Емкостный датчик давления

 

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 подмембранными 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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU „„1421266 А5 ц g G 01 L 9/12ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИОТНРЫТИЙ

М.. и.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, т,".

gag;, H ПАТЕНТУ

Фиа 8 (21) 3453803/24-10 (86) РСТ/US 81 /01 329 (02. 10. 81) (22) 04.06.82 (31) 194758 (32) 06. 10.80 (33) US (46) 30.08.88. Бюл. Р 32 (71) Роузмаунт ИНК (uS) (72) Роджер Леонард Фрик (uS) (53) 531.787(088.8) э (5á) Патент США У 36 18390, кл. G 01 1 9/12, 1969. (54) EMKOCTHMA ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) 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 полостяхразмещены изоляционные вставки 26, 28, подводящие каналы которых сообщены трубопроводами 12, 13 с соответствующими подмембранными полостями 10 и .11 разделительных узлов 3, 4. Каждая вставка выполнена в форме усеченного конуса с углом 25-27 между образующей конуса и плоскостью мембраны. Полости узлов 3, 4 и чувствительного элемента 2 заполнены жидкостью. Разность давлений, воздействующих в направлениях

5, 6, приводит к отклонению мембраны

16 и,соответственно, к изменению ем-кости конденсатора, образованного 3 мембраной 16 и слоями 3 1 и 32 эле- ктропроводящего материала. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

142! 266

Изобретение относится к констру- ированию изолирующих устройств и.узлов для ус-.ановки диафрагм емкостных датчиков давления.

Целью изобретения является повьгшение точности.

На фиг. 1.представлен датчик давления, сечение; на фиг. 2 — корпус чувствительного элемента датчика давления, сечение; на фиг. 3 — график ре.зультатов испытаний датчика, на котором показана величина ошибки {в десятых долях процента) в зависимости от перепада давлений для пяти различных градуировок, с избьггочным давлением 0-200 фунтов на кв. дюйм, или 0-140, 62 кг/см ; на фиг. 4— график зависимости выходного отклонения от переменного давления в 20 линии и температуры; на фиг. 5— схема чувствительного элемента при отсутствии статического давления; на фиг. 6 — схема деформации чувствительного элемента при наличии ста- 25 тичес.кого давления в линии. датчик содержит опорную раму 1, служащую опорой для корпуса 2 чувствительного элемента и двух разделительных узлов 3 и 4. Разделительные30 узлы 3 и 4 могут бьггь встроены в корпус либо располагаться на расстоянии от него. Стрелками 5 и б обозначены давления на входных отверстиях датчика. Диафрагмы 7 и 8 разделительных узлов выполнены гибкими (вялыми) с гофрами 9. Камеры 10 и 11 образованы мембранами 7 и 8 разделительных узлов

3 и 4 и сообщены трубопроводами 12 и 13, выполненными, например, из не- 40 ржавеющей стали.

Корпус 2 чувствительного элемента изготовлен из нержавеющей стали, например аустенитной стали марки 304.

Корпус 2 образован иэ двух одинаковых 4,. частей 14 и 15, разделенных чувствительной мембраной 16, края которой зажаты. Мембрана 16 может деформироваться под воздействием перепада давлений, причем при сборке предварительно подвергается определенному радиальному натяжению. В части корпуса 14 образована центральная кокическая полость 17 с расточками 18 и 19, а в части корпуса 15 образована такая же центральная коническая полость 20 с расточками 2 1 и 22. В частях корпуса 14 и 15 имеются трубопроводы 23 и 24,, сообщенные с трубопроводами 12 и 13 соответственно.

Внутренние полости трубопроводов

23 и 24 представляют собой продолже- ния полостей трубопроводов 12 и 13 и соединены с камерой 25, образован" ной в части 14 диафрагмой 16 и изоляционной вставкой 26, и с камерой

27, образованной в части l5 мембраной 16 и изоляционной вставкой 28 соответственно. Через отверстие 18 в камеру 17 введен электрический проводник 29, а через отверстие 2 1 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 l7 и 20, расточки 18 и 2 1 и закреплен на поверхностях частей корпуса 14 и 15, образующих угол с по отношению к плоскости мембраны. Центральные части изоляционных вставок 26 и 28, центральные эоны частей корпуса 14 H 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, воздействующего на изолирующие диафрагмы. Трубопроводы 23 и 24 могут быть выполнены в виде единого цилиндра или множества небольших цилиндров, чтобы создать опору для мембраны 16 в условиях воздействия на нее повышенного давления.

На внутреннюю поверхность н,оляционных вставок 26 и 28 нанесен соответствующий электропроводящий материал 3 1 и 32, образующий электроды, обращенные в сторону чувствительной 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 3 1 и 32 сплошным сварным швом 33, благодаря чему она образует с каждым нз этих слоев конденсатор с емко— стями С, и С соответственно. Проводник соединен с корпу ом 2, кото66

4 з 14212 рый имеет тот.же потенциал, что и мембрана 16. Мембрана 16 может бьггь также выполнена из непроводяшего материала и иметь проводящий участок, который будет общей пластиной для

5 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, и в 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. 25

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 жестко, например сваркой. Как показано на фиг. 1, он удерживается упругими лолосами 35, выполненными из электрически непроводящего материала, изолирующими корпус 2 чувствительного элемента от рамы 1 и служащими опорой корпусу 2.

Вариант выполнения датчика изображен на фиг. 2. Одинаковые элементы обозначены на фиг. 2 теми же цифрами, что и на фиг. 1, но с добавлением буквы а. Здесь корпус 2а чувствительного элемента несколько шире, чем в устройстве, показанном на фиг. 1, а расточки 19а и 22а несколько глубже, чем расточки19 и22 и частично эаполнеА у

55 ны материалом 26а и 28а, образующим изоляционные встарки, Угол 8 представляет собой угол между мемб-раной в ее среднем положении и конической 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 выполнения устройства угол о

6 составляет примерно 45, было установлено, что повышенную стабильность, а следовательно, и повышенную . точность обеспечивают углы в пределах о

25: -70 . Угол может бьггь 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 трубопроводов 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 перепаду этих давлений, вследствие чего изменяется емкость конденсатора, образованного этими слоями и мембраной.

Одним из преимуществ датчика является уменьшение воздействия статического давления на диапазон да" влений датчика.

Если толщина изолирующего 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 (36а и 37а) подвергаются воздействию срезающих усилий, которые могут вызвать ослабле- ние или разрушение связи. Если усилие прикладывается к нарушенной связи, оно вызывает смещение изолирующего материала в налравлении от мембраны.

Смещение изолирующего материала создает нежелательные изменения емкости, не представляющие собой величину определяемого давления, что приводит к увеличению ошибки, вызываемой статическим давлением в линии. Если датчик выполнен согласно изобретению, то связи 36 и 37 (Зба и 37а) испыты1421266

CH — CL Хр 1

О

CH+ CI. Х d где О

CI.

Хо

d „

Упр

Хр

Х d, вают в основном сжимающие нагрузки и гораздо меньше подвержены разрушению.

При удалении изоляторов от боковой стороны корпуса чувствительного элемента пространство конденсаторной пластины по обеим сторонам мембраны 16

1 увеличивается с увеличением статического давления в линии 5 и 6 благодаря 0 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, 5 и 6 эти оси обозначены

X-Х) в то время как обе части корпуса стремятся сжаться близ мембраны, 20 как показано стрелками 38 на фиг. 2 и 6 (на фиг. 5 и 6 изолирующий материал не обозначен, на них показаны конфигурации, получаемые на фиг. 1 и 2). Такой перекос может быть лучше всего объяснен фиг. 5, где показаны части 14 и 15 в ненагруженном состоянии, и на фиг. б, где показано сос" тояние перекоса, вызываемое увеличением статического давления в линии. При увеличении статического давления в линии конденсаторное пространство d (фиг. 5) между мембраной

16 и конденсаторными пластинами 31

t и 32 увеличивается до размера d (фиг. 6), однако такое увеличение не представляет собой увеличение перелада давления. В соответствии с изобретением увеличение емкости, вызванное подобным перекосом, в значительной степени компенсируется уменьшением радиального натяжения мембраны, вызываемым сжатием близ нее. Радиальное предварительное натяжение, приложеннае K мембране в момент изготовления датчика, а также соответ- 4 ствующий подбор размеров и материалов обеспечивают уменьшение эластичности мембраны с увеличением статического давления. Предпочтительным материалом для мембраны является 50 высокопрочкая сталь с высокой упругостью. Указанная компенсация имеет место при всех величинах статического давления в линии, однако наиболее ярко она проявляется при давле- 55 киях выше 500 фунтов на кв. дюйм (35 кг/см ).

Приведенное ниже уравнение поясняет компенсацию статического давления: выходкой сигнал емкосткой ячейки перепада давления; емкость большего из конденсаторов С или С емкость меньшего из конденсаторов С„ или С, отклонение мембраны под действием перепада давления; — конденсаторное пространство при кулевом статическом давлении; †. натяжение диафрагмы. ощенко формула выглядит так:

Если датчик выполнен согласно иэо— бретению, при увеличении статического давления в линии конденсаторное простракство Х увеличивается до раэ1 мера Хр . Выдерживая произведение

Х о практически равным Х„. д, т. е. по существу постоянным, можно обеспечить величину отклонения мембраны

X в зависимости от приложенного к ней перепада давления, в результате величина выходного сигнала О не будет зависеть от величины статического давления в линии.

Были проведены испытания под воздействием действительных рабочих нагрузок датчика, выполненного по изобретению согласно фиг. 1 и 2, но с цилиндрической поверхностью раздела металл-изолирующий материал поверхность раздела была сначала выполнена перпендикулярной мембране

16 (9 равен 90 ), затеи практически параллельной (6 равен нулю) . Причем испытываемый датчик ке имел предложекной, сжимаемой сьязи, а имел известную срезаемую связь. Улучшенная связь помогает избежать разрушения соедикения, ко поскольку было установлено, что такое разрушение не происходит, следовательно, вид соединения не влияет на результаты испытания.

L остальном испытываемое устройство было выполнено согласно изобретению, т.е. разделительные уз ьы 3 и 4 были отделены от корпуса 2 чувствительного элемента, имелась компенсация искривления корпуса 2 чувствительного элемента и предварительное натяжение мембраны !6. Толщина мембраны

16 составляла 1,8 мил (1 мил

1421266

=25,4 мкм), диаметр — примерно

1, 12 дюйма (- 28, 5 мм), предварительное натяжение составило 105000 фунтов на кв. дюйм (7380 кг/см ), хотямогут: -, быть использованы величины предварительного натяжения от 50000 до 200000 фунтов на кв. дюйм (3515-14062 кг/см ) мембрана была вьп олнена из материала

"Nispan С, материалом изоляционных 0 вставок 27 и 28 (27аи 28а) было стекло марки "Оуэнс 0120" (Owens) корпус чувствительного элемента бып выполнен из материала "Nispan С" и имел 1,250 дюйма в диаметре (31,75 мм). Кон- 15 денсаторное пространство Хо было рав- но 0,0075 дюйма (О, 19 мм) в центре.

Изоляторы 3 и 4 были выполнены из нержавеющей стали марки "304SST", имели примерно 3 дюйма (76,2 мм) в диа- 20 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). 25

Результаты испытаний приведены на фиг. 3.

Как видно из графика, все отклонения испытательных точек под воздействием статического давления в линии не превышали 0,27 в диапазоне перепада давления от 0 до 240 дюймов водяного столба (0-609 .м), в диапазоне статического давления от 0 до 2000 фунтов на кв. дюйм (0-140 кг/см ).

Кривые 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 имеют непосредственного контакта с корпусом чувствительного элемента. В непосредственном контакте с корпусом чувствительного элемента находятся лишь трубки, образующие 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.

Было проведено также испытание для демонстрации улучп|енного некомпенсированного температурного воздействия по отношению к стабильности выходного сигнала предлагаемого датчика, результаты которого приведены на фиг. 4. Иекомпенсированным воздействием является ошибка, имеющая место до какой-либо компенсации электрического сигнала. Компенсация электрического сигнала обычно используется для уменьшения дальнейших ошибок, однако наиболее предпочтительно иметь устройство с малой некомпенсированной ошибкой. Каждая кривая на фиг. 4 представляет отдельный отсчет.

Было выполнено несколько таких отсчетов, из них на фиг. 4 показано семь. Кривые показывают, что предложенная конфигурация обеспечивает превосходную стабильность и весьма низкий тепловой гистерезис,поскольку отклонение значения емкости для трех отсчетов при 100 F составило менее +О, 187.. Тепловой гистерезис имеет отношение к разнице результатов отсчетов при заданной температуре в зависимости от того, приходят к этому отсчету от более высокой или низкой температуры.

Было успешно испытано множество образцов, изготовленных .из различных материалов и имевших разные размеры, при этом в опытах использовали мембраны, изготовленные из стали марки

"Начаг" фирмы "Хэмилтон Индрастриз (Hamilton Industries) или сплава марки "Elgiloy" фирмы "Элджилой

Ко" (Elgiloy Co), в качестве материала изоляционных вставок 26 и 28 применяли щелочное свинцовое стекло, а именно стекло марки "Корнинг 1990", а корпус чувствительного элемента изготавливали из аустенитной нержавеющей стали.

Кроме того, преимуществом данного изобретения является то, что поскольку мембраны 7 к 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

9 14

1, упрощается схема датчика, когда требуется электрическая изоляция, что происходит достаточно часто в промьппленных измерениях давления, Формула изобретения

1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводной мембра ной на две полости, в каждой из которых выполнена изоляционная вставка с подводящим каналом по центру и вог.нутой рабочей поверхностью, снабженной электродом, обращенным в сторону мембраны, и два разделительных узла с разделительными мембранами, при:чем полости узлов и чувствительного элемента заполнены жидкостью, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с це21266 10 льюповышения точности, он снабжен опор" нойрамой, внутри которой закреплен кор,пус чувствительного элемента, а подмембранная полость каждого разделительного узла соединена с соответствующим подводящим каналом изоляционной вставки при помощи введенного в датчик трубопровода, при этом каждая

1п изоляционная вставка выполнена в форме усеченного конуса с углом 25270 между образующей конуса и плоско-, стью мембраны.

2. Датчикпоп. 1, отлича15 ю шийся тем, что в нем два разделительных узла удалены на расстояние от корпуса чувствительного элемеHtB и прикреплены к раме, при этом корпус чувствительного элемента за20 креплен внутри рамы с помощью неэлектропроводных опор.

1421266

t2 °

-. t7

+ t.r%

+ .о%

+3%

-1. О

+ g %

+.7%

+.6%

+ у% %

+ . 3

+ gÝ/

+.1%

f Э/ — 2% —. % фЮ/ р/ уе/ уе/

8е/ уо/ юа др а » жо

О бИ/б + /ббб РРб о Мо ж жажм

Ь аба ХМ

Ли, л

¹ 100н аР1421? 66

Х

Составитель И. Жуков

Техред И.Моргентал Корректор C. йекмар

Редактор Л. Веселовская

Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Иосква, Ж-35, Раушская нао., д. 4/5

Заказ 4336!59

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,