Способ настройки емкостного датчика давления

 

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

„„5U 1723473 А1

COIO3 СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, (я)з G 01 1 9/12

ГОсудАРстВенный кОмитет

ПО ИЗОЬРЕТЕНИЯМ И ОТКРЪ|ТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОPCКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ::

1,:.: - .2 (2 1) 4837696/10 . : . пус 1, упругую мембрайу:2, выполненную эа (22) 11.06.90,, .... -..:-- одно целое с карпусои, пластину З,.устаноа. (46) 30.03.92. Бюл, | Ь 12,::,: -, . ленную с зазором, который:обеспечивается (71) Научно-исследовательский институтфи- : кольцом 4. На поверхности мембраны 2 и зических измерений...,::::: —:; пластины 3, обращенных:друг кдругу, сфор. (72) B.À.3èíoebee, А.И.Русских и C.Ì,Ãîðî-:. . мированы методом напыления-.электроды 5, децкий: . -: .:: ..: 6 измерительной емкости и.:электроды 78 (53) 531,787(088..8) .. .-:::,." опорной емкости, которые подключены к (56) Патент США М 422741.9, кл. G 01 3 9/12,: электронному блоку с помощью проводни1980.: ..:: ков 9;. В процессе настройки датчика:.преАвторское свйдетельство СССР, .... - дусматривается выравнивание

N. 1663462, кл. G 01 L 9/12, 1989.. измерительной и опорной емкостей путем поворота пластины 3 относительно мембра(54) СПОСОБ НАСТРОЙКИ ЕМКОСТНОГО::.. ны2споследующимопределениемизменеДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ: . ния отношения емкостей llplNI минимальной (57) Изобретение относится к измеритель- . и.максимальной температурах, расчетам веной технике, в частности к способам на- личины компенсационной емкости и подстройки емкостных датчиков давления.:. ключением ее.в зависимости or величины

Целью изобретения является повышение - . либо к измерительной, либо к опорной емточности настройки. Датчик содержит кор-. кости. 3 ил., 1 табл.

1723473.

15

10

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статически.< и динамических давлений жидких и газообразных 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 обусМовлено тем, что термо 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 выравнивание измерительной и опорной емкостей путем поворота пластины относительно мембраны с последующим определением изменения отношения емкостей при минимальной и максимальной температурах, расчет величины компенсационной емкости и подключение ее в зависимости от величины либо к измерительной, либо к опорной емкости.

Предварительное закрепление пластины 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 выравнивать величины опорной и измерительной емкостей,. что позволяет повысить точность настройки.

Расчет величины компенсационной емкости с последующим выбором ее из набора дискретных емкостей и. последовательным подключением к измерительной емкости позволяет окончательно выравнять опорную и измерительную емкости, а также изменение их отношений от изменения температуры.

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

Предлагаемый способ настройки датчика для измерения давления отличается тем, что после установки пластины производят выравнивание измерительной и опорной емкостей Си и Со путем поворота ггластины относительно мембраны, затем пластину закрепляют Относительно мембраны. а изменение отношения емкостей от температуры определяют при минимальной t1 и максимальной t2 рабочих температурах, причем величину компенсационной емкости определяют иэ следующих соотношений: при условии

СиС1 /Cot1 > CNt2/СоС2

C„; P)

Си41 С,тг-Сот1 С тг при условии

Сиц/Со т1 < Сит2/Cot2 {3) и т1 Co t2 Со t1 Си t2 (4) 5 17234.73 6 где С 0. Cutz, Cot), Cotz — соответственно С > Со, то вращают пластину относительно величины измерительной и.опорной. емко- . своей оси в сторону увеличения взаимного стей при температурах tt и tz, перекрытия электродов опорной емкости, при этом в первом случае компенсационную т.е. согласно фиг,1 ло.часовой стрелке. В емкость последовательно подключают киз- 5 случае, если C> < Со, вращают пластину в мерительной емкости, а во. втором случае - сторону уменьшения взаимного перекрытия к опорной, —,: элеткродов опорной емкости, т,е..согласно

На фиг,1 показана конструкция емкост-. фиг.1 против часовой стрелки. Сущность ного датчика давления; на фиг.2. —.разрез данной методики заключается в изменении

А-.А на-фиг.1; на фиг;3 — упрощенная;струк-.. 10 величины перекрытия .электродов, а следотурная,схема датчика давления с электрони- вательно, в выравнивании измерительной и опорной емкостей в статическом режиме.

Емкостиый датчик давления. содержит что в результате обеспечивает равенство корпус 1, упругую. мембрану 2, .выполнен-.: .. приращений емкостей от влияющих фактоную за одно целое с. корпусом,. пластину 3, 1:5 ров, а следовательно, снижение погрешноустановленнуюсзазором, который опреде-... сти. Затем окончательно закрепляют ляется кольцом 4. На поверхностях MeM6pa-.: пластину с мембраной путем, например, ны 2 и аластин 3, обращенных друг к другу, . сварки и замеряют измерительную и опорсформированы методом напыления злект-. ную емкости при двух предельных. рабочих роды 5 и 6 измерительной емкости (Си) и 20 температурах, например при минимальной электроды 7 и 8 опорной емкости (Co), кото- t1 и максимальной t2, с последующим расчерые подключены к электронному блоку с - том отношений C/СС 1 и Си 2/Cote, помощью проводников 9. Электронный где Cwt1 Си<2 Со41, Cot2 — соответственно. блок состоит из источника. опорного напря-: . величины измерительной и опорной емкожения (ИОН) 10, формирователя опорного .25 стей при температурах t> и tg.. заряда (ФОЗ) 11, формирователя управляю-: - . При условии Си11/Соц > Сит/Cotz расщего заряда(ФУЗ) 12, спаренного переклю-.. считывают величину компенсационной емН E 1 чателя(П) 13, наборадискретных емкостей кости по формуле (2) и подключаю: (Д ) 4 и преобразователя заряда в напря- последовательно к измерительной емкости. жение (ПЗН) 15..: -: .. 30 При условии Сии)/Cot1 < Си12/Сонг, расДатчик давления работает следующим: считывают величину компенсационной емоб азом. р з м.: кости по. формуле (4) и подключают ее

При подаче измеряемой среды давлени- . последовательно к опорной емкости; ем Р мембрана 2 перемещается вместе.c . Таким образом. выбирая. требуемую электродом 5.по отношению к электроду 6, 35 расчетную величину компенсационной емв результате чего изменяется величина из- кости иэ НДЕ 14, подключают ее последовамерительной емкости С . Электроды 7 и 8 тельноспомощьюП13кизмерительнойили опорной емкости Со распололжены за пре- . опорной емкости в зависимости от полученделами деформируемой части мембраны.2, ного результата расчета йо выражениям (1) следовательно. они не перемещаются от 40 и(3). воздействия давления Р и величина емкости.. Сущность данной методики заключаетне меняется. От. ИОН 10 через ФОЗ 11 и ся в выравнивании величин отношений

ФУЗ 12 в цикличном режиме подается íà- - Catt/Cote = Cgt2/Сот в заданном интервале пряжение для. заряда опорной и измери- .температур tt и И. что достигается за счет тельной емкостей с последующим 45: последовательного подключейия к опорной преобразованйем в ПЗН 15 отношения за-: или измерительной емкости компенсацион-. рядов на измерительной а опорной емко.- ..; ной емкости. Если величина: отношения стя х (Си/Co), которые являются . Сы/Со, т.е. измерительной к опорной, сохрафуйкционально зависимыми от изменения няется постоянной при изменении темперадавления P = f (C>/Co).: 56- туры, то на выходе ПЗН 15 величина сигнала

Способ настройки датчика для измере-, не изменяется, а следовательно, достигаетния давления осуществляют следующим об--., ая температурная компенсация выходного разом.:...: сигнала устройства для измерения давлеУстанавливают пластину 3 с зазором от- 55 ния, Выражения (2) и(4) получают иэ условия носительно мембраны 2, располагая элект-: . - выравнивания отношений емкостейдля слурод ы 7 и 8 с за план и рова мной чая последовательного подсоединения комнессиметричностью друг против друга на пенсационной емкости к измерительной дуге и предварительно жестко закрепляют,: емкости либо к опорной емкости. затем замеряют измерительную емкость .. При условии подсоединения к измери(С ) и опорную емкость. (Co). В случае, если:тельной емкости

1723473

С t1 Сх Сиt2 С»

Си t1 + Cx Си t2 + Cx (5)

Cot1 С тг при условии подсоединения к опорной емкости 5

Си (1 Cg t2

Со t1 Сх Со t2 Сх

СоИ+Сх Cot2+Cx

Выражая С» из соотношения (5). получают зависимость (2), а выражая С» из соатно- "0 шения (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 металлопленочный датчик давления типа изображенного 20 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 долж- 25 но обеспечиваться равенство емкостей Со =

"Си. Однако из-эа технологических перекосов и неточностей ожидаемого равенства не получается, а неравенство емкостей. в свою очередь. приводит к большим погрешно-.30 стям 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 35 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 окончатель- 40 ного закрепления, например, лазерной сваркой пластины с мембраной при двух предельных температурах t1 -200 С и t2 =

-400оС. В графах 9 и 10 даны отношения

Си/Co при температурах t1 и t2, по значени- 45 ям которых выбирают расчетную формулу (2) или (4). В графе 11 приведена величина погрешности от температуры без учета Сх.

В графе 12 показаны равчетные данные величин требуемых компенсационных емкостей, Величину компенсационной емкости

С» выбирают из НДЕ 14, состоящего из дискретных емкостей, например конденсаторов типа К1042. В графах 13 и 14 приведены, отношения емкостей Си/Co с учетом Сх при 55 температурах t1 и t2, характеризующие изме 1ение выходного параметра от изменения температуры. В графе 15 приведена величина температурной погрешности с учетом С» в диапазоне от -200 до +400 С, которая рассчитана по формуле у= 100,(7) где Си/Co (t1), Си/Со (t2) — отношение емкостей при температурах t1 и t2.

Таким образом, .увеличение точности настройки достигается за счет выравнивания величин емкостей путем изменения площади перекрытия электродов опорной емкости с последующим выравниванием от-: ношений измерительной и опорной емкостей при предельных температурах.

Предлагаемый способ настройки позволяет компенсировать температурную погрешность в температурном диапазоне от

-200 до. +400 С, что повышает точность измерения в 2-2,5 раза.

Формула изобретения

Способ настройки емкостного датчика давления, при котором напротив мембраны с кольцевым буртом и электродами. центральным и в виде незамкнутого кольца, устанавливают с зазором пластину с ответными электродами, образующими измерительную Си и опорную Со емкости, определяют изменение отношения емкостей

Си/Со в зависимости от температуры и определяют величину компенсационной емкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности настройки, после установки пластины производят выравнивание емкостей Си и Со путем поворота пластины относительно мембраны, затем пластину закрепляют относительно мембраны, а изменение отношения емкостей от температуры определяют при минимальной t1 и максимальной, рабочих температурах, причем величину компенсационной емкости С» определяют из следующих соотношений: при условии

Си И > Ситг

Со т1 Co t2

Сх

Си т1 Со 12 Со т1 Си 12 а при условии

Си1 < Си12

Со т1 Со тг

Сх

Си т1 Сс 12 Со 11 Си 12

ГДЕ С 41, Ситг, Сот1. Cot2 — СООтВЕтСтВЕННО величины измерительной и опорной емкостей при температурах t1 и t2, при этом в первом случае компенсационную емкость последовательно подключают к измерительной емкости, а во втором случае— к опорной. б ° и б —: hI z; Z . с 6 I0. u ц, . О

z О о е

V-c

=.e

Ос 9 с с

C б и СС

z c с

ВАКХ ,рzs ILI с Е

8 д

1723473

СЪ (О Cl . оооо

Оо Ооо в О, с LA

hl opÚID t брс0СО

° Ц) а» е» o.o ч

В СЧ СО С ) Ф сч г- о сосо

С ) ct бО LD оо

rf LA I i- ID

O СЧ .- Ж I ».

<О LA Ф О И>

СЧ » ID

С3 LA <Р ID бй оо I oo

NС0C0 -В

OCI) ВO0 о. в в в в оооо

00 С",б СЧ CO С ) ввсчсОв

Ch L0l В В В ооооо

NI (ООCO

H c3 о сч в

СО 1 В В В фОООФФ

СO (-. 00 В В Ф 00 бФ СЧ 00 - ло са

СО ) - в Ф в

CV . б» CV со Т в о л еО С Со В В и р ®3р

s z s s s иииии б- CI t С0 бб0 в в сч Ф Ф фФвэв

СО а ° а СО

Q ф а- СЧ С0 со лсь.в в

1723473