Емкостный датчик давления Советский патент 1988 года по МПК G01L9/12 

6t/ JO S3 SI

Изобретение относится к констру- ирова}шю изолирующих устройств и.узлов для установки диафрагм емкостных датчиков давления.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг. 1 представлен датчик давлния, сечение; на фиг. 2 - корпус чувствительного элемента датчика давле- :ШШ, сечение; на фиг. 3 - график результатов испытаний датчика, на котором покааана величина ошибки (в десятых долях процента) в зависимости -от перепада давлений для пяти разхшчных градуировок, с избыточным давлением 0-200 фунтов на кв. дюйм, или 0-140, 62 кг/см ; на фиг. 4 - График зависимости выходного рт- клонения от переменного давления в линии и температуры; на фиг. 5 - схема чувствительного элемента при отсутствии статического давления; на фиг. 6 - схема деформации чувствительного элемента при наличии ста- тического давле1ия в линии.

Датчик содержит опорную раму 1, служащую опорой для корпуса 2 чувствительного элемента и двух разделительных узлов 3 и 4. Разделительны узлы 3 и 4 могут быть встроены в корпус либо располагаться на расстоянии от него. Стрелками 5 и 6 обозначены давления на входных отверстиях датчика, Диафрагь4Ы 7 и 8 разделительных узлов вьшолтнены гибкими (вялыми) с гофрами 9. Камеры 10 и 11 образованы мембранами 7 и 8 разделительных узло 3 и 4 и сообщены трубопроводами 12 и 13, выполненными, например, из не- ржавеклцей стали.

Корпус 2 чувствительного элемента изготовлен из нержавеющей стали, например аустенитной стали марки 304. Корпус 2 образован из двух одинаковы частей 14 и 15, раздапенных чувствительной мембраной 16, края которой зажаты. Мембрана 16 может деформироваться под воздействием перепада давлений, причем при сборке предва- рительно подвергается определенному радиальному натяжению. В части корпуса 14 образована центральная коническая полость 17 с расточками 18 И 19, а в части корпуса 15 образован такая же центральная коническая по- лость 20 с расточками 21 и 22. В частях корпуса 14 и 15 имеются трубопроводы 23 и 24, сообщенные с трубопроводами 12 и 13 соответственно. Внутренние полости тгубопроводов 23 и 24 представляют собой продолжения полостей трубопроводов 12 и 13 и соединены с камерой 25, образованной в части 14 диафрагмой 16 и изоляционной вставкой 26, и с камерой 27, образованной в части 15 мембраной 16 и изоляционной вставкой 28 соответственно. Через отверстие 18 в камеру 17 введен электрический проводник 29, а через отверстие 21 в камеру 20 - такой же электрический проводник 30. Проводники 29 и 30 могут быть выполнены в виде металлических трубок, обеспечивающих заполнение чувствительных камер несжимаемой жидкостью.

Электропроводящие участки корпуса . 2 изолированы от металлических труб 12 и 13 и от проводников 29 и 30. Изолирующий непористый материал вставок 26 и 28, например стекло, керамика, заполняет полости 17 и 20, растоки 18 и 21 и закреплен на поверхностях частей корпуса 14 и 15, образующих угол 9 по отношению к плоскости мембраны. Центральные части изолягщо ных вставок 26 и 28, центральные зоны частей корпуса 14 и 15, а также внутренние торцы проводников 29 и 30 обработаны на станке и образуют вогнутую рабочую поверхность для чувствительной мембраны 16, когда она отклоняется под воздействием повышенного перепада давлений, воздействукг- щего на изолирукшще диафрагмы. Трубопроводы 23 и 24 могут быть выполнены в виде единого цилиндра или множества небольших щшиндров, чтобы создать опору для мембраны 16 в условия воздействия на нее повышенного давления.

На внутреннюю поверхность изоляционных вставок 26 и 28 нанесен соот ветствуюнщй электропроводящий материал 31 и 3,2, образунщий электроды, обращенные в сторону чунствитапьной мембраны 16 и соединенные с проводниками 29 и 30. Чувствительная мембрана 16 выполнена из электропроводного материала и закреплена между частями корпуса 14 и 15 и слоями 31 и 32 сплошным сварным швом 33, благодаря чему она образует с каждьм из этих слоев конденсатор с eMivO- стями С, и С соответственно. Про- воддагк соединен с корпусом 2, кото 14

рый имеет тот-же потенциал, что и мембрана 16. Мембрана 16 может быть также выполнена из непроводящего материала и иметь проводящий участок который будет общей пластиной для чувствительного конденсатора, а проводник в таком случае должен быть соединен с этим участком. Для восприятия усилий, возникающих от давления на корпус 2, предусмотрены болты 34.

По обе стороны от мембраны 16 в камеру, образованную частью корпуса 14 и диафрагмой 16, ив изолирующую камеру 10, а также в камеру, образованную частью корпуса 15 и мембраной 16, и в изолирующую камеру 11 через проводники 29 и 30 заливают несжимаемую жидкость, например силиконовое масло. Когда указанные полости заполнены, концы проводников 29 и 30 отрезают и присоединяют к ним соответствующие электрические провода.

Расположение разделительных мембран 7 и 8 на удалении от чувствительной мембраны 16 показано условно, поскольку местоположение этих мембран не столь важно при условии, что они расположены так, что не подвержены воздействию нежелательных механических нагрузок кроме давления несжимаемой жидкости на корпус чувствительного элемента 2. Хотя корпус чувствительного элемента 2 предпочтительно крепится к опорной раме 1 неподвижно, он не обязательно должен быть закреплен жест- со, например сваркой. Как показано на фиг. 1, он удерживается упругими полосами 35, вьшолненными из электрически непроводящего материала, изоли рукяцими корпус 2 чувствительного элемента от рамы 1 и служащими опорой корпусу 2.

Вариант вьшолнения датчика изображен на фиг. 2. Одинаковые элементы обозначены на фиг. 2 теми же цифрами, что и на фиг. 1, но с добавление буквы а. Здесь корпус 2а чувствительного элемента несколько шире, чем в устройстве, показанном на фиг. 1, а расточки 19а и22а несколько глубже, че расточки 19 и 22, и частично заполнены материалом 26а и 28а, образую- изоляционные вставки, Угол в представляет собой угол между мемб- раной в ее среднем полйкении и коии0

5

0

266

ческой поверхностью, образующей полость в соответствующей части корпуса, заполненную материалом 26а и 28а. Этот угол определяет эффективную глубину материала 26а, 28а (26, 28 в первом варианте выполнения), служащего электродами конденсатора 31а и 32а (31 и 32). Хотя в обоих вариантах вьшолнения устройства угол 0 составляет примерно 45°, было установлено, что повьш1енную стабильность, а следовательно, и повьщ енную . точность обеспечивают углы в пределах 25. -70 . Угол может быть также измерен относительно центральной оси корпуса чувствительного элемента, которая перпендикулярна плоскости мембраны 16а (16), в ее среднем положении.

Датчик работает следующим образом.

Когда камеры 10 и 11, трубопроводы 12 и 13 (включая отверстия трубо5 проводов 23 и 24) и камеры между электродами 30 и 32 и мембраной 16 заполнены несжимаемой жидкостью, разница между давлениями, обозначенными стрелками 5 и 6, заставляет мембрану 16 .отклоняться пропорционально перепад.у этих давлений, вследствие чего изменяется емкость конденсатора, образованного этими слоями и мембраной.

Од.ним из преимуществ датчика яв ляется уменьшение воздействия статического давления на диапазон давлений датчика.

Если толщина изолирукнцего материала мала или если поверхность раздела изолирующий материал - металл по существу параллельна опорной оси мембраны (перпендикулярна плоскости мембраны), то такие поверхности раздела (связи) 36 и 37 (Зба и 37а) подвергаются воздействию срезающих усилий, которые могут вызвать ослабле- ние или разрущение связи. Если усилие прикладывается к нарушенной связи, оно вызывает смещение изолирукнцего материала в направлении от мембраны, Смещение изолирующего материала создает нежелательные изменения емкости, не представляющие собой величину определяемого давления, что приводит к увеличению ошибки, вызьшаемой статическим давлением в линии. Если датчик выполнен согласно изобретению, то свяаи 36 и 37 (Зба и 37а) испыты0

0

5

0

5

15

51421266

вают в основном сжимающие нагрузки я гораздо меньше подвержены разрушению.

При удалении изоляторов от боковой стороны корпуса чувствительного эле- мента пространство конденсаторной пластины по обеим сторонам мембраны 16 увеличивается с увеличением статичес- к ого давления в линии 5 и 6 благодаря ,„ небольшому наружному перемещению участков чувствительного элемента по отношению к чувствительной мембране. Такое увеличение статического давления в линии заставляет также части 14 и 15 перекоситься относительно их соответствующих нейтральных осей (на фиг. 2, 3 и 6 эти оси обозначены Х-Х), в то время как обе части корпуса стремятся сжаться близ мембраны, как показано стрелками 38 на фиг. 2 и 6 (на фиг. 5 и 6 изолирующий материал не обозначен, на них показаны конфигурации, получаемьте на фиг. 1 и 2). Такой перекос может бьггь лучше всего объяснен фиг. 5, где показаны части 14 и 15 в ненагруженном состоянии, и на фиг. 6, где показано состояние перекоса, вызьшаемое увеличением статического давления в линии. При увеличении статического давления в линии конденсаторное пространство d (фиг. 5) между мембраной 16 и конденсаторными пластинами 31 и 32 увеличивается до размера d

О

СН + CL

Xf

X/

f.

где О - выходной сигнал емкостн ячейки перепада давлени емкость большего из Конд

СН CL X . On

саторов С или С2; емкость меньшего из конд саторов С, или отклонение мембраны под ствием перепада давлени конденсаторное простран при нулевом статическом лении; натяжение диафрагмы.

20

25

30

Упрощенно формула выглядит т

О - Х.сГ,

Если датчик выполнен согласн бретению, при увеличении статич кого давления в линии конденсат пространство X о увеличивается д мера XQ , Вьиерживая произведени практически равным , по существу постоянным, можно о спечить величину отклонения мемб X р в зависимости от приложенно к ней перепада давления, в резул величина выходного сигнала О не дет зависеть от величины статич го дaвлeFШя в линии.

Бьши проведены испытания под действием действительных рабочих

(фиг. 6), однако такое увеличение не V 35 грузок датчика, выполненного по

изобретению согласно фиг. 1 и 2 но с цилиндрической поверхност раздела металл-изолирующий мате поверхность раздела бьта сначал

представляет собой увеличение перепада давления. В соответствии с изобретением увеличение емкости, вызванное подобным перекосом, в значительной степени компенсируется уменьшением радиального натяжения мембраны, вызьшаемым сжатием близ нее. Радиальное предварительное натяжение, приложенное к мембране в момент изготовления датчика, а также соответствующий подбор . размеров и материалов обеспечивают уменьшение эластичности мембраны с увеличением статического давления. Прелпочтительнь1м материалом для мембраны является высокопрочная сталь с высокой упругостью. Указанная компенсация имеет место при всех величинах стати50 не влияет на результаты испытания. В остальном испытываемое устройство бьпо выполнено согласно изобретению, т.е. разделительные узщ,: 3 и 4 были отделены от корпуса 2 чувствительческого давления в линии, однако наиболее ярко она проявляется при давле- 55 ного элемента, имелась компенсапик ниях выше 500 фунтов на кв. дюйм искривления корпуса 2 чувствительно- (-vSS кг/см ).го элемента и предварительное натяПриведенное ниже уравнение поясняет компенсацию статического давления:

жение мембраны 16. Толщина мембраны 16 составляла 1,8 мт1л (1 мил

СН + CL

Xf

X/

f.

где О - выходной сигнал емкостной ячейки перепада давления; емкость большего из КонденСН

CL X . On

саторов С или С2; емкость меньшего из конденсаторов С, или отклонение мембраны под действием перепада давления; конденсаторное пространство при нулевом статическом давлении;натяжение диафрагмы.

Упрощенно формула выглядит так:

О - Х.сГ,

Если датчик выполнен согласно изобретению, при увеличении статического давления в линии конденсаторное пространство X о увеличивается до размера XQ , Вьиерживая произведение практически равным , т.е., по существу постоянным, можно обет спечить величину отклонения мембраны X р в зависимости от приложенного к ней перепада давления, в результате величина выходного сигнала О не будет зависеть от величины статического дaвлeFШя в линии.

Бьши проведены испытания под воздействием действительных рабочих на

грузок датчика, выполненного по

изобретению согласно фиг. 1 и 2, но с цилиндрической поверхностью раздела металл-изолирующий материал поверхность раздела бьта сначала

выполнена перпендикулярной мембране 16 ( 9 равен 90), затем практически параллельной ( б равен нулю). Причем испытьшаемый датчик не имел пре,цложек- ной, сглмаемой связи, а имел известную срезаемую связь. Улучшенная связь помогает избежать разрушения соединения, но поскольку быпо устанокпе- но, что такое разрушение не происходит, следовательно, вид соединения

не влияет на результаты испытания. В остальном испытываемое устройство бьпо выполнено согласно изобретению, т.е. разделительные узщ,: 3 и 4 были отделены от корпуса 2 чувствительного элемента, имелась компенсапик искривления корпуса 2 чувствительно- го элемента и предварительное натяного элемента, имелась компенсапик искривления корпуса 2 чувствительно- го элемента и предварительное натяжение мембраны 16. Толщина мембраны 16 составляла 1,8 мт1л (1 мил 71А212668

25,4 мкм), диаметр - примерно Бьшо проведено также испытание 1,12 дюйма ( - 28,5 мм), предваритель- для демонстрации улучшенного ненов натяжение составило 105000 фунтов на кв. дюйм (7380 кг/см), хотя могут, - быть использованы величины предварительного натяжения от 50000 до 200000 фунтов на кв. дюйм (3515-14062 кг/см), на фиг. 4. Иeкo meнcиpoвaнным воз- мембрана была вьпюлнена из материала действием является ошибка, имеющая Nispan С, материалом изоляционных вставок 27 и 28 (27аи 28а) бьшо стекло марки Оуэнс 0120 (Owens) корпус чувствительного элемента бып выполнен из материала Nispan С и имел 1,250

компенсированного теьшературного воздействия по отношению к стабильности выходного сигнала предлагаемого датчика, результаты которого приведены

фиг. 4 представляет отдельньш отсчет. Было вьтолнено несколько таких отсчетов, из них на фиг. 4 показано

,0 место до какой-либо компенсации электрического сигнала. Компенсация электрического сигнала обычно используется для уменьшения дальнейших ошибок, однако наиболее предпочтительно дюйма в диаметре (/- 31,75 мм). Кон- 15 иметь устройство с малой некомпенси- денсаторное пространство Х было рав- рованной ошибкой. Каждая кривая на Ho-wO,0075 дюйма (0,19 мм) в центре. Изоляторы 3 и 4 были вьшолнены из нержавеющей стали марки 304SST, имели примерно 3 дюйма (76,2 мм) в дна- 20 семь. Кривые показьгоают, что предложенная конфигурация обеспечивает превосходную стабильность и весьма низкий тепловой гистерезис,поскольку отклонение значения емкости для 25 трех отсчетов при 100 F составило менее ,18%. Тепловой гистерезис имеет отношен 1е к разнице результатов отсчетов при заданной температуре в зависимости от того, приходят к

метре и были соединены с камерами 25 и 27 при помощи трубопроводов 12 и 13 из нержавеющей стальной трубки с наружным диаметром 1/16 дюйма ( 1,46 мм) .

Результаты испытаний приведены на фиг. 3.

Как видно из графика, все отклонения испытательных точек под воздействием статического давления в линли ЗО этому отсчету от более высокой или не превышали 0,2% в диапазоне перепа- низкой температуры.

Бьшо проведено также испытание для демонстрации улучшенного нена фиг. 4. Иeкo meнcиpoвaнным воз- действием является ошибка, имеющая

компенсированного теьшературного воздействия по отношению к стабильности выходного сигнала предлагаемого датчика, результаты которого приведены

фиг. 4 представляет отдельньш отсчет. Было вьтолнено несколько таких отсчетов, из них на фиг. 4 показано

место до какой-либо компенсации электрического сигнала. Компенсация электрического сигнала обычно используется для уменьшения дальнейших ошибок, однако наиболее предпочтительно иметь устройство с малой некомпенси- рованной ошибкой. Каждая кривая на семь. Кривые показьгоают, что предложенная конфигурация обеспечивает превосходную стабильность и весьма низкий тепловой гистерезис,поскольку отклонение значения емкости для трех отсчетов при 100 F составило менее ,18%. Тепловой гистерезис имеет отношен 1е к разнице результатов отсчетов при заданной температуре в зависимости от того, приходят к

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность устройства. Корпус чувствительного элемента 2, закрепленный в опорной раме 1, разделен электропроводящей мембраной 16 на две полости 14, 15. В этих полостях размещены изоляционные вставки 26, 28, подводящие каналы которых сообщены трубопроводами 12, 13 с соответствукяцими под- мембранными полостями 10 и-11 разделительных узлов 3, 4, Каждая вставка вьшолнена в формб усеченного конуса с углом 25-27° между образунздей конуса и плоскостью мембраны. Полости узлов 3, 4 и чувствительного элемента 2 заполнены жидкостью. Разность давлений, воздействукяцих в направлениях 5, 6, приводит к отклонению мембраны 16 несоответственно, к изменению ем-- кости конденсатора, образованного мембраной 16 и слоями 31 и 32 эле-,- ктропроводящего материала, 1 з,п. ф-лы, 6 ил.

да давления от О до 240 дюймов водяного столба (0-609 см), в диапазоне статического давления от О до 2000 фунтов на кв. дюйм (0-140 кг/см). Крив ые на фиг. 3 имеют очень небольшой механический гистерезис. Такой механический гистерезис не является необычным и зависит не только от мгновенного значения нагрузки, вызванной перепадом давления и статическим давлением в линии, но и от предварительной величины такой нагрузки. Преимуществом изобретения является то, что нулевой запас устойчивости датчика, который изменяется в зависимости от температуры и статического давления, улучшен благодаря тому, что корпуса изоляторов не имею непосредственного контакта с корпусо чувствительного элемента. В непосредственном контакте с корпусом чувствительного элемента находятся лишь трубки, образующ11е трубопроводы 12 и 13, но эти трубки могут воспринимать нагрузки на изоляторы и их изменения вследствие изменения температуры без передачи этих усилий на корпус 2 чувствительного элемента.

Бьшо успешно испытано множество образцов, изготовленных .из различных материалов и имевших разные размеры, при этом в опытах использовали мембраны, изготовленные из стали марки Havar фирьы Хэмилтон Индрастриз (Hamilton Industries) или сплава марки Elgiloy фирмы Элджилой Ко (Elgiloy Со.), в качестве материала изоляционных вставок 26 н 28 применяли щелочное свинцовое стекло, а именно стекло марки Корнинг 1990, а корпус чувствительного элемента изготавливали из аустенитной нержавеющей стали.

Кроме того, преимуществом данного изобретегшя является то, что поскольку мембраны 7 и 8 разделительных узлов 3 и 4 соответственно, не составляют часть корпуса чувствительного элемента, размер их может быть больше размера этого корпуса. Такое увеличение размера может быть весьма важным для снижения влияния температуры и прочих факторов на работу датчика.

Так как корпус 2 чувствительного элемента изолирован от опорной рамы

1, упрощается схема датчика, когда требуется электрическая изоляция, что происходит достаточно часто в промьштенных измерениях давления.

формула изобретени

1421266 О

льюповышения точности, он снабжен опор нойрамой, внутри которой закреплен кор- , пус чувствительного элемента, а под- g мембранная полость каждого разделительного узла соединена с соответствующим подводящим каналом изоляционной вставки при помощи введенного в датчик трубопровода, при этом каждая 10 изоляционная вставка вьтопнена в форме усеченного конуса с углом 25- 27 между образующей конуса и плоскостью мембраны.

Ж1

Фи.2.

tf%

fo

50

too

a/f.J

110 ifo

о tfSI6 fWOPlIf

a MoPSJf ieooKie д leaafsif

rOO 150 Фие.

ZOO

250

Ifi

38

fff