Датчик перепада давлений

 

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 (/

СООЗ СОБЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„.SU„„163133

А1 (51) С 01 1. 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТБЕККЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4683829/10 (22) 24.03.89 (46) 28,02.91. Бюл. Н 8 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) В.A.Волков, Е.С.Левшина, И.Е,Макаров и B.B.Ñåëèôàíoâà (53) 531.787 (088.8) (56) Контрольно-измерительная техника. Измерительные преобразова— тели давлений и разности давлений, Экспресс-информация. N 36, М. 1986. (54) ДАТЧИК ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах для измерения давления, в особенности при необходиИзобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти широкое применение н датчиках давления в целях улучшения их метрологических характеристик и повышения технологичности сборки.

Цель изобретения — повьнпение точности измерений благодаря обеспечению прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно-частотной характеристики (А й).

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

Датчик содержит рабочую мембрану

1, выполненную иэ стеклокерамики, разделительные мембраны 2 и 3, на которые воздействуют давления Р и

Р внешней среды, корпус, состоящий из двух половин 4 и 5, выполненный также из стеклокерамики. На внешние

2 мости измерения небольших перепадов на фоне больших давлений. С целью повьнпения точнос ти из мерения давления н подмембранных камерах напротив разделительных мембран 2, 3 размещены дополнительные симметрирующие электроды 7 и 6, образующие с мембранами конденсаторы С я и С4.Повышение точности динамических измерений достигается за счет соединения одного электрода G с источником пос— тоянного напряжения и входом дифференцирующего усилителя, другого элект рода 7 — с источником постоянного напряжения и выходом дифференцирующего усилителя ° 2 ил. торцы обеих половин корпуса напылены электроды б и 7, образующие с разделительными мембранами I и 2 конденсаторы С и С . На рабочую мембрану

1 и внутренние торцы обеих половин корпуса также напылены электроды,образующие дифференциальный емкостный преобразователь с емкостями С и Сд.

Внутренний объем датчика заполнен кремний-органической жидкостью (например, типа ПОСЖ, . = 2,8 ) 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 Р, т,е. P = Р + Р у все три мембраны датчика 1 — 3 про1631330

Ром S (4".Ь ФЮ .(.

w,+ы +ч . и 1,„

+ -----) 1 к

I где W« g(2) гибаются вправо, и если в первом приближении считать жидкость, заполняющую внутренние полости,несжимаемой, то прогиб центра определяется как

Ря ч 8(зм

S< Б1

W +W — — -+W

4 Ъ S> 2. 82 (1) где S — площадь рабочей мембра1 ны 1; 15

W — жесткость рабочей мембра( ны 1;

W W3 — жесткости разделительных

3 мембран 2 и 3;

Б, $> — площади разделительных 20

2. мембран;

W,,Мз — эквивалентные жесткости (J Э разделительных мембран

2 и 3.

При прогибе рабочей мембраны 1 изменяются емкости конденсаторов

С и С и на выходе электрической ( схемы появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению Р„, .

Для того, чтобы сделать возможно меньше 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 40

Р, 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 45 таковы, чтобы полный объемный прогиб разделительных. мембран 2 и 3 (объем жйдкости, вытесненный . из-под мембраны, когда она ложится на торец) был меньше допустимого объемного про50 гиб а 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 Р(((ц.

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

Это определяется тем, что измеряемый перепад давлений P z>< нередко не превышает 1Х от основных давлений P0 .

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 (s

2Ро Wvas3 Ь W vasа

Р (о

0! РИ,,Ч Ы:« Wpqsg эквивалентная жесткость разделительных мембран;

W « — жесткость жидкостного

Ь W p((>3 объемаф разность жесткостей разделительных мембран

2 и 3 и жидкостных объемов с правой и левой сторон от рабочей мембраны 1, Втор ая сост авляющая вызв ан а изменением объема жидкости при изменении температуры $Q и определяется формулой

«К0 » (3Oq. = Р («1 1Разд + Vt 1 1РазЭ) ° изм где К(- температурный коэффициент объемного расширения жидкости

Ч,„ - объем жидкости с одной стороны рабочей мембраны 1; (Ч,« — разность объемов жидкости с правой и левой сторон рабочей мембраны 1.

Как видно иэ 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 ? предназначены для контроля за высотой купола и за симметрией "куполообразности" и, следо" вательно, за симметрией жесткости разделительных мембран 2 и 3 и подмембранных объемов в процессе "наддува" датчика жидкостью.

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

30

Еж Бэ (Uî + эс = р

F(Phsh ) (4) 2„

x U K

5 163 контроль за высотой купола производится в процессе "наддува" по значению емкости С или С4, а контроль симметрии производится также непосредственно в процессе "наддува по равенству емкостей С > и С4, Наличие дополнительных электродов 6 и 7 и дополнительных конденсаторов С> и С4 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 P и Р4 подается от одного источника постоянное напряжение Uo. Оба конденсатора С и С находятся при этом в режиме за4 данного заряда, Электрод 6 конденсатора С подключен ко входу дифферен3 цирующего усилителя, выполненного по одной из известных схем, выходное напряжение усилнтеля подается на электрод 7 конденсатора С4. При движении подвижной части на конденсаторе Сз появляется переменное напряжение, равное

U0

Ь bm

0 0 где ц — начальный зазор, т.е. зазор между мембраной 2 и электродом 6;

d m — амплитуда перемещения мембраны 6;

b =d mSrrrr2t — 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 эпектростатическая сила

Ьт 2

+ ЯК 13 -- — cosgt) в о

Э где S> — площадь электрода 7;

К вЂ” коэффициент усиления уси 0 лителя .

При условии (Qk>, d m/Ои) (1 можно пренебречь членом, содержащим cos Qt и считать электростатическую силу, равной

Гж Ss

f = — — — — Щ + эс g2 г Кио

+ 2П0 -у — Щт cosgt)

5 - к Яэ г г Куи

= — - -- (U + 2 — - b ), где h. = Q b, mcosQt — скорость перемещения подвижной части.

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

6 Pb Mh F(PrsN)

f30 (C3) 4(C+)

1 и где Д., b,, b — перемещение, скорость

20 и ускорение подвижной части соответственно;

m — масса подвижной части;

P — коэффициент успокоения;

W — суммарная жесткость системы;

F(PИЗм) — сила, действующая на подвижную часть под действием измеряемого давления;

Г (С ), Гэ(С4) — электРостатические силы между электродами конденсаторов С (электрод 6 — мембрана 2) и С4 (электрод

7 — мембрана 3).

Подставив в уравнение значения электростатических сил, получим

40 и

mb+ Pb + Wd = Г(р„,„) +

Яж,, г ж г

Ц U о о

45 f яэ г Кчо „ — — — — — U ух о E н

Я, Яэ 2

mg + (P+ — — — -UK )Ь+ (3 î С

Из последнего уравнения видно, ( что изменяется коэффициент при Ь и

55 к первоначальной составляюцей P доеАс Sy бавляется составляющая Р = — — — -- х эс ps созданная электрическим пу1б31330 тем. При инвертировании выходного напряжения дифференцирующего усилителя, например, усилителем УС2, электростатическая составляющая изменяет знак и таким образом суммарный коэффициент Р, может быть как больше,так и меньше Р. Значение Р регулируется коэффициентом усиления К усилителя УС1. Возможность регулировки коэффициента успокоения Р> для датчиков, заполненных жидкостью черезвычайно важна, так как значение коэффициента успокоения P существенно зависит от геометрии каналов и подмембранных камер и от вязкости жид— кости и технологически сложно обес.— печить требуемые коэффициенты успокоения беэ коррекции.

Пределы, в которых может быть осуществлена регулировка степени успокоения, те. P = Р. /(2тпg), где

m — масса подвижной части и Яо- собственная частота, могут быть определены из следующей Формулы (= бясЯэ 1 К чс

= +- — ---- U -- — -- — если задать о 2m размеры датчика. Так, при S y и 10 10 м,,1= 30 10 м, m =

1 10 кг, S7, 2 > 250 рад/с и Я =

= Зс.о, получим

885 2

= + ---L †-- U К

Значение К ограничено, так как (gK /О ) (I, задавая максимально возможные значения Q/1 = 1 и Q

= Qo получим К 6 1/Q„r,å. f3 =

= + +5,0 ° 10 Б . Таким образом при

50В значение Р мозно изменять о на «+ 1.

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

Кроме того, вязкость жидкос ти сильно зависит от температуры, предлагаемая же схема регулировки коэффициента успокоения при использовании усилителя с температурозависи5 мым коэффициентом усиления или температурноэависимого источника питания U позволяет осуществить темпеО ратурную 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 и з о б р е т е н и я

Датчик перепада давлений, содержащий корпус с мембраной разделяющей его на две измерительные полости, две металлические разделительные мембраны, образующие с корпусом две приемные полости и дифференциальной емкостной преобразователь пере25 мещения мембраны в электрический сигнал, при этом в корпусе выполнены соединительные каналы, соединяющие измерительные полости с приемными полостями, которые заполнены диэлектрической жидкостью, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет обеспечения прецизионности сборки датчика .и регулировки его амплитудно35 частотной характеристики в него ввеФ дены источник постоянного напряжения и дифференцирующий усилитель, а в корпусе в приемных полостях напротив разделительных мембран установлены введенные в датчик гальванически изолированные дополнительные электроды, при этом дополнительные электроды соединены с источником постоянного .напряжения и один из них подключен

45 к входу дифференцирующего усилителя, а второй — к его выходу.

1631330

Составитель О.Полев

Техред Д.Сердюкова

Корректор N.Максимишинец

Редактор И.Сегляник

Заказ 536 Тираж 350 Подписное фНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101