Датчик перепада давлений Советский патент 1991 года по МПК G01L13/02 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике ь может найти широкое применение в датчиках давления в целях улучшения их метрологических характеристик и повышения технологичности сборки.

Цель изобретения - повышение точности измерений благодаря обеспечению прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

На фиг.1 приведен общий вид датчика; на фиг.2 - измерительная цепь.

Датчик содержит рабочую мембрану 1, выполненную из стеклокерамики, разделительные мембраны 2 и 3, на которые воздействуют давления Р,, и Р2 внешней среды, корпус, состоящий из двух половин 4 и 5, выполненный также из стеклокерамики. На внешние

торцы обеих половин корпуса напылены электроды 6 и 7, образующие с разделительными мембранами 1 и 2 конденсаторы С и С ф. На рабочую мембрану 1 и внутренние торцы обеих половин корпуса также напылены электроды,образующие дифференциальный емкостный преобразователь с емкостями С и С%. Внутренний объем датчика заполнен кремний-органической жидкостью (например, типа ПОСЖ, 2,8Ј0) таким образом, что разделительные мембраны 2 и 3 приобретают куполообразную форму (высота купола 20 - 100 мкм).

Датчик работает следующим образом.

При наличии перепада между давлениями Р, и PJ,, т.е. Р,, Р2 + все три мембраны датчика 1 - 3 проо

СО

w со

гибаются вправо, и если в первом приближении считать жидкость, заполняющую внутренние полости,несжимаемой, то прогиб центра определяется как

. s,

w, + w3 + w, -|f3

КШ S 1

w + v + w

(1)

35

де Sj - площадь рабочей мембраны 1;J5 W, - жесткость.рабочей мембраны 1; W-, W-j - жесткости разделительных

мембран 2 и 3; S,, БЗ площади разделительных 20

мембран;

W-, Wj - эквивалентные жесткости разделительных мембран 2 и 3.

При прогибе рабочей мембраны 1 25 зменяются емкости конденсаторов ( и С4 и на выходе электрической хемы появляется сигнал, пропорциоальный измеряемому давлению

Для того, чтобы сделать возможно -jo еньше погрешность чувствительности из-за нестабильных свойств разделительных мембран 2 и 3, необходимо жесткости разделительных мембран 2 и 3 сделать возможно меньшими по сравнению с жесткостью рабочей мембраны 1, поэтому разделительные мембраны 2 и 3 выполняются из тонкой металлической фольги. При аварийном отключении одного из давлений, например ,Q Pj,, мембрана 2 в центральной части ложится на торец. Для того, чтобы защитить рабочую мембрану 1 от перегрузок, подмембранные объемы разделительных мембран 2 и 3 должны быть дс таковы, чтобы полный объемный прогиб разделительных мембран 2 и 3 (объем жидкости, вытесненный из-под мембраны, когда она ложится на торец) был меньше допустимого объемного прогиба рабочей мембраны 1. В то же время высота куполов подмембранных камер разделительных мембран 2 и 3 должна быть не меньше номинального прогиба, т.е. прогиба под действием давления Рц$м«

Наиболее существенной погрешностью датчика, измеряющего перепад давлений, является погрешность нуля.

50

55

0

35

5

0

5

jo ,Q дс Это определяется тем, что измеряемый перепад давлений Риэм нередко не превышает 1% от основных давлений Pfl.

Основные составляющие погрешности нуля определяются двумя причинами. Первая составляющая вызвана тем, что жидкость не является бесконечно жесткой, а разделительные мембраны 2 и 3 бесконечно податливыми. Эта погрешность определяется формулой

I t

V 2Р0WЈaj3 , А

3° РЙГ,7 W ЙолГз

50

55

HJM

. 4W

wr)§

.1

WpqJ3

(2)

где Wpa,,9 эквивалентная жесткость разделительных мембран; W - жесткость жидкостного ,объема;

№$. разность жесткостей

разделительных мембран 2 и 3 и жидкостных объемов с правой и левой сторон от рабочей мембраны 1 ,

Вторая составляющая вызвана изменением объема жидкости при изменении температуры AQ и определяется формулой

KV ( + VwJ),

где Кя - температурный коэффициент объемного расширения жидкости;V - объем жидкости с одной

стороны рабочей мембраны 1; UV - разность объемов жидкости с правой и левой сторон рабочей мембраны 1 , Как видно из приведенных формул (2) и (3), обе погрешности при прочих равных условиях будут тем меньше,чем симметричнее обе половины датчика и при полной симметрии будут равны нулю. Предлагаемые дополнительные электроды 6 и 7 предназначены для контроля за высотой купола и за симметрией куполообразности и, следовательно, за симметрией жесткости разделительных мембран 2 и 3 и под- мембранных объемов в пррцессе наддува датчика жидкостью.

Наддув датчика производится через трубки (не показаны) после предварительного в эксгумирования внутренних объемов датчика. При сборке датчика

купола произ- ,

контроль за высотой водится в процессе наддува по значению емкости С, или С, а контроль симметрии производится также непосредственно в процессе наддува по равенству емкостей С и С.

Наличие дополнительных электродов 6 и 7 и дополнительных конденсаторов С} и

С 4 позволяет использовать их не только в процессе сборки, но и в рабочем режиме датчика для регулировки степени успокоения подвижной части, т.е. для управления амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) датчика. Схема включения конденсаторов показана на фиг.2. На оба дополнительных: электрода 6 и 7 через большие сопротивления Р и Р4 подается от одного источника постоянное напряжение U0 . Оба конденсатора -С и С. находятся при этом в режиме заданного заряда. Электрод 6 конденсатора С- подключен ко входу дифференцирующего усилителя, выполненного по одной из известных схем, выходное напряжение усилителя подается на электрод 7 конденсатора С. При движении подвижной части на конденсаторе С появляется переменное напряжение, равное

IIII -it А ТП г.-..

U Uo f Ua У Sm9t

где

начальный зазор, т.е. зазор между мембраной 2 и электродом 6;

Д m - амплитуда перемещения мембраны 6;

Д Л mSmCt - перемещение мембраны. Это напряжение подается на вход дифференцирующего усилителя УС1 и после усиления подается на электрод 7 конденсатора С.. Между электродом 7 и мембраной 3 действует электростатическая сила

эс

6 5э -у,Лга

+ &KwUe -йЈ-

ЛЧ f

где S - площадь электрода 7;

К цс - коэффициент усиления усилителя .

При условии (QKyu&m/tf) 1 можно пренебречь членом, содержащим cos2Qt и считать электростатическую силу, равной

зс

шг +

Д2Wo +

+ 2Uo -$-- Qfira ) с а

с-ж 5э гг Куе . г .

JZ (U0 + 2U0 - -f Д ),

где Д. QAmcosQt - скорость перемещения подвижной части.

Уравнение движения подвижной части (мембраны 1,2,3 и соединяющая их жидкость) может быть представлено в виде

mu + Pu + Wfi Р(РИЗМ) +

+ (C3 - сС.

где Д. , Д, Д - перемещение, скорость и ускорение подвижной

части соответственно -т

m - масса подвижной части; Р - коэффициент успокое- ния;

W - суммарная жесткость

системы; Г(,) - сила, действующая

на подвижную часть

под действием измеряемого давления; f (C), f9Ј(C4) - электростатические

силы между электродами конденсаторов С j (электрод 6 - мембрана 2) и С (электрод 7 - мембрана 3). Подставив в уравнение значения электростатических сил, получим

тЛ%- РЛ + Wu F(PM3M) +

. Ј S9 5 Зз 2 + Lo - -72- о

k S9 2 Ai

W u° Т л

тд..+ (р + Uo2K(H +

50

+ Wu F(PMM). . (4)

Из последнего уравнения видно, что изменяется коэффициент при Д и к первоначальной составляющей Р до Јж S

бавляется составляющая Р.

эс

х U0Ku,t, созданная электрическим путем. При инвертировании выходного напряжения дифференцирующего усилителя, например, усилителем УС2,электростатическая составляющая изменяет знак и таким образом суммарный коэффициент Р,Ј может быть как больше,так и меньше Р. Значение регулируется коэффициентом усиления Кц усилителя УС1. Возможность регулировки коэффициента успокоения для датчиков, заполненных жидкостью чрезвычайно важна, так как значение коэффициента успокоения Р существенно зависит от геометрии каналов и под- мембранных камер и от вязкости жидкости и технологически сложно обеспечить требуемые коэффициенты успокоения без коррекции.

Пределы, в которых может быть осуществлена регулировка степени успокоения, т.е. Р-ЭО Рэс/(,), где т - масса подвижной части и 920- собственная частота, могут быть определены из следующей формулы ft эс

х 6 Зз ,. 2. К ис

±-у,- Uo 2m ИГ 6СЛИ 3адЗТЬ размеры датчика. Так, при S 7 102- 10 м Р 30 1(, га - 1 -10-3кг, Г20 27-250 рад/с и б Зб0, получим

± 8х85 тт2 эе ±75 U°K(JC

Значение К ut ограничено, так как (9КцсЬ/о) 1, задавая максимально возможные значения 1 и Ј2 -Со, получим 1/Q0, т.е.|3эс ±5, Uo. Таким образом при U0 ЗОВ значение 3 можно изменять на i 1 .

Между тем, очевидно, что предлагаемая электрическая коррекция проще гидродинамической.

Кроме того, вязкость жидкости сильно зависит от температуры, пред0

лагаемая же схема регулировки коэффициента успокоения при использовании усилителя с температурозависи- мым коэффициентом усиления или тем- пературнозависимого источника питания UQ позволяет осуществить температурную коррекцию АЧХ.

Таким образом, предлагаемый датчик позволяет повысить точность измерения как постоянного, так и переменного давления за счет обеспечения прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно-частотной , характеристики.

Формула изобретения

Датчик перепада давлений, содержащий корпус с мембраной разделяю- д щей его на две измерительные полости, две металлические разделительные мембраны, образующие с корпусом две приемные полости и дифференциальной емкостной преобразователь пере- 25 мещения мембраны в электрический

сигнал, при этом в корпусе выполнены соединительные каналы, соединяющие измерительные полости с приемными полостями, которые заполнены ди- 3Q электрической жидкостью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет обеспечения прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно- частотной характеристики, в него введены источник постоянного напряжения и дифференцирующий усилитель, а в корпусе в приемных полостях напротив разделительных мембран установлены

35

введенные в датчик гальванически изолированные дополнительные электроды, при этом дополнительные электроды соединены с источником постоянного напряжения и один из них подключен

к входу дифференцирующего усилителя,

а второй - к его выходу.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах для измерения давления, в особенности при необходимости измерения небольших перепадов на фоне больших давлений. С целью повышения точности измерения давления в подмембранных камерах напротив разделительных мембран 2, 3 размещены дополнительные симметрирующие электроды 7 и 6, образующие с мембранами конденсаторы С и С4 Повышение точности динамических измерений достигается за счет соединения одного электрода 6 с источником постоянного напряжения и входом дифференцирующего усилителя,другого элект рода 7 - с источником постоянного напряжения и выходом дифференцирующего усилителя. 2 ил. S (/

tl,

f1.

3 7

Редактор И.Сегляник

Составитель О.Полев Техред л.Сердюкова

Заказ 536

Тираж 350

0НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Корректор М.Максимишинец

Подписное