ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01L9/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.

Уровень техники

Известны преобразователи давления, содержащие корпус с мембраной и расположенным в нем чувствительным пьезоэлементом (Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под ред. Е.П.Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.).

Недостатком датчика является большая погрешность измерений при измерении медленно изменяющихся давлений.

Известны измерительные преобразователи давления, использующие в качестве промежуточного чувствительного элемента плоские мембраны, которые под действием измеряемого давления подвергаются деформации. Эта деформация преобразуется в электрический сигнал либо с помощью тензорезисторов, наклеиваемых на поверхности мембраны, либо с помощью датчиков перемещения центра мембраны, среди которых обычно применяют индуктивные или конденсаторные датчики (Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006, 588 с.).

Недостатком указанных преобразователей является низкая чувствительность, т.к. в пределах упругой деформации этой мембраны перемещение центра лежит в пределах ее толщины, не превышающий обычно 1 мм.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является преобразователь давления, содержащий чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и в качестве датчика перемещения конденсатор переменной емкости. При этом конденсатор переменой емкости образован двумя плоскими электродами, жестко закрепленными на поверхности мембраны в диаметрально противоположных точках на расстоянии 0,5-0,6 радиуса от ее центра, а плоскости электродов перпендикулярны к плоскости мембраны. Кроме того, в известном преобразователе предусмотрена установка дополнительного неподвижного электрода, закрепленного в центре мембраны на изоляторе и установленного между подвижными электродами (А.с. №669237. Бюл. №23, опубликовано 25.06.79).

Недостатком указанного преобразователя давления является обратно пропорциональная зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления, т.к. с увеличением давления расстояние между подвижными пластинами конденсаторного датчика перемещения возрастает и его емкость уменьшается. Кроме того, подвижные электроды конденсаторного датчика перемещения, закрепленные на мембране, являются механической колебательной системой и под действием пульсаций измеряемого давления могут совершать колебания, искажающие результаты измерений. Так же в известном устройстве предусматривается крепление дополнительного неподвижного электрода конденсаторного датчика перемещения с помощью изолятора в центре мембраны, что влияет на ее свойства как упругого элемента и технически трудно осуществимо.

Раскрытие изобретения.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого измерительного преобразователя давления, сводится к устранению обратно пропорциональной зависимости емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления; искажений результатов измерений, вызванных механическими колебаниями электродов конденсаторного датчика перемещения; влияния на упругие свойства плоской круглой мембраны крепления неподвижного электрода в ее центре.

Технический результат достигается с помощью измерительного преобразователя давления, содержащего помещенные в кожух чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и конденсаторный датчик перемещения, образованный подвижными плоскими электродами, закрепленными на стойках и установленными перпендикулярно на поверхности плоской круглой мембраны на расстоянии 0,5-0,6 от ее радиуса в диаметрально противоположных точках относительно центра плоской круглой мембраны, и неподвижным плоским электродом, расположенным между подвижными плоскими электродами, при этом неподвижный плоский электрод конденсаторного датчика перемещения закреплен через изоляционную втулку в центре дна кожуха, закрывающего конденсаторный датчик перемещения, при этом полость кожуха заполнена диэлектрической жидкостью. Плоскости подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода, установленного под прямым углом к плоскости плоской круглой мембраны, при этом угол не должен превышать максимальный угол наклона стоек при ее деформации, и каждый из подвижных плоских электродов жестко с помощью держателей закреплен на соответствующей стойке, установленной относительно своего подвижного плоского электрода в диаметрально противоположном направлении относительно центра круглой плоской мембраны.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано сечение измерительного преобразователя давления, в ненагруженном состоянии, т.е. при давлении P=0.

На фиг.2 показано сечение измерительного преобразователя давления, в нагруженном состоянии, т.е. при максимальном значении P.

Осуществление изобретения

Измерительный преобразователь давления, состоящий из плоской круглой мембраны 1, жестко защемленной по периметру или выполненной за одно целое с корпусом (на фиг.1 и 2 не обозначен). На стойках 2, закрепленных перпендикулярно к плоскости плоской круглой мембраны 1 и расположенных в диаметрально противоположных точках плоской круглой мембраны 1 на расстоянии 0,5-0,6 радиуса от ее центра, жестко закреплены с помощью держателей 3 подвижные плоские электроды 4. Плоская круглая мембрана 1 закрыта кожухом 5, в центре дна которого вмонтирован через изоляционную втулку 6 неподвижный плоский электрод 7. Полость кожуха 5 заполнена диэлектрической жидкостью 8.

При этом количество диэлектрической жидкости 8 должно обеспечить полное погружение в нее подвижных плоских электродов 4 и неподвижного плоского электрода 7.

Измерительный преобразователь давления с заполненной диэлектрической жидкостью 8 полостью кожуха 5 следует устанавливать на технологическом оборудовании (на фиг.1 и 2 не показано) вертикально и кожухом 5 вниз. При этом подвижные плоские электроды 4 и неподвижный плоский электрод 7 в равной степени погружаются в диэлектрическую жидкость 8.

Подвижные плоские электроды 4 и неподвижный плоский электрод 7 образуют конденсаторный датчик перемещения. Плоскости подвижных плоских электродов 4 конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны 1 и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода 7.

Измерительный преобразователь давления работает следующим образом.

Под воздействием измеряемого давления P плоская круглая мембрана 1 прогибается, стойки 2 поворачиваются на угол, соответствующий данному прогибу плоской круглой мембраны 1, и перемещают с помощью держателей 3 жестко закрепленные на них подвижные плоские электроды 4, изменяя тем самым емкость конденсаторного датчика перемещения.

При увеличении давления P угол наклона стоек 2 относительно воображаемой оси плоской круглой мембраны 1 возрастает, что сопровождается соответствующим перемещением жестко закрепленных на них с помощью держателей 3 подвижных плоских электродов 4 в сторону их сближения с неподвижным плоским электродом 7 и уменьшением первоначально установленного угла φ (см. фиг.1) между плоскостями подвижных плоских электродов 4 и неподвижным плоским электродом 7. При достижении максимального значения давления P плоскости подвижных плоских электродов 4 устанавливаются между собой параллельно (см. фиг.2), а стойки 2 расходятся на угол φ относительно воображаемой оси плоской круглой мембраны 1.

Следовательно, с увеличением давления расстояние между плоскостями подвижных плоских электродов 4 и неподвижного плоского электрода 7 уменьшается, что сопровождается возрастанием электрической емкости конденсаторного датчика перемещения.

Предлагаемое расположение подвижных плоских электродов 4 делает пропорциональной зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления.

Заполнение полости кожуха 5 диэлектрической жидкостью 8 позволяет снизить механические колебания подвижных плоских электродов 4, и, выбрав диэлектрическую жидкость 8 с необходимой вязкостью, можно полностью устранить эти колебания, искажающие результаты измерений. К примеру, можно использовать в качестве такой диэлектрической жидкости 8 трансформаторное масло.

Диэлектрическая жидкость 8 не только вносит демпфирование возможных колебаний подвижных плоских электродов 4, но дополнительно увеличивает емкость конденсаторного датчика перемещения, т.к. ее диэлектрическая проницаемость в любом случае выше, по меньшей мере в 2 раза, диэлектрической проницаемости воздуха, вытесненного этой жидкостью из полости конденсаторного датчика перемещения. Это дополнительно улучшает метрологические характеристики измерительного преобразователя давления, т.к. с ростом емкости конденсаторного датчика перемещения относительно паразитной емкости входной цепи измерительного прибора (на фиг.1 и 2 не показан) повышается точность измерений.

Крепление дополнительного неподвижного плоского электрода 7 конденсаторного датчика перемещения с помощью изоляционной втулки 6 в центре дна кожуха 5 упрощает сборку измерительного преобразователя давления и сохраняет свойства плоской круглой мембраны 1 как упругого элемента.

Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения избыточного давления различных сред.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- пропорциональная зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления;

- отсутствие механических колебаний подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения;

- низкая погрешность при измерении медленно изменяющихся давлений.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. Измерительный преобразователь давления содержит помещенные в кожух чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и конденсаторный датчик перемещения, образованный подвижными плоскими электродами. При этом подвижные плоские электроды закреплены на стойках и установлены перпендикулярно на поверхности плоской круглой мембраны на расстоянии 0,5-0,6 от ее радиуса в диаметрально противоположных точках относительно центра плоской круглой мембраны. Также измерительный преобразователь давления содержит неподвижный плоский электрод, который расположен между подвижными плоскими электродами. Причем неподвижный плоский электрод конденсаторного датчика перемещения закреплен через изоляционную втулку в центре дна кожуха, закрывающего конденсаторный датчик перемещения. При этом полость кожуха заполнена диэлектрической жидкостью, а плоскости подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода, установленного под прямым углом к плоскости плоской круглой мембраны. При этом угол не должен превышать максимальный угол наклона стоек при ее деформации, и каждый из подвижных плоских электродов жестко с помощью держателей закреплен на соответствующей стойке, установленной относительно своего подвижного плоского электрода в диаметрально противоположном направлении относительно центра круглой плоской мембраны. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения, отсутствие механических колебаний подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения, а также низкая погрешность при измерении медленно изменяющихся давлений. 2 ил.

Измерительный преобразователь давления, содержащий помещенные в кожух чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и конденсаторный датчик перемещения, образованный подвижными плоскими электродами, закрепленными на стойках и установленными перпендикулярно на поверхности плоской круглой мембраны на расстоянии 0,5-0,6 от ее радиуса в диаметрально противоположных точках относительно центра плоской круглой мембраны, и неподвижным плоским электродом, расположенным между подвижными плоскими электродами, отличающийся тем, что неподвижный плоский электрод конденсаторного датчика перемещения закреплен через изоляционную втулку в центре дна кожуха, закрывающего конденсаторный датчик перемещения, при этом полость кожуха заполнена диэлектрической жидкостью, а плоскости подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода, установленного под прямым углом к плоскости плоской круглой мембраны, при этом угол не должен превышать максимальный угол наклона стоек при ее деформации, и каждый из подвижных плоских электродов жестко с помощью держателей закреплен на соответствующей стойке, установленной относительно своего подвижного плоского электрода в диаметрально противоположном направлении относительно центра круглой плоской мембраны.