Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к емкостным датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения температурной погрешности. Емкостный датчик давления, содержащий корпус 1, мембрану 2 с цилиндрическим опорным основанием 3, измерительный 5 и эталонный 6 конденсаторы, снабжен кольцом 10с электродом 9, конденсатором 7 и втулкой 11, соединенной с пальцем 10 и закрепленной на основании. При воздействии давления мембрана 2 прогибается, изменяется емкость конденсатора 5, по которой судят об измеряемом давлении. При изменении температуры перемещается кольцо 10 «изменяется емкость конденсатора 7, который будучи соответствующим образом подключенным к измерительному конденсатору 5, компенсирует температурную погрешность последнего. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. (Л С

(!9) ()!) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s!)s 6 01 L 9/12

ГОСУДАРС ГВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

; t. . .йТФ ; ",,!) "1,г..„н;::

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фу (Я

С), (10

14

11

11

Ц (21) 4835044/10 (22) 04.06,90 (46) 15.08,92, Бюл. f+ 30 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.АЛУ1окров и Е.M.Áåëîçóáîâ (56) Авторское свидетельство СССР

М 533674, кл. G 01 1 9/12, 1977.

Авторское свидетельство СССР

Q 11662222.778888, кл. 6 01 L9/12,,1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измеритель- ной технике, а именно к емкостным датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения температурной погрешности. Емкостн ы и датчик давления, содержащий корпус 1, мембрану 2 с цилиндрическим опорным основанием 3, измерительный 5 и эталонный

6 конденсаторы, снабжен кольцом 10 с электродом 9, конденсатором 7 и втулкой 11, соединенной с пальцем 10 и закрепленной на основании. При воздействии давления мембрана 2 прогибается, изменяется емкость конденсатора 5, по которой судят об измеряемом давлении. При изменении температуры перемещается кольцо 10 изменяется емкость конденсатора 7, который будучи соответствующим образом подклю ченным к измерительному конденсатору 5, компенсирует температурную погрешность последнего. 1 з,п. ф-лы, 1 ил.

1755074

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давлений в широком диапазоне температур.

Известно устройство для измерения давления, содержащее прогибающуюся мембрану и плоскую эталонную пластину.

На мембране установлены два кольцеобразных электрода, первый является чувствительным, второй — эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогибаемой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между мембраной и эталонной пластиной, не препятствуя прогибу мембраны, Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметрусоединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кол ьцеобразному электроду на мембране.

Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик, Недостатком известного устройства является довольно значительная погреш.ность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды вследствие неидентичности изменения емкостей .измерительного и эталонного конденсаторов от температуры, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является устройство для измерения давления, содер-. жащее корпус, мембрану с цилиндрическим опорным основанием, диск, закрепленный с зазором относительно мембраны, и преобразователь деформации в виде двух пар противолежащих электродов, первая из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая — на опорном основании и периферии диска, Недостатком известной конструкции является повышенная погрешность при воздействии температуры измеряемой среды, что объясняется неодинаковой величиной изменения емкости первой и второй пар электродов от температуры.

Целью изобретения являетея уменьшение погрешности при воздействии температуры измеряемой среды за счет возможности учета температуры измеряемой среды и непосредственных тефмодеформаций мембраны и опорного основания, мембраны, а следовательно, и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительного конденсатора (первая пара электродов) перемещаются в

45 направлении неподвижного электрода, В результате этого межэлектродный зазор этой пары электродов уменьшается, а его емкость (Сх) соответственно увеличивается, Емкость второй пары (Co) электродов не зависит от измеряемого давления вследствие сравнительно массивного опорного основания. Значения емкостей первой и второй пар электродов через их контактные пло55 щадки и гермопроходники передаются на нормирующее устройство 16, которое формируЕт выхОднОй Сигнал 08цх1, ЗавиСящий от отношения емкостей второй пары электродов и первой по алгоритму K>.(Q-C

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с цилиндрическим опорным основанием 3, диск 4, закреплен10 ный с зазором относительно мембраны, и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов. Первая пара 5 электродов расположена по центру мембраны и диска, вторая пара 6 электро15 дов — на опорном основании и периферии диска, Концентрично второй паре электродов выполнена дополнительная пара 7 электродов, один из которых 8 размещен по периферии опорного основания, а дру20 гой 9 — на дополнительном кольце 10, расположенном концентрично с диском и закрепленном с зазором относительно размещенной концентрично опорному основанию дополнительной втулки 11, один из

25 торцов 12 которой расположен в одной плоскости с поверхностью мембраны, а другой торец 13 жестко закреплен на опорном основании, например, при помощи лазерной сварки, Диск крепится к мембране при по30 мощи прокладки 14, а кольцо — при помощи прокладки 15.

Втулка выполнена из сплава 20Х13 (ае = 10,1 10 С ); мембрана, опорное основание, диск и кольц1о — из сплава

35 70НХБМЮ(бац=13,5 10 С ). Длину втулки выполняют в соответствии с заявляемым соотношением.

Устройство для измерения давления работает следующим образом.

40 Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика жесткий центр

1755074 а следовательно, и от измеряемого давления. При воздействии на датчик повышенной температуры (как стационарной, так и нестационарной) емкости электродов первой и второй пар изменяются в различной 5 степени в силу различных причин, в том числе и разного расстояния от места закрепления диска. Выходной сигнал с нормирующего устройства передается через емкость дополнительной пары электродов С1 на уси- 10 литель 17, в цепь обратной связи которого включена емкость С02, которая установлена вне датчика.

Емкость электродов дополнительной пары электродов в зависимости от темпера- 15 туры изменяется таким образом, что компенсирует неидентичное изменение емкостей первой и второй пар, Происходит это следующим образом.

При увеличении температуры геомет- 20 рические размеры опорного основания (от места закрепления торца втулки до поверхности мембраны) изменяются на величину, отличную от изменения размеров втулки, вследствие отличия ТКЛР втулки от ТКЛР 25 опорного основания, В результате этого зазор между электродами, а следовательно, и емкость (С1) дополнительных электродов изменяются в зависимости от температуры.

Так как длина втулки выполнена в соот- 30 ветствии с заявляемым соотношением, то изменение емкости дополнительных электродЬв от температуры будет таково, что скомпенсирует идентичное изменение емкостей первой и второй пар от температу- 35 ры. Таким образом, на выходе усилителя 17 формируется выходной сигнал, не зависимый от температуры.

Расположение электродов дополнительной пары электродов по периферии 40 опорного основания и на дополнительном кольце позволяет выполнить дополнительную емкость зависимой от температуры. . Расположение кольца концентрично диску и дополнительной втулки концентрично 45 опорному основанию позволяет уменьшить габариты и температурную погрешность вследствие компактного расположения элементов конструкции и повышения в результате этого равномерности распределения 50 температур.

Один из торцов дополнительной втулки расположен в одной плоскости с поверхностью мембраны, а другой жестко закреплен на опорном основании для обеспечения из- 55 мерений термодеформаций опорно о основания относительно термодеформаций втулки. Для этих же целей служит выполнение втулки из материала с ТКЛР, отличным от ТКЛР опорного основания, Причем в

Uevx = К1 {К2 ).

Со

Сх где Со — емкость образованного конденсатора;

Cx — емкость измерительного ко 4енсатора;

К1, Кг — коэффициенты преобразования.

При температуре t (2) При температуре tp (3) Овых10 = K10 (К20 С )

Схо

Ct

Овых 2 0вых1

При температуре to выходной сигнал с учетом температурной коррекции равен

С10

020 - Ue xtoCor (4) При температуре t выходной сигнал с учетом температурной коррекции равен:

Сп

Ueex2t 0вых11 С (5)

02

Для того, чтобы выходной сигнал с учетом температурной коррекции не зависел от температуры, необходимо, чтобы предлагаемой конСтрукции в случае выполнения втулки из материала с ТКЛР, близким нулю, например из кварца. у которого с = 0,5 10 С, емкость-термозависимого конденсатора С1 характеризует величину термодеформаций опорного основания.

Для обоснования высказанных соображений рассмотрим более подробно конструкцию датчика, Пусть при температурах тв и с величины емкости электродов первой пары (измерительный конденсатор) соответственно равны С„и С«, а величины емкости электродов второй пары — Coo и Сов Зададимся целью, чтобы несмотря на неодинаковую величину изменения емкостей Сх и Со от температуры выходной сигнал, образованный в соответствии с выбранным алгоритмом, не изменился бы от температуры.

Общепринятый алгоритм обработки выходного сигнала для емкостных квазидифференциальных датчиков

1755074

При изменении температуры от to до t величина межэлектродного зазора термозависимого конденсатора изменится от

Ьоо на величину, определенную по соотно5 шению: где в — высота втулки.

10 Тогда межэлектродный зазор термозависимого конденсатора при температуре t будет равен

О вых10

«= t0

О вых11

Ь01 =boo -Bazoo (14)

Поэтому емкость термозависимого конденсатора при температуре t будет равна (9) Cto = е е,-- - —, Soo оо

20 Ctt - а 6) -д-- = е 6) х

801 (15) r- щ

Подставляя выражение для С«и С10 в

30 соответствующее выражение, получим (16) S0t

Ctt= о — х—

Овых10

О вых11 (10) После преобразования получим:

UBbIx1o Ью — Овых10 Le(- а,){т-to)(1Л

Овых11йо(1+Иц{1 to) i

45 где roo; го1 — соответственно наружный и внутренний радиусы электродов термоэависимого конденсатора, в

Подставляя в полученное выражение

ЗНаЧЕНИя Овых11 И Овых1О И уЧИтЫВая, ЧтО КОэффициенты преобразования определяют55 ся электронным преобразователем, располагающимся на некотором расстоянии от датчика и непосредственно не подвергающимся воздействию температуры измеряемой среды, т.е. К10- Ktt и К20- К21, получаем г 01) (1+ {t to)) ° (12) Овых20 = Овых21 (6)

Раскрывая содержание выходных сигналов, получим

Се С«

Овых10 С Овых11 C ° P) 02 02

Умножая обе части на С02 и приводя к более удобному виду, получим

Емкость термоэависимого конденсатора при температуре to равна где e — относительная диэлектрическая проницаемость вакуума;

eo — абсолютная диэлектрическая проницаемость;

So — площадь поверхности электродов при температуре to, boo — межэлектродный зазор при температуре to.

Емкость термоэависимого конденсатора при температуре с с учетом инвариантности относительной и абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума от

° температуры будет равна где $ог — площадь поверхности электродов при температуре 1, M — межэлектродный зазор при температуре 1.

Площадь лектродов термозависимого конденсатора при температуре to равна

SoO = л { 200- 01), {11) Площадь электродов термозависимого конденсатора в случае выполнения его из материала, идентйчного материалу упругого элемента, при температуре t равна

Sоt - m(r2оос-г201д - ж(г200—

d boo = 3-в (йц - a ) (t - 1о ), (13) 1755074

10 диск, парой кольцевых электродов, размещенных на кольце и основании и образующих компенсационный конденсатор, и втулкой, охватывающей основание и закрепленной одним торцом на основании, а другим на кольце, прйчем длина втулки определена соотношением: (18) "в =

Составитель Е. Белозубов

Редактор Л. Веселовская Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль

Эаказ 2884 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является уменьшение -10 температурной погрешности за счет возможности учета температуры измеряемой среды и коррекции неидентичного изменения емкостей первой и второй пар от температуры, а также уменьшение погрешности и ри воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.

Уменьшение погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды происходит за счет 20 возможности учета непосредственно термодеформации опорного основания, Формула изобретения

1. Устройство для измерения давле-. 25 ния, содержащее корпус, мембрану с цилиндрическим опорным основанием, диск, закрепленный с зазором hop îòíîñèòåëüíî мембраны и измерительный и эталонный конденсаторы, образованные круглыми 30 электродами в центрах мембраны и диска и кольцевыми электродами, размещенными на опорном основании и периферии диска, и измерительную схему, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за.35 счет уменьшения температурной погрешности, он снабжен кольцом, охватывающим где Схо, Cxt. Соо, Са — соответственно емкости измерительного и эталонного конденсаторов при минимальной to и максимальной

t температурах рабочего диапазона температур:

К вЂ” коэффициент пропорциональности; ац, а — температурные коэффициенты линейного расширения материалов опорного основания и втулки, при этом кольцо выполнено из материала, температурный коэффициент линейного расширения которого равен ац. 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в нем измерительная схема выполнена в виде первога и второго усилителей и дополнительного конденсатора, причем эталонный конденсатор включен на . вход первого усилителя, в цепь обратной связи которого включен йзмерительный конденсатор, а выход первого усилителя подключен через компенсационный конденсатор к входу второго усилителя, в цепь обратной связи которого включен дополнительный конденсатор.