Емкостный датчик давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления и разности давлений. Сущность: емкостный датчик давления содержит корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводящей мембраной на две полости, и два разделительных узла с разделительными мембранами. В каждой из полостей выполнена изоляционная вставка с подводящим каналом по центру и вогнутой рабочей поверхностью, снабженной электродом, обращенным в сторону мембраны. Полости узлов и чувствительного элемента заполнены диэлектрической жидкостью. При этом каждый из электродов разделен на два электрода, выполненных в виде двух проводящих, электрически несвязанных между собой колец. Каждое кольцо электрически соединено с соответствующим ему наружным выводом. Технический результат изобретения - повышение точности измерения разности давления. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления и разности давлений.

Известен емкостный датчик давления [1], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводящей мембраной на две полости, в каждой из которых выполнена изоляционная вставка с подводящим каналом по центру и вогнутой рабочей поверхностью, снабженной электродом, обращенным в сторону мембраны, и два разделительных узла с разделительными мембранами, причем полости узлов и чувствительного элемента заполнены диэлектрической жидкостью.

Недостатком такой конструкции является большая зависимость результатов измерения разности давления от неизвестной величины статического давления, что не позволяет достигать необходимой точности измерения разности давления.

Также известны емкостные датчики давления [2], [3], в которых снижение влияния статического давления на точность измерения разности давления достигается усложнением конструкции и применением конструкционных материалов с жесткими ограничениями по разбросу характеристик.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения разности давления, что достигается введением в датчик дополнительных электродов с последующим сравнением снимаемых с датчика выходных сигналов с расчетными характеристиками, получаемыми на основе предварительной калибровки датчика.

На чертеже показан разрез конструкции предлагаемого емкостного датчика.

Датчик содержит корпус чувствительного элемента 1, имеющий центральную камеру, разделенную круглой электропроводящей измерительной мембраной 5 на две полости А и В, в которых помещены изоляционные вставки 10 с подводящими по центру каналами и вогнутой рабочей поверхностью, обращенной к мембране 5, на рабочую поверхность каждой вставки нанесены проводящие электроды в виде колец 2 и 9, соединенных с внешними проводниками 11, и колец 3 и 8, соединенных с проводниками 6, выполненными в виде трубок, через которые осуществляется заполнение полостей А и В диэлектрической жидкостью с последующей герметизацией, два разделительных узла с круглыми гофрированными разделительными мембранами 4 и 7, отделяющие полости датчика А и В от внешней среды.

Датчик работает следующим образом. Статическое давление Р и разность давлений ΔР одновременно воздействуют на защитные мембраны 4 и 7 и, в силу практической несжимаемости жидкости, заполняющей полости А и В, это воздействие передается на всю площадь поверхности этих полостей. Под воздействием сил, обусловленных давлением, изменяются геометрические размеры полостей А и В. Разность давления обычно значительно меньше статического давления, поэтому можно считать, что его воздействие сводится только к отклонению измерительной мембраны 5 от ее исходного положения.

Величина отклонения измерительной мембраны 5 определяется по изменению емкостей конденсаторов С1, С2, С3, С4, образованных между измерительной мембраной 5 и проводящими кольцами 2, 3, 8, 9 соответственно.

Конденсаторы С1 и С4, а также С2 и С3 образуют два дифференциальных чувствительных элемента, линеаризация выходного сигнала которых обычно осуществляется в виде:

где U1, U2 - выходные сигналы дифференциальных чувствительных элементов;

К1, К2 - коэффициенты пропорциональности.

Под воздействием сил, вызываемых статическим давлением, изменяются геометрические размеры полостей А и В и натяжение измерительной мембраны 5, что влияет на величины емкостей С1, С2, С3, С4 и соответственно на выходные сигналы U1 и U2.

Следовательно, выходные сигналы U1 и U2, являясь линейными функциями разности давления Δр, также имеют зависимость от величины статического давления Р.

Если при измерении получены выходные сигналы U1₀ и U2₀, то в общем случае при неизвестном статическом давлении P_i имеем:

U1₀=a_i·Δp1_i+b_i;

U2₀=c_i·Δp2_i+d_i,

где a_i, b_i, c_i, d_i - элементы двух линейных функций, соответствующих статическому давлению P_i;

Δр1_i, Δр2_i - соответствующие значения разности давления, получаемые при решении.

Откуда следует:

Если измерение проводится при статическом давлении Р_n, то должно выполняться условие:

при i=n,

что и позволяет по вышеприведенному условию определить величину статического давления Р_n и уточненное значение разности давления Δр1_n в следующем виде:

P_i=P_n

Значения элементов линейных функций а_i, b_i, с_i, d_i можно получить для каждого датчика индивидуально в процессе калибровки.

Процесс калибровки сводится к получению четырех калиброванных точек при следующих режимах работы датчика:

где Δp_max - максимально допустимое значение разности давления.

Промежуточные точки при Δр=0 и Δр=Δр_max, необходимые для нахождения промежуточных значений элементов линейных функций, соответствующих промежуточным значениям статического давления P_i, могут быть получены экспериментально или расчетным путем.

Конструкция датчика-прототипа имеет только один дифференциальный чувствительный элемент, что не позволяет определить значение статического давления и, следовательно, нет возможности производить уточнение величины разности давления.

Следовательно, погрешность в определении разности давления датчиком-прототипом [1] всегда будет больше, чем у предлагаемой конструкции датчика.

Источники информации

1. Патент США №3618390, кл. G 01 L 9/12, 1969.

2. Патент SU №1421266 A3, кл. G 01 L 9/12, 1988.

3. Патент ФРГ №3213320, кл. G 01 L 9/12, 1983.

Емкостный датчик давления, содержащий корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводящей мембраной на две полости, в каждой из которых выполнена изоляционная вставка с подводящим каналом по центру и вогнутой рабочей поверхностью, снабженной электродом, обращенным в сторону мембраны, и два разделительных узла с разделительными мембранами, причем полости узлов и чувствительного элемента заполнены диэлектрической жидкостью, отличающийся тем, что каждый из электродов разделен на два электрода, выполненных в виде двух проводящих, электрически не связанных между собой колец, причем каждое кольцо электрически соединено с соответствующим ему наружным выводом.