Способ настройки емкостного датчика давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статических и динамических давлений жидких и газосб- разных сред в широком температурном диапазоне.

Известен емкостный преобразователь давления, включающий преобразователь, состоящий из основного переменного конденсатора и компенсирующего переменного конденсатора, а также эталонный конденсатор. Для получения требуемой выходной характеристики, необходимо выбрать любую из многих конфигураций компенсирующего электрода. Каждый из компенсирующих электродов может быть уменьшен в размерах.

Недостатком указанного устройства является низкая точность измерения при эксплуатации в широком температурном диапазоне. Это обусловлено отсутствием температурной настройки, в результате чего проявляется невоспроизводимое изменение выходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является метод компенсации температурной погрешности в устройстве для измерения давления.

Сущность -известного метода температурной настройки заключается в том, что устанавливают с зазором относительно мембраны пластину с расположенными на ней зеркально-симметричными неподвижными изолированными электродами измерительного, опорного и термокомпенсационного конденсаторов и в зависимости от температурного изменения отношения измерительной и опорной емкостей подсоединяют компенсационную емкость последовательно либо параллельно к измерительной емкости.

Недостатком известной методики настройки является низкая точность из-за ограниченной возможности выправления термозависимой характеристики выходного параметра. Это обусловлено тем, чтотермо- компенсационная емкость имеет свой технологический разброс и ее величина может быть недостаточной для определенного температурного диапазона, либо ее величина ухода вызывает перекомпенсацию выходного параметра, что также практически невозможно исправить известным методом. Кроме того, известный метод не позволяет, компенсировать температурную погрешность в динамическом тепловом режиме, так как изменение емкости компенсационного конденсатора изменяется с большой инерционностью от температуры.

Цель изобретения - повышение точности настройки.

Поставленная цель достигается тем. что способ настройки емкостного датчика давления, заключающийся в определении изменения отношений измерительной и опорной емкостей в зависимости от температуры и определения величины компенсационной емкости, предусматривает

0 выравнивание измерительной и опорной емкостей путём поворота пластины относительно мембраны с последующим определением изменения отношения емкостей при минимальной и максимальной температу5 pax, расчет величины компенсационной емкости и подключение ее в зависимости от величины либо к измерительной, либо к опорной емкости.

Предварительное закрепление пласти0 ны на мембране и замер измерительной и опорной емкостей с последующим вращением пластины в сторону увеличения либо в сторону уменьшения взаимного перекрытия электродов опорной емкости позволяют вы5 равнивать величины опорной и измерительной емкостей,, что позволяет повысить точность настройки.

Расчет величины компенсационной емкости с последующим выбором ее из набора

0 дискретных емкостей и последовательным подключением к измерительной емкости позволяет окончательно выравнять опорную и измерительную емкости, а также изменение их отношений от изменения температуры.

5 Установка компенсационной емкости позволяет исключить влияние температуры измеряемой среды и таким образом обеспечить точность настройки.

Предлагаемый способ настройки датчи0 ка для измерения давления отличается тем, что после установки пластины производят выравнивание измерительной и опорной емкостей Си и Со путем поворота пластины относительно мембраны, затем пластину за5 крепляют относительно мембраны, а изменение отношения емкостей от температуры определяют при минимальной ti и максимальной ta рабочих температурах, причем величину компенсационной емкости определяют из следующих соотношений: при условии

Cntt /Cotl CMt2/Cot2(1)

5

г Со ti Со t2 ( Си t2 - Си ti ) . ,9,

U CMt1 -C0t2-Cotl W. при условии

CMtl/Coti Cnt2/C0t2(3)

Г Си t1 Си t2 (Co ti - Со t2 )/«

Сх Си tr Со ta - Со ti Си ta ()

где CMti, CMt2, Cotr,C0t2- соответственно величины измерительной и опорной емкостей при температурах ц и t2, при этом в первом случае компенсационную емкость последовательно подключают к измерительной емкости, а во втором случае - к опорной.

На фиг.1 показана конструкция емкостного датчика давления; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - упрощенная структурная схема датчика давления с электроникой.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, упругую мембрану 2, выполненную за одно целое с корпусом, пластину 3. установленную с зазором, который определяется кольцом 4. На поверхностях мембраны 2 и пластин 3, обращенных друг к другу, сформированы методом напыления электроды 5 и 6 измерительной емкости (Си) и электроды 7 и 8 опорной емкости (Со), которые подключены к электронному блоку с, помощью проводников 9. Электронный блок состоит из источника опорного напряжения (ИОН) 10, формирователя опорного заряда (ФОЗ) 11, формирователя управляющего заряда (ФУЗ) 12, спаренного переключателя (П) 13, набора дискретных емкостей (НДЕ) 14 и преобразователя заряда в напряжение (ПЗН) 15.

Датчик давления работает следующим образом.

При подаче измеряемой среды давлением Р мембрана 2 перемещается вместе с электродом 5 по отношению к электроду 6, в результате чего изменяется величина измерительной емкости Си. Электроды 7 и 8 опорной емкости Со распололжены за пределами деформируемой части мембраны 2, следовательно, они не перемещаются от воздействия давления Р и величина емкости не меняется. От ИОН 10 через ФОЗ 11 и ФУЗ 12 в цикличном режиме подается напряжение для заряда опорной и измерительной емкостей с последующим преобразованием в ПЗН 15 отношения зарядов на измерительной и опорной емкостях (Си/Со), которые являются функционально зависимыми от изменения давления Р f (Си/Со).

Способ настройки датчика для измерения давления осуществляют следующим образом.

Устанавливают пластину 3 с зазором относительно мембраны 2, располагая электроды 7 и 8 с запланированной нессиметричностью друг против друга на дуге и предварительно жестко закрепляют, затем замеряют измерительную емкость (Си) и опорную емкость (Со), В случае, если

Си Со, то вращают пластину относительно своей оси в сторону увеличения взаимного перекрытия электродов опорной емкости, т.е согласно фиг.1 по часовой стрелке. В

5 случае, если Си Со, вращают пластину в сторону уменьшения взаимного перекрытия элеткродов опорной емкости, т.е. согласно фиг.1 против часовой стрелки. Сущность данной методики заключается в изменении

,0 величины перекрытия электродов, а следовательно, в выравнивании измерительной и опорной емкостей в статическом режиме, что в результате обеспечивает равенство приращений емкостей от влияющих факто5 ров, а следовательно, снижение погрешности. Затем окончательно закрепляют пластину с мембраной путем, например, сварки и замеряют измерительную и опорную емкости при двух предельных рабочих

0 температурах, например при минимальной ti и максимальной t2. с последующим расчетом отношений Cnti/Coti и Ci t2/Cot2, где Cnti, Cnt2, Cott, Cot2 - соответственно величины измерительной и опорной емко5 стей при температурах ti и tj.

При условии CMti/Coti CMt2/Cot2 рассчитывают величину компенсационной емкости по формуле (2) и подключают ее последовательно к измерительной емкости.

0 При условии CMti/Cotr CMt2/C0t2, рассчитывают величину компенсационной емкости по формуле (4) и подключают ее последовательно к опорной емкости.

Таким образом, выбирая требуемую

5 расчетную величину компенсационной емкости из НДЕ 1.4, подключают ее последовательно с помощью П 13 к измерительной или опорной емкости в зависимости от полученного результата расчета по выражениям (1)

0 и(3).

Сущность данной методики заключается в выравнивании величин отношений Cnti/Coti CMt2/C0t2 в заданном интервале температур ti и t2. что достигается за счет

5 последовательного подключения к опорной или измерительной емкости компенсационной емкости. Если величина отношения Си/Со, т.е. измерительной к опорной, сохраняется постоянной при изменении темпера0 туры, то на выходе ПЗН 15 величина сигнала не изменяется, а следовательно, достигается температурная компенсация выходного сигнала устройства для измерения давле5 ния. В ыражения (2) и (4) получают из условия выравнивания отношений емкостей для случая последовательного подсоединения компенсационной емкости к измерительной емкости либо к опорной емкости.

При условии подсоединения к измерительной емкости

Си ti Cx

Си t2 Cx

(5)

Си t + Сх Си t2 + Cx CotlC0t2

при условии подсоединения к опорной емкости

CMt1CMt2

Cp.tr Cx. . C0t2 Cx Cotl +Cx C0t2+Cx

Выражая Сх из соотношения (5), получают зависимость (2), а выражая Сх из соотношения (6), получают зависимость (4). Таким образом, в зависимости от преобладания изменения от температуры опорной и измерительной емкостей рассчитывают величину компенсационной емкости по соответствующей зависимости (2) и (4).

В данном случае рассматривается настройка датчика для измерения давления, содержащего емкостный металлопленоч- ный датчик давления типа изображенного на фиг.1-3.

При установке пластины и мембраны с несимметричностью электродов по дуге на 10-15% площади измерительной и опорной емкостей заданы таким образом, что должно обеспечиваться равенство емкостей Со «Си. Однако из-за технологических перекосов и неточностей ожидаемого равенства не получается, а неравенство емкостей, в свою очередь, приводит к большим погрешностям от влияющих факторов.

В таблице в графах 2 и 3 приведены величины емкостей в нормальных условиях в процессе установки на 5 датчиках. В графе 4 показаны результаты выбора направления вращения пластины относительно мембраны по дуге в сторону уменьшения или увеличения перекрытия электродов. В графах 5-8 приведены величины емкостей после настроечных вращений пластин и окончательного закрепления, например, лазерной сваркой пластины с мембраной при двух предельных температурах ti -200°С и t2 400°С. В графах 9 и 10 даны отношения Си/Со при температурах ti и t2. по значениям которых выбирают расчетную формулу (2) или (4). В графе 11 приведена величина погрешности от температуры без учета Сх. В графе 12 показаны расчетные данные величин требуемых компенсационных емкостей. Величину компенсационной емкости Сх выбирают из НДЕ 14, состоящего из дискретных ёмкостей, например конденсаторов типа К1042. В графах 13 и 14 приведены отношения емкостей Си/Со с учетом Сх при температурах ti и tz, характеризующие изменение выходного параметра от изменения температуры. В графе 15 приведена величина температурной погрешности с

учетом Сх в диапазоне от -200 до +400°С. которая рассчитана по формуле

О/Со (ti)-Си/Со (t2) .% ()

уСи/Со (ti)1W.V17J.5 где Си/Со (ti), Си/Со (ta) - отношение емкостей при температурах ti и t2.

Таким образом, увеличение точности настройки достигается за счет выравнивания величин емкостей путем изменения пло10 щади перекрытия электродов опорной емкости с последующим выравниванием отношений измерительной и опорной емкостей при предельных температурах.

Предлагаемый способ настройки позво15 ляет компенсировать температурную погрешность в температурном диапазоне от -200 до +400°С, что повышает точность измерения в 2-2,5 раза.

20 Формула изобретения

Способ настройки емкостного датчика давления, при котором напротив мембраны с кольцевым буртом и электродами, центральным ив виде незамкнутого кольца, ус25 танавливают с зазором пластину с ответными электродами, образующими измерительную Си и опорную Со емкости, определяют изменение отношения емкостей Си/Со в зависимости от температуры и оп30 ре дел я ют величину компенсационной емкости, о т л и ч а ю Щ и и с я тем, что, с целью повышения точности настройки, после установки пластины производят выравнивание емкостей Си и С0 путем поворота пластины

35 относительно мембраны, затем пластину закрепляют относительно мембраны, а изменение отношения емкостей от температуры определяют при минимальной ti и максимальной t2, рабочих температурах, причем

40 величину компенсационной емкости Сх определяют из следующих соотношений: при условии

Cnt1 CMt2 Cotl Cot2

45

50

Г Cot1 Cot2(CMt2-Cntl) x Cntl -CotZ-Coti -Ci,t2

а при условии

CMt1 Cnt2 Cotl C0t2 r CM.tl Си t2 ( Cp ti - Co t2 )

x Cntl Cct2-Cot1 CMt2

где -Ciiti, Cnt2, Coti, Cota - соответственно величины измерительной и опорной емко- 55 стей при температурах ц и t2,

при этом в первом случае компенсационную емкость последовательно подключают к измерительной емкости, а во втором случае - к опорной.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам настройки емкостных датчиков давления. Целью изобретения является повышение точности настройки. Датчик содержит корт пус 1, упругую мембрану 2, выполненную за одно целое с корпусом, пластину 3, установленную с зазором, который обеспечивается кольцом 4. На поверхности мембраны 2 и пластины 3, обращенных друг г другу, сформированы методом напыления электроды 5, 6 измерительной емкости и электроды 7,3 опорной емкости, которые подключены к электронному блоку с помощью проводников 9. В процессе настройки датчика предусматриваетсявыравнивание измерительной и опорной, емкостей путем поворота пластины 3 относительно мембраны 2 с последующим определением изменения отношения емкостей при минимальной и максимальной температурах, расчетам величины компенсационной емкости и подключением ее в зависимости от величины либо к измерительной, либо к опорной емкости. 3 ил., 1 табл. 1 в : . Ј