Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

Фиг 1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статического и динамического давления в жидких и газо- образных средах.

Известен датчик разности давлений, содержащий манометрические элементы, выполненные за одно целое с платой в виде двух идентичных стоек прямоугольного се- чения, обращенных широкими продольными гранями друг к другу, в каждой из которых выполнены по четыре глухих ци- ли-ндрических канала, расположенных вдоль широких продольных граней симмет- рично поперечной оси стоек, причем два средних канала каждой стойки смещены в сторону одной широкой продольной грани, а два крайних - в сторону противоположной грани, при этом средние и крайние каналы в обоих стойках соответственно соединены между собой и подсоединены к каналам для подвода давления.

Недостатком датчика является низкая точность измерения при измерении быстро- меняющихся давлений, так как система под- водящих каналов и полостей с переменными сечениями снижает частотные характеристики датчика. Кроме того, сложная система манометрических элемен- тов снижает точность измерения и усложняет технологию изготовления

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик давления, содержащий корпус, упругую мембрану с утолщенным периферийным участком и центральными и периферийными электродами измерительного и эталонного конденсаторов, герморазъем в виде диска с токопроводами и расположенный с зазором относительно мембраны тонкостенный колпачок с вогнутым дном, где рас- положены неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов.

Недостатком известной конструкции является низкая точность при измерении избыточного давления в условиях измерения атмосферного давления, так как нет связи атмосферы с упругими элементами.

Цель изобретения - увеличение точности за счет коррекции от изменений атмосферного давления.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий корпус, уп- ругую мембрану с утолщенным периферий- ным участком и изолированными центральным и периферийным электродами измерительного и опорного конденсаторов, расположенный с зазором относительно мембраны колпачок с зеркально-симметричными изолированными неподвижными электродами измерительного и эталонного конденсаторов на внешней поверхности его дна со стороны мембраны и установленный внутри колпачка герморазьем в форме диска с токо подвода ми, введены штуцер и два кольца, одно из которых размещено на внешней, а другое - на внутренней частях утолщенного периферийного участка мембраны, колпачок своим дном установлен и закреплен на кольцах, с внутренней стороны дна колпачка выполнена проточка, образующая тонкостенный кольцевой участок и жесткий центр, диаметр которого равен рабочему диаметру мембраны, а на тон костенном кольцевом участке размещен введенный кольцеобразный подвижный электрод дополнительного измерительного конденсатора, введений зеркально-симметричный неподвижный электрод которого размещен на утолщенном периферийном участке мембраны, причем жесткость тонкостенного кольцевого участка равна жесткости мембраны, а в диске смонтирован штуцер, сообщенный с атмосферой.

На фиг.1 показана конструкция датчика давления, разрез; на, фиг,2 - разрез А-А на фиг 1; на фиг.З - прогибы упругих элементов датчика

Датчик давления включает корпус 1, защемленную мембрану 2 с утолщен ым пе- риферийным участком 3, колпачок 4, установленный и закрепленный на утолщенном периферийном участке 3 с зазором, который обеспечивается внешним кольцом 5 и внутренним кольцом 6. В колпачке 4 с внутренней стороны дна выполнена проточка, образующая жесткий центр 7 и гибкое кольцо 8, а в верхней части колпачка 4 установлен диск 9, в котором размещен штуцер 10, сообщающийся с атмосферой. На пла- нарной поверхности мембраны 2 размещен круглый подвижный электрод 11, а на утолщенном периферийном участке 3 - кольцеобразные неподвижные электроды 12 и 10.

На пленарной внешней поверхности дна колпачка 4 на жестком центре 7 выполнен круглый неподвижный электрод 13 и кольцеобразный электрод 15, на гибком кольце 8 - кольцеобразный подвижный электрод 14, электроды 11-15 подсоединены с помощью проводников 18с токовыво- дами 16 герморазьема 17.

Датчик (фиг.1, 2) работает следующим образом

При подаче давления Pi через канал корпуса 1, мембрана 2 прогибается на величину Wi В результате этого начальный зазор d0 между электродами 11 и 13

измерительного конденсатора становится равным (do - Wi), следовательно, изменяется емкость измерительного конденсатора Си1 на величину ЛОц, таким образом, емкость измерительного конденсатора определяется выражением

Си1 (Pi ) Ui (do + A CHI (do - Wi),

где Cm(do) - начальная емкость измерительного конденсатора (без подачи давления);

Adi () - величина приращения емкости от изменения давления PL

Зазор между кольцеобразными электродами 12 и 15 опорного конденсатора от измеряемого давления Pi не изменяется, так так электрод 12 расположен на периферийном участке мембраны, его емкость (С0), следовательно, практически постоянна и не меняется от изменения измеряемого давления, являясь опорной емкостью. Изменение давления преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный относительно емкостей опорного к измерительному конденсатору (преобразователь емкости в выходной сигнал в описании не приводится)

Со г Pi - -С°.( d°

1J CM1(do)+ACM1(d0-Wi)

Повышение точности в предложенном датчике обеспечивается тем, что при измерении избыточного давления учитывается изменение атмосферного давления Ра за счет связи внутренней полости колпачка 4 с атмосферой через штуцер 10 и в результате гибкое кольцо 8 вместе с электродом 14 прогибается на величину Л/2. В результате этого зазор между кольцеобразными электродами 10 и 14 дополнительного измерительного конденсатора Си2 также изменяется, и его емкость определяется выражением

СИ2(Р2) Cn2(do) + А Си2 (do - W2),

где ) - начальная емкость дополнительного измерительного конденсатора (без изменений атмосферного давления);

AGi2 (do-Wa) - величина приращения емкости от изменения атмосферного давления Р2.

Зазор между кольцеобразными электродами 12 и 15 того же опорного конденсатора не изменяется от атмосферного давления Р2, так как электрод 15 расположен на недеформируемой части колпачка 4,

следовательно, его емкость Со постоянна и не меняется от атмосферного давления, являясь опорной емкостью. Изменение атмос- ферного давления преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный отношению емкостей опорного и дополитель- ного измерительного конденсатора.

ЈЧР2) г t-изCi

Со (do)

M2(do)+ACM2(do-Wi)

Дальнейшее преобразование осуществляется как вычитание отношений измери- тельн ого (Adi) и дополнительного измерительного (Ad2) конденсаторов к опорному (Со), и в общем виде выражение приобретает следующий вид

Pi-P2 2-(Pi)(P2)

Си1 V Си2 V

Со (do)

Cm(do) + CMi(d0-Wi)

Со (d0)

Си2 (do ) + CHI ( do - W2 )

Учитывая, что конструктивно обеспечи- вается равенство емкостей Cnt(do) Си2(йо), выражение после преобразования приобретает следующий вид

P1 P2 (Wi-W2

Таким образом, с выхода датчика снимается сигнал, функционально зависящий от изменения давления измеряемой среды

(Pi) и от атмосферного давления (Р2).

Изменение температуры на датчике вызывает равномерные температурные изменения упругих свойств как мембраны, так и гибкого кольца. Следовательно, чувствительность, а значит и емкости измерительного и опорного конденсаторов изменяются от температуры на одинаковую величину, а значит изменение выходного сигнала от температуры не происходит.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в том, что предлагаемый датчик давления позволяет в 1,5-2 раза повысить точность измерения по сравнению с известным.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, упругую мембрану с утолщенным периферийным участком и изолированными центральным и периферийным электродами измерительного и опорного конденсаторов,

расположенный с зазором относительно мембраны колпачок с зеркально-симметричными изолированными неподвижными электродами измерительного и эталонного конденсатора на внешней поверхности его дна со стороны мембраны и установленный внутри колпачка герморазъем в форме диска с токоподводами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения избыточного давления, в него введены штуцер и два кольца, одно из которых размещено на внешней, а другое - на внутренней частях утолщенного периферийного участка мембраны, колпачок своим дном установлен и закреплен на кольцах, с внутренней стороны дна колпачка выполнена проточка, образующая тонкостенный кольцевой участок и жесткий центр, диаметр которого равен рабочему диаметру мембраны, а на тонкостенном кольцевом участке размещен введенный кольцеобразный подвижный электрод дополнительного измерительного конденсатора, введенный зеркально-симметричный неподвижный

электрод которого размещен на утолщенном периферийном участке мембраны, причем жесткость тонкостенного кольцевого участка равна жесткости мембраны, а а диске смонтирован штуцер, сообщенный с атмосферой.

Фиг. 2

//

(Pi/z3

Ь