Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

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

Известно устройство для измерения давления, включающее емкостный датчик давления и измерительную схему с регистратором, при этом датчик содержит вакуу- мированный корпус, упругую мембрану с центральным электродом измерительного конденсатора, периферийным электродом эталонного конденсатора и дополнительным круглым термокомпенсационным конденсатором, расположенным на втулке, выполненной из материала с коэффициен1- том линейного расширения, большим по сравнению с коэффициентом линейного расширения материала мембраны, при этом один торец втулки жестко скреплен с торцовой частью жесткого центра мембраны, на которой с зазором установлена пластина с расположенными на ней зеркально симметричными неподвижными электродами изме- рительного,эталонногои

компенсационного конденсаторов, причем термокомпенсационный конденсатор включен в измерительную схему последовательно или параллельно с измерительным конденсатором 1.

Недостатком известной конструкции является низкая точность в широком температурном диапазоне эксплуатации. Это обусловлено нелинейной зависимостью изменения размеров от изменения температуры мембраны и термовтулки, что приводит к раскомпенсации в широком температурном диапазоне. Кроме того, дополнительно включенная емкость в измерительный емкостный преобразователь, влечет за собой снижение точности за счет увеличения параСО

с

ел

зитных емкостных наводок на основную преобразующую цепь.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемом конструкции является датчик давления, содержащей корпус из дч- электрического материала с упругими стенками, на которых в зеркально-симметричном отображении размещены зпектроды измерительного и опорного конденсаторов, образующих опорную и измерительную емкости 2.

Основным недостатком известного датчика является низкая точность измерения за счет температурного ухода выходного сигнала особенно при половинном значении от предельного давления. Это обусловлено тем, чго деформация стенок корпуса от температуры приводит к различным изменениям величин опорной и измерительной емкостей, что приводит к изменению выходного параметра, выраженного в виде отношения емкостей, от изменения температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности.

Цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем коопус из дизлектриче- скогс материала, внутренние стенки которой , расположенные по оси симметрии, выполнань параллельными, при этом из :;У.Л друг против друга закреплены рва измерительных электрода, а по периферии два кольцерых эгапоиных электрода, при чем центральна 3 часть стенки, на которой размещен один из измерительных электродов, выполнена в виде мембраны, предусматривается в соответствии с изобретением стенку корпуса, обращенную к мембране, выполнить жесткой, а периферийная часть стенки с мембраной имеет кольцевой уступ, высота которого равна половине прогиба мембраны от максимального давления, при этом один из кольцевых эталонных электродов размещен на поверхности кольцевого уступа, которая параллельна мембране.

Располох енме электрода эталонной емкости ка уступе, выполненном на периферийней части стенки,высота которого раана половине прогиба мембраны при воздействии предельного давления, позволяет обеспечить величину зазора между электродами эталонной емкости, равного зазору между электродами измерительной емкости при половинном значении от предельного давления, в результате чего снижается температурная чувствительность.

Выполнение стенки корпуса, обращенной к мембране, с достаточной жесткостью исключает ее деформацию от внешнего давления, что также снижает температурную чувствительность.

Параллельность поверхности уступа по отношению к центральной части мембраны

позволяет обеспечить параллельность электродов измерительной и опорной емкостей, что повышает точность измерения.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляе0 мый датчик давления отличается тем, что в нем стенка корпуса, обращенная к мембране, выполнена жесткой, а периферийная часть стенки с мембраной имеет кольцевой уступ, высота которого равна половине про5 гиба мембраны от максимального давления, при этом один из кольцевых эталонных электродов размещен на поверхности кольцевого уступа, которая расположена парал- лельно мембране. Таким образом,

0 заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна.

Анализ известных технических решений (аналоговое используемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них

5 признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого датчика давления, и признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию существенные отличия,

0Положительный эффект, заключающийся в снижении погрешности от температуры, достигается тем, что при величине давления 0,5 Рн размер зазоров между электродами опорной и измерительной емко5 стей, а следовательно, и величина опорной л измерительной емкостей равны между собой, и таким образом температурная деформация корпусных деталей приводит к одинаковому изменению величин емкостей,

0 поэтому не вызывает изменения выходного сигнала от температуры.

На фиг. 1 изображен емкостный датчик давления, в разрезе: на фиг. 2 - показано сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схематич5 но показан прогиб мембраны от давления; на фиг. 4 - показаны значения погрешностей выходного сигнала а зависимости от величины давления при предельных температурах.

0 Датчик давления содержит корпус 1 из диэлектрического материала, внутренние стенки которого расположены по оси симметрично, выполнены параллельными. Корпус состоит из стенки с мембраной 2, на

5 периферийной части которой выполнен кольцевой уступ, поверхность которого параллельна мембране, и жесткой стенки 3, обращенной к мембране. На внутренней части мембраны 2 расположен электрод 4 круглого конденсатора, а на поверхности

уступа - кольцевой электрод 5 эталонного конденсатора. Напротив электродов 4 и 5 на внутренней части жесткой стенки 3 расположены электроды измерительного 6 и эталонного 7 конденсаторов, Электроды 4 и б образуют измерительную емкость, а электроды 5 и 7 - эталонную емкость конденсатора. Электроды 4,5.7 соединены с контактами 8.

Датчик давления работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления Р на мембрану 2 происходит ее прогиб и относительное перемещение на величину W вместе с электродом 4 (см.фиг.З), в результате чего изменяется (увеличивается) измерительная емкость между электродами 4 и б на величину

Cu(P) Cu(d) -r ACu(d-W), где Си(Р) величина измерительной емкости, функционально зависимая от давления Р;

Cu(d) - величина измерительной емкости при отсутствии воздействия давления (зазор равен d):

ACu(d-W) - изменение измерительной емкости при предельном давлении (зазор равен d-W).

Электрод 5 опорной емкости расположен на уступе периферии мембраны 2, поэтому он от воздействия дэеления Р не перемещается, а следовательно, величина емкости между электродами 5 и 7 остается без изменения и равна

Со Со (d-0,5W).

где (d-0,5W) - величина зазора опорной емкости,

В преобразователе емкостей в напряжение выходной сигнал изменяется пропорционально величине отношений емкости Со/Си. Таким образом, от изменения давления изменяется отношение емкостей следующим образом:

Г /г ГП- C0(d-0-5W) WUAKJ Cu(d) + ACu(d-W) Изменение температуры в широком температурном диапазоне вызывает изменение величины зазора за счет теплового расширения материала мембраны 2 и корпуса 1. В прототипе равенство измерительной и опорной емкостей при нулевом давлении достигается равенством площадей электродов, поэтому равномерное изменение величины зазора вызывает равное изменение приращения емкостей Со и Си, следовательно, отношение C0/CU не изменяется от изменения температуры. Однако при изменении (увеличении) измеряемого давления опорная емкость С0 не изменяется, так как ее электроды расположены на недеформируемой периферийной части мембраны, а измерительная емкость Си изменяется, поэтому Со и Си становятся не- 5 равными. Следовательно, при равномерном приращении величины зазора между электродами от воздействия температуры возникает неравномерное приращение емкостей Со и Сц. В результате отношение Со/Си по

0 мере нарастания давления в большей мере подвержено изменению от температуры и наибольшая чувствительность от температуры оказывается при предельном давлении.

5 В предложенном техническом решении равенство емкостей как за счет площади электродов, так и за счет величины зазора достигается при давлении 0,5 Рп, где Рп - предельное давление. Это обусловлено тем,

0 что электрод 5 опорной емкости выполнен на уступе периферийной части мембраны 2, высота которого (0.5W) равна половине прогиба мембраны при предельном давлении Рп. Следовательно, при давлении 0,5 Рп тем5 пературные деформации приводят к равномерному изменению емкостей Со и Си. В случае нулевого и предельного давления погрешность от температурных деформаций уменьшается не менее чем на половину по

0 сравнению с прототипом при близких к предельному давлению. Следовательно, максимальная погрешность предложенного датчика не менее чем на 50% ниже, чем в прототипе. Изменение выходного парамет5 ра(у) в процентах в зависимости от величины изменяемого давления при предельных температурах минус 200 и 400°С показано на фиг. 4. На данном графике по оси X показано изменение давления Р, а по оси Y 0 величина изменения выходного параметра в процентах, причем кривая 9 - при минус 200°С, а кривая 10 - при +400°С. Кривая 11 (пунктирная) для прототипа характеризует изменение выходного параметра при

5 400°С.

Результаты температурных испытаний датчиков приведены в таблице, где у- относительная погрешность условно принятого выходного параметра Со/Си.

0 Предлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее снижением не менее чем в 2 раза чувствительности от температуры и возможностью его использования в широком температурном диапа5 зоне. Кроме того, при давлении 0,5 Рп уход выходного параметра практически равен нулю.

Учитывая, что в системах управления и аварийной защиты датчики рассчитаны для

измерений давлений в пределах (0,4-0,75) Рп, чувствительность от температуры в основной доле измерения уменьшается в 3-4 раза.

Таким образом технико-экономическим преимуществом предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом является увеличение точности измерения в 2 и более раза в широком температур - ном диапазоне.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус из диэлектрического материала, на внутренних стенках которого, расположенных перпендикулярно оси симметрии, по центру закреплены два электрода, а по периферии

0

5

- два эта;юнных кольцевых электрода, причем центральная часть стенки, на которой размещен один из измерительных электродов, выполнена в зиде мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности зз счет уменьшения температурной погрешности, в нем стенка корпуса, обращенная к мембране, выполнена жесткой, а периферийная часть стенки с мембраной имеет кольцевой уступ, высота которого равна половине величины прогиба мембраны от максимального давления, при этом один из кольцевых этапонных электродов размещен на поверхности кольцевого уступа, которая расположена параллельно мембране.

Использование: в измерительной технике, в частности к емкостных преобразователях давления. Сущность изобретения: на внутренних стенках корпуса 1, расположенных перпендикулярно оси симметрии, на центральной части установлены электроды 4.6,а по периферии - кольцевые электроды 5.7.Одна из стенок корпуса выполнена в виде мембраны 2. а кольцевой электрод 5 размещен на кольцевом уступе, выполненном параллельно противолежащей стенке корпуса и мембране, при этом высота кольцевого уступа равна половине величины прогиба мембраны при продольном давлении Рп. Равенство емкостей достигается при давлении 0.5 Рп, при котором температурные деформации приводят к равномерному изменению емкостей. 4 ил.

Фиг.1

ID

1 (О Г- -fi(woac)

ю{ wo°c)