Датчик перепада давлений

(51)5 С О 113/02 УДАРСТБЕККЫЙ КОМИТЕТЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ГКНТ СССР ГО ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВИДЕП:ЛЬСТВ У АВТОРС ости измерения небольших а Фоне больших давлений. овьппения точности измере ия в подмембранных камер ерепад целью я давлтив разделительных м мещены дополнительны щие электроды 7 и 6, мембранами конденсат шение точности динам ний достигается эа с одного электрода 6 с тоянного напряжения емб ран е симм образ оры Ся чески трирую е с 4 По вы измере нения ет с сто иком пос ом диффе х ющего уси с источ рен род теля,другого элекком постоянногоом дифференцируюжения и выхо усилителя2 ег атчика ичастотной зом между давчеРг + Рим а 1 - 3 про перепад н алич и Р(56) Контрольно-измерительнаятехника. Измерительные преобраэователи давлений и разности давлений,Экспресс-информация. И 36, 14. 198(54) ДАТЧИК ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ(57) Изобретение относится к измертельной технике и может найти примнение в приборах для измерения давления, в особенности при необходиИзобретение относится к информационно-измерительной технике ь может найти широкое применение н датчиках давления в целях улучшения их метрологических характеристик и повышения технологичности сборки.Цель изобретения - повышение точности измерений благодаря обеспечению прециэионности сборки дрегулировки его амплитуднохарактеристики (Ай).На Фиг.1 приведен общий вид датч ка; на Фиг.2 - измерительная цепь.Датчик содержит рабочую мембрану 1, выполненную иэ стеклокерамики, разделительные мембраны 2 и 3, на которые воздействуют давления Р и Рг внешней среды, корпус, состоящий из двух половин 4 и 5, выполненный также из стеклокерамики, На внешние торцы обеих половин корпуса напыленыэлектроды б и 7, образующие с разделительными мембранами 1 и 2 конденсаторы С и С 4, На рабочую мембрану1 и внутренние торцы обеих половинкорпуса также напылены электроды,образующие дифференциальный емкостныйпреобразователь с емкостями С 4 и Сг.Внутренний объем датчика заполненкремний-органической жидкостью (например, типа ПОСЖ, , = 2,8, ) таким образом, что разделительныемембраны 2 и 3 приобретают куполообразную Форму (высота купола 20100 мк м).чик работает следующим обра 1631330гибаются вправо, и если в первом приближении считать жидкость, заполняющую внутренние полости,несжимаемой, то прогиб центра определяется какРиза Б( м Б 1 Б 1 М +Ч -- -+у фБг 2 Бг (1) 10Рыам Б ( ж йвфа т,т а Ю +11 +Ч ф где Б - площадь рабочей мембраны 1; 15Ы - жесткость рабочей мембра(ны 1;Я М - жесткости разделительныхгф 3мембран 2 и 3;Б , Бз - площади разделительныхХфмембран;М , Мз " эквивалентные жесткости2 фразделительных мембран2 и 3.При прогибе рабочей мембраны.1 изменяются емкости конденсаторов С и С и на выходе электрической схемы появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению Рзла.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 издавлений, 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 жидкости, вытесненный, из-под мембраны, когда она ложится на торец) был меньше допустимого объемного про 50 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 РиЗа.Наиболее существенной погрешностью датчика, измеряющего перепад давлений, является погрешность нуля.(2) эквивалентная жесткостьразделительных мембран;И ж - жесткость жидкостного Ь 11 разЭ, объема;В - Разность жесткостей(разделительных мембран2 и 3 и жидкостныхобъемов с правой и левойсторон от рабочей мембраны 1,Втор ая сост авляющая вызв ан а изме" нением объема жидкости при изменении температуры (1 Я и определяется формулой К 0 ЬТой = Р (РМРразд + К 1 разЭ) э(3) где К( " температурный коэффициентобъемного расширения жидкостиЧ, - объем жидкости с однойстороны рабочей мембраны 1;ЬЧЗ - разность объемов жидкостис правой и левой сторонрабочей 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 7 предназначеныдля 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 Это определяется тем, что измеряемый перепад давлений Р изм нередко не превышает 1 Х от основных давлений Ра,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 формулой2 Р, Ы а ЬЫ:аЮ Р ( ю5 163контроль за высотой купола производится в процессе "наддува" позначению емкости Сили С 4, а контроль симметрии производится такженепосредственно в процессе "наддувапо равенству емкостей Си С 4,Наличие дополнительных электродов б и 7 и дополнительных конденсаторов С и С 4 позволяет использовать их не только в процессе сборки,но и в рабочем режиме датчика длярегулировки степени успокоения подвижной части, т,е. для управленияамплитудно-частотной характеристикой(АЧХ) датчика. Схема включения конденсаторов показана на фиг.2. На обадополнительных электрода 6 и 7 черезбольшие сопротивления Ри Р 4 подается от одного источника постоянноенапряжение Бо. Оба конденсатора Си С находятся при этом в режиме за 4данного заряда, Электрод 6 конденсатора С подключен ко входу дифферен 3цирующего усилителя, выполненного поодной из известных схем, выходноенапряжение усилИтеля подается наэлектрод 7 конденсатора С 4. При движении подвижной части на конденсаторе С появляется переменное напряжение, равное= ="е У ДД ЬпО Р 4где 3 - начальный зазор, т,е. зазормежду мембраной 2 и электродом 6;Ь т - амплитуда перемещения мембраны 6;Ь =Ь шЬпЯС - перемещение мембраны.Это напряжение подается на вход дифференцирующего усилителя УС 1 и после усиления подается на электрод 7 конденсатора С , Между электродом 7 и мембраной 3 действует эпектростатическая силаЕж Бэ Е =(По эс г1 ягде Д Д, Ь - перемещение, скорость 20 и ускорение подвижнойчасти соответственно;ш - масса подвижной части;Р - коэффициент успокое 25 ния;11 - суммарная жесткость системы;Р(Р 1 Э,) - сила, действующаяна подвижную частьпод действием измеряемого давления; Г (С.Э), Г (С 4) - электростатическиесилы между электродами конденсаторов С у(электрод 6 - мембрана 2) и С 4(электрод7 - мембрана 3),Подставив в уравнение значения электростатических сил, получим 30 40 и шЬ + РЬ + 1 Ь = Р(Рзи) + ЯЖг Ж г 11 Б о г о= - - - (и, + гп. - - д ),где Д = ЯЬшсояЯС - скорость перемещения подвижной части,Уравнение движения подвижной части (мембраны 1,2,3 и соединяющая ихжидкость) может быть представлено ввиде2х 11 К созданная электрическим пуИз последнего уравнения видно,что изменяется коэффициент при Ь и 55 к первоначальной составляюцей Р дойж БЭбавляется составляющая Р = ---хэС рэтем. При инвертировании выходного напряжения дифференцирующего усилителя, например, усилителем УС 2,электростатическая составляющая изменяет знак и таким образом суммарный коэффициент Р, может быть как больше,так и меньше Р. Значение Р о регулируется коэффициентом усиления Кс усилителя УС 1. Возможность регулировки коэффициента успокоения Р для датчиков, заполненных жидкостью чрезвычайно важна, так как значение коэффициента успокоения Р 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, т, е.= Рэ /(2 щ й,), где а - масса подвижной части и Яо- собственная частота, могут быть определены из следующей Формулыэс =бсЯэ 1 К чсесли задатьО 2 шйо фразмеры датчика. Так, при Я уи 10 10 м 1= 3010 м, ш = 1 10 кг, Я= 25 250 рад/с и Е = = Зйо, получим8 85Значение Кограничено, так как (ЯК/1) С 1, задавая максимально возможные значения/1 = 1 и 2 . = = Я, получим К 6 1/0 т.е, э, = = + 5,010 Б . Таким образом при50 В значениемозно изменять Она1.Между тем, очевидно, что предлагаемая электрическая коррекция проще гидродинамической.Кроме того, вязкость жидкости сильно зависит от температуры, предлагаемая же схема регулировки коэфФициента успокоения при использовании усилителя с температурозависимым коэффициентом усиления или температурноэависимого источника питания Б позволяет осуществить темпеОратурную 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 изобретения Датчик перепада давлений, содержащий корпус с мембраной разделяющей его на две измерительные полости, две металлические разделительные мембраны, образующие с корпусомдве приемные полости и дифференциальной емкостной преобразователь пере мещения мембраны в электрическийсигнал, при этом в корпусе выполнены соединительные каналы, соединяющие измерительные полости с приемными полостями, которые заполнены диэлектрической жидкостью, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности измерений за счетобеспечения прецизионности сборкидатчика .и регулировки его амплитудночастотной характеристики в него ввеФдены источник постоянного напряженияи дифференцирующий усилитель, а вкорпусе в приемных полостях напротивразделительных мембран установленывведенные в датчик гальванически изолированные дополнительные электроды,при этом дополнительные электродысоединены с источником постоянного.напряжения и один из них подключен45 к входу дифференцирующего усилителя,а второй - к его выходу.1631330 авитель О.Пол ед Л.Сердюко КорректоР М,Максимишинец едактор И.Сегл е Подписно Ти Заказ 5 ГКНТ СССР арственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 эводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор Гагарина, 1