ЕМКОСТНЫЙ СИЛЬФОННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01L7/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к датчикам давления, и может быть использовано для измерения давлений ниже атмосферного с повышенной точностью.

В настоящее время для измерения давлений используют емкостные датчики давления или, как их называют, деформационные вакуумметры. Основное достоинство деформационных вакуумметров - универсальность, т.е. они пригодны для измерения давления любых газов и паров, т.к. они измеряют давление как силу, действующую со стороны газовой среды на единицу поверхности стенки, и не имеют нагретых элементов.

Известно устройство емкостного датчика давления [1], в котором размещены соосно мембрана, расположенный с зазором параллельный ей дисковый электрод и термокомпенсационная втулка со сквозным осевым каналом, в котором размещен с возможностью перемещения шток электрода.

Наличие узла термокомпенсационной втулки позволяет уменьшить путем термокомпенсации ошибку измерения давления, связанную с температурой. Вклад этой ошибки доведен до 0,01% на 1°С.

Недостатком известного устройства является отсутствие конечной аналитической формулы связи между давлением и измеряемой частотой, т.е. функции преобразования частота-давление. Поэтому датчик давления не может обойтись без градуировки сличением, и его точность задается манометром-эталоном и дискретностью градуировки.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой конструкции следует считать сильфонный датчик давления [2]. Устранение недостатков аналога [1] здесь достигается за счет того, что вместо гофрированной мембраны используется сильфон с плоским дном. Такая форма упругого элемента позволяет получить аналитическую функцию преобразования частота-давление, которая имеет следующий вид:

где

a=4π²(k/S₀)εLS;

p - разность давлений в объемах под и над подвижным электродом;

ƒ₀ - нулевая частота при p=0;

ƒ - измеряемая частота;

h₀ - расстояние между электродами измерительного конденсатора при р=0;

ψ - безразмерная функция, учитывающая краевую емкость датчика;

a, b - параметры, которые являются постоянными прибора;

R - радиус неподвижного электрода измерительного конденсатора;

k - механическая жесткость сильфона;

S₀ - эффективная площадь сильфона;

ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума;

L - индуктивность, которая вместе с емкостью датчика образует колебательный контур LC-генератора;

С_р - паразитная емкость;

S - площадь электрода измерительного конденсатора.

Зная параметры а и b функции преобразования (1), можно непосредственно по частоте ƒ LC-генератора определить давление, не прибегая к процедуре градуировки сличением. Следствием такой конструкции датчика является его высокая разрешающая способность, т.к. точность измерения частоты стандартными средствами весьма высока, и относительная ошибка при измерении частоты составляет примерно 10^-5%.

Функция преобразования корректно работает при следующих условиях:

а) малость деформации сильфона;

б) возможность пренебречь электрическим притяжением между электродами измерительного конденсатора датчика;

в) параллельность электродов измерительного конденсатора датчика.

Недостатком устройства [2] является то, что из условий, указанных выше, условие в) не соблюдено достаточно строго в конструкции датчика. Это обусловлено тем, что при настройке датчика невозможно обеспечить достаточную параллельность электродов относительно друг друга из-за неравномерной усадки припоя при его затвердевании и малостью зазора между трубчатым штоком неподвижного электрода и втулкой термокомпенсатора в месте их сопряжения при их взаимной фиксации пайкой. И поэтому, несмотря на наличие втулки термокомпенсации, обеспечивающей термокомпенсацию дрейфа нулевой частоты ƒ₀, точность измерения давления с использованием функции преобразования невысока. Типичное значение угла клиновости между электродами, примерно равное 2·10^-3 радиан, приводит к тому, что соответствующая составляющая относительной погрешности определения давления достигает значения 15% вблизи верхнего предела измерений.

Недостатком устройств [1, 2] является также низкая прочность и надежность паяного шва в месте взаимной фиксации трубчатого штока неподвижного электрода и термокомпенсационной втулки.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает установку электродов параллельно друг другу с углом клиновости не более 3·10^-6 радиан. Это позволяет исключить составляющую относительной погрешности определения давления, связанную с непараллельностью электродов.

Параллельность электродов достигается тем, что в сильфонном датчике давления в месте крепления штока неподвижного электрода к втулке термокомпенсатора добавлено кольцо, которое должно обладать следующими свойствами:

- поверхности кольца и втулки, кольца и штока должны быть хорошо сопряжены, образуя, по возможности, малый, однородный зазор;

- поверхность кольца должна смачиваться припоем так же, как поверхность штока и втулки;

- кольцо должно иметь высокую теплопроводность и высокую температуропроводность в процессе кристаллизации припоя.

Параллельность электродов достигается также тем, что между штоком неподвижного электрода и термокомпесационной втулкой устанавливается зазор достаточно большой. Таким образом, один толстый паяный шов в месте крепления штока к втулке заменяется двумя тонкими паяными швами и кольцом между ними.

Процесс затвердевания припоя в узле крепления неподвижного электрода во втулке термокомпенсатора при наличии кольца определяется конструкцией этого фиксационного узла. В этом процессе сначала идет кристаллизация слоя припоя в области контакта кольца и втулки, которая отводит тепло в атмосферу как своеобразный радиатор. Высокая тепло- и температуропроводность кольца обеспечивает движение фронта кристаллизации от поверхности втулки к поверхности кольца. При этом слой припоя между втулкой и кольцом весьма тонок, т.к. его толщина определяется капиллярными силами и силами поверхностного натяжения расплавленного припоя. Поэтому усадка припоя происходит значительно более равномерно, чем в фиксационном узле прототипа.

Дальнейшая кристаллизация припоя происходит в зазоре между кольцом и штоком. Толщина этого слоя припоя также мала и, соответственно, мала усадка при его кристаллизации. Возможная неоднородность в усадке из-за различия в скорости движения фронта кристаллизации припоя между штоком и кольцом в направлении от втулки приведет только к смещению штока электрода перпендикулярно его оси и, соответственно, к незначительному сдвигу плоских электродов измерительного конденсатора, что обеспечивается наличием зазора между штоком и втулкой. Таким образом, наличие кольца в фиксационном узле устраняет причины, вызывающие поворот неподвижного электрода из-за неравномерности усадки припоя при его затвердевании и приводящие к клиновости зазора между электродами.

Увеличение прочности и надежности взаимной фиксации втулки и штока неподвижного электрода достигается тем, что уменьшается в десятки раз толщина слоя припоя в паяном шве и во много раз увеличивается площадь паяного шва.

На фиг.1 приведен общий вид емкостного датчика давления. На фиг.2 приведено предлагаемое техническое решение узла взаимной фиксации электрода и втулки.

Емкостный датчик давления состоит из корпуса 1, сильфона 2, ограничителей осевой деформации 3 и 5, подвижного электрода 4, неподвижного электрода 6, пластины изолятора 7, втулки термокомпенсатора 8, электрического ввода 9, контактного кольца 10.

Емкостный датчик работает следующим образом. Для измерения давления рабочая среда подается в полость датчика с одной стороны подвижного электрода 4 (на фиг.1 показано «+»), а с другой стороны создается вакуум. Под действием измеряемого давления сильфон 2 растягивается и величина зазора между электродами 4 и 6 изменяется. Так как электроды 4 и 6 образуют конденсатор, включенный в колебательный контур LC-генератора, то в результате движения электрода 4 происходит изменение частоты генератора. Таким образом, частота LC-генератора определяется величиной измеряемого давления.

При условии, что электроды 4 и 6 параллельны друг другу, для определения давлений по измеряемой частоте используется аналитическая функция преобразования «частота-давление» [2].

Параллельность электродов 4 и 6 обеспечивается при настройке датчика по методике аналога [1]. В исходном состоянии датчик устанавливается вертикально так, чтобы неподвижный электрод 6 и плоское дно сильфона 4 располагались вверху. Затем в измерительную полость датчика «+» подается избыточное давление газа. Под действием перепада давления сильфон 2 деформируется и его плоское дно 4 поджимает электрод 6. Если припой в месте крепления электрода 6 с втулкой 8 расплавлен, то сильфон 2 поднимает электрод 6 на необходимую высоту.

Благодаря наличию кольца 10 и зазору между штоком и втулкой усадка припоя при его затвердевании не приводит к образованию клиновости в положении электродов друг относительно друга. После затвердевания припоя избыточное давление под сильфоном сбрасывается и между электродами устанавливается зазор нужной величины.

Для реализации предложенного устройства было использовано кольцо 10 из меди. Настройка прибора производилась по методике [1]. При росте перепада давления по достижении емкости измерительного конденсатора С более 20 мкФ происходило замыкание электродов конденсатора. Угол клиновости α можно при этом оценить по следующей формуле, полученной без учета краевого эффекта в геометрии датчика, когда R много больше h:

Оценка показывает, что α менее 3·10^-6 радиан. При этом вклад в погрешность определения давления, обусловленный непараллельностью электродов, составляет не более 3·10^-5%, что не менее чем в 5·10⁵ раз меньше, чем для прототипа.

Литература

1. В.И.Лукин, Б.А.Ивакин, И.А.Королев, С.Н.Сыромятников и А.Г.Флягин. Емкостной датчик давления. А.С. №1592746, БИ, №34, 1990.

2. Королев И.А., Алексеенко Н.Н., Породнов Б.Т., Сапунов В.А., Савельев Д.В. Цифровой деформационный вакуумметр с LC-генератором. Измерительная техника, №9, с.38, 2003 г.

Предложенное изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к датчикам давления, и может быть использовано для измерения давлений ниже атмосферного с повышенной точностью. Предлагаемое техническое решение обеспечивает установку электродов параллельно друг другу с углом клиновости не более 3·10^-6 радиан. Это позволяет исключить составляющую относительной погрешности определения давления, связанную с непараллельностью электродов. Предложенный емкостный датчик давления содержит корпус, в котором размещены соосно сильфон, установленный на его торце подвижный электрод, расположенный с зазором от него дисковый неподвижный электрод и термокомпенсационная втулка, при этом термокомпенсационная втулка механически сопряжена со штоком неподвижного электрода. В узле крепления термокомпенсационной втулки со штоком неподвижного электрода впаяно аксиально с указанным штоком цилиндрическое кольцо с высокой тепло- и температуропроводностью, при этом данное кольцо установлено так, что между втулкой и кольцом, а также между штоком и кольцом образовано по зазору, заполненному слоем припоя, толщина каждого из которых мала по отношению к величине зазора между штоком и втулкой. 2 ил.

Емкостный датчик давления, содержащий корпус, в котором размещены соосно сильфон, установленный на его торце подвижный электрод, расположенный с зазором от него дисковый неподвижный электрод и термокомпенсационная втулка, при этом термокомпенсационная втулка механически сопряжена со штоком неподвижного электрода, отличающийся тем, что в узле крепления термокомпенсационной втулки со штоком неподвижного электрода впаяно аксиально с указанным штоком цилиндрическое кольцо с высокой тепло- и температуропроводностью, при этом данное кольцо установлено так, что между втулкой и кольцом, а также между штоком и кольцом образовано по зазору, заполненному слоем припоя, толщина каждого из которых мала по отношению к величине зазора между штоком и втулкой.