Давление измеряемой среды подается со стороны основания корпуса через трубку 8. При этом измеряемая среда воздействует на кремний и соединительное стекло, что позволяет контролировать давление как газообразных, так и жидких сред.

Рис. 3. Конструкция чувствительного элемента давления ЧЭДА-1 (а) и тензомодуля абсолютного давления, защищенного от воздействия окружающей среды (б):

I — кристалл ИПД; 2 — кремниевая прокладка; 3 — кремниевое основание; 4 — защитная крышка; 5 — вакуумированная полость; 6 — основание корпуса; 7 — крышка корпуса; 8 — трубка; 9 — тензорезисторы; 10 — герметичное соединение;

II — внутренняя полость тензопреобразователя

Рис. 4. Пример применения датчиков давления в системе приточной вентиляции:

Ж1 — жалюзи; К1 — клапан запорно-регулирующий; К2 — калорифер; КЗ — контроллер КМ-010; М1 — привод жалюзи; М2 — привод запорно-регулирующего клапана теплоносителя; МЗ — двигатель вентилятора; Р1, Р2 — датчики давления в прямой и обратной ветках теплоносителя; РЗ — датчик перепада давлений на вентиляторе; Т1, Т2, ТЗ, Т4 — датчики температуры внешнего воздуха; теплоносителя на входе калорифера; теплоносителя на выходе калорифера; нагретого воздуха соответственно; Ч1 — частотный преобразователь

Данная конструкция защищенного малогабаритного тензомодуля показала метрологические характеристики, идентичные серийно выпускаемым тензомодулям ТДМ-А и ТДМ1-А. Интегральная технология изготовления кристалла тензо-чувствительного преобразователя давления, технологичность сборки тензомодуля, защита его от внешних воздействующих факторов обеспечивают его низкую себестоимость и расширяют функциональные возможности применения в различных областях техники.

Пример использования датчиков давления в системе приточной вентиляции показан на рис. 4. В системе применены три датчика: один измеряет разницу давлений в канале подачи воздуха, что позволяет получать информацию о производительности вентилятора и о динамическом сопротивлении канала, которое зависит от объема помещений и степени их герметизации. Два других датчика установлены на прямой и обратной ветках контура обогрева, используемого в калорифере для подогрева входящего воздуха.

Обработка данных от датчиков производится контроллером КМ-010 [3].

Применение преобразователей давления серии ТДМ позволяет эффективно производить мониторинг процесса подготовки воздуха для жилых и промышленных зданий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. РФ № 2169912, МПК G01L9/04. Микроэлектронный датчик давления / В. Н. Зимин, А. В. Ковалев, В. В. Па

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»