Устройство для измерения давления

(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(72) Е.А.Мокров и Е.М.Белозубов (56) Авторское свидетельство СССР М 533674, кл. 6 01 1 9/12, 1977.Авторское свидетельство СССР В 1622.788, кл. 0 019/12, 1988. температурной погрешности. Емкостн ы й 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 ь 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.(57) Изобретениеной технике, а имкам давления. Целповышение точно ИЗМЕРЕНИ относится к измеритель-енно к емкостным датчиью изобретения являетсясти за счет уменьшения 11 Ц ГОСУДАРС ГВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР 1, 1755074Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано вдатчиках для измерения статического и динамического давлений в широком диапазоне температур.Известно устройство для измерениядавления, содержащее прогибающуюсямембрану и плоскую эталонную пластину,На мембране установлены два кольцеобразных электрода, первый является чувствительным, второй - эталонным. Эталоннаяпластина, обращенная в сторону прогибаемой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненныйв форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическаяраспорка, установленная в центральнойчасти пространства между мембраной иэталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между мембраной и эталонной пластиной, не препятствуя прогибумембраны, Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметрусоединяется с мембраной, На крышке укрепленэталонныйкольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонномукол ьцеобразному электроду на мембране.Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик,Недостатком известного устройства является довольно значительная погреш,ность при воздействии нестационарнойтемпературы измеряемой среды вследствие неидентичности изменения емкостейизмерительного и эталонного конденсаторов от температуры,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции являетсяустройство для измерения давления, содер-.жащее корпус, мембрану с цилиндрическимопорным основанием, диск, закрепленныйс зазором относительно мембраны,и преобразователь деформации в видедвух парпротиволежащих электродов, первая из которых расположена по центру мембраны идиска, а вторая - на опорном основании ипериферии диска,Недостатком известной конструкцииявляется повышенная погрешность при воздействии температуры измеряемой средычто объясняется неодинаковой величинойизменения емкости первой и второй парэлектродов от температуры.Целью изобретения являетея уменьшение погрешности при воздействиитемпературы измеряемой среды за счетвозможности учета температуры измеряемой среды и непосредстеенййх термодеформаций 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 (Со) электродов не зависит от измеряемого давления вследствие сравнительно массивного опорного основания. Значения емкостей первой и второй пар электродов через их контактные пло 55 щадки и гермопрюходники передаются на нормирующее устройство 16, которое формируЕт выхОднОЙ Сигнал Овых 1, ЗавиСящий от отношения емкостей второй пары электродов и первой по алгоритму К 1 (К 2-С/Сх),за счет коррекции неодинакового изменения емкостей первой и второй пар от температуры,На фиг,1 изображено устройство для из мерения давления, на фиг,2 - его структурная схема.Емкостный датчик давления содержиткорпус 1, мембрану 2 с цилиндрическим опорным основанием 3, диск 4, закреплен ный с зазором относительно мембраны, ипреобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, Первая пара 5 электродов расположена по центру мембраны и диска, вторая пара 6 электро дов - на опорном основании и перифериидиска, Концентрично второй паре электродов выполнена дополнительная пара 7 электродов, один из которых 8 размещен по периферии опорного основания, а дру 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 по мощи прокладки 14, а кольцо - при помощипрокладки 15.Втулка выполнена из сплава 20 Х 13(а 8 = 10,110 С ); мембрана, опорное основание, диск и кольц 1 о - из сплава 35 70 НХБМЮ(ац=13,5 10 С ). Длину втулкивыполняют в соответствии с заявляемым соотношением.Устройство для измерения давления работает следующим образом.40 Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика жесткий центра следовательно, и от измеряемого давления. При воздействии на датчик повышенной температуры (как стационарной, так инестационарной) емкости электродов первой и второй пар изменяются в различной 5степени в силу различных причин, в томчисле и разногорасстояния от места закрепления диска, Выходной сигнал с нормирующего устройства передается через емкостьдополнительной пары электродовС 1 на усилитель 17, в цепь обратной связи котороговключена емкость Сог, которая установленавне датчика.Емкость электродов дополнительнойпары электродов в зависимости от температуры изменяется таким образом, что компенсирует неидентичное изменениеемкостей первой и второй пар,Происходит это следующим образом.При увеличении температуры геометрические размеры опорного основания (отместа закрепления торца втулки до поверхности мембраны) изменяются на величину,отличную от изменения размеров втулки,вследствие отличия ТКЛР втулки от ТКЛР 25опорного основания, В результате этого зазор между электродами, а следовательно, иемкость (С 1) дополнительных электродов изменяются в зависимости от температуры.Так как длина втулки выполнена в соответствии с заявляемым соотношением,то изменение емкости дополнительныхэлектродЬв от температуры будет таково,что скомпенсирует идентичное изменениеемкостей г 1 ервой и второй пар от температуры. Таким образом, на выходе усилителя 17формируется выходной сигнал, не зависимый от температуры.Расположение электродов дополнительной пары электродов по периферии 40опорного основания ина дополнительномкольце позволяет выполнить дополнительную емкость зависимой от температуры.. Расположение кольца концентрично дискуи дополнительной втулки концентрично 45опорному основанию позволяет уменьшитьгабариты и температурную погрешностьвследствие компактного расположения элементов конструкции и повышения в результате этого равномерности распределения 50температур.Один из торцов дополнительной втулкирасположен в одной плоскости с поверхностью мембраны, а другой жестко закрепленна опорном основании для обеспечения измерений термодеформаций опорного основания относительно термодеформацийвтулки. Для этих же целей служит выполнение втулки из материала с ТКЛР, отличнымот ТКЛР опорного основания, Причем вОвых = К 1 (К 2 ).Со Сх где Со - емкость образованного конденсатора;Сх - емкость измерительного коЪенсатора;К 1, К 2 - коэффициенты преобразования.При температуре с О .11 " К 11(Кг 1 -- ).Со Сх 1(2) При температуре со Овых 10 = К 10 (Кго С )Схо(3) С 1Овых 2 = Овых 1 При температуре со выходной сигнал сучетом температурной коррекции равен С 10 Овых 2 о - Овых 1 о - . Сог(4) При температуре с выходной сигнал сучетом температурной коррекции равен: СпОвых 21 Овых 11 С (5)02Для 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, нбапример из кварца, у которого а= 0,5 10 С,емкостьтермозависимого конденсатора С 1 характеризует величину термодеформаций опорного основания,Для обоснования высказанных соображений рассмотрим более подробно конструкцию датчика,Пусть при температурах со и с величины емкости электродов первой пары (измеоительный конденсатор) соответственно рав- НЫ Схо И Сх 1, а ВЕЛИЧИНЫ ЕМКОСТИ ЭЛЕКтрсдОВ второй пары - Соо и Сов Зададимся целью, чтобы несмотря на неодинаковую величину изменения емкостей Сх и Со от температурь. выходной сигнал, образованный в соответствии с выбранным алгоритмом, не изменился бы от температуры.Общепринятый алгоритм обработки выходного сигнала для емкостных квазидифференциальных датчиков(10) ых 11 де Зо - площадь при температуре 1Ьи - межэлект ратуре 1.Площадь лек конденсатора при и электрода пове х им: то)= л (Рос-Р 01 в с 5 мозависимого лнения его из ериалу упруго-равна ектродов тер случае выпо нтйчного мат и температуре -г 2011) - ж(г 200 Площадь эл конденсатора в материала, иде го элемента, пр Зо 1 - ж(Г 2Умножая обе части на С 02 и приводя кболее удобному виду, получим Емкость термоэависимого конденсатоРа ПРИ тЕМПЕРатУРЕ 1 о РаВНа где е - относительная диэлектрическая проницаемость вакуума;ео - абсолютная диэлектрическая проницаемость;Зо - площадь поверхности электродовпри температуре 1 о,Ьоо - межэлектродный зазор при температуре 1 о.Емкость термоэависимого конденсатора при температуретс учетом инвариантности относительной и абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума оттемпературы будет равна одный зазор при темпеодов термозависимого мпературе 1 о равна гоо; го 1 - соответственнренний радиусы электродого конденсатора,При изменении температуры от 1 о до 1величина межэлектродного зазора термозависимого конденсатора изменится от Ьоо на величину, определенную по соотно шению: дЬоо =Ь(ац-ав)(1-Ь), (13) где Ь - высота втулки,10 Тогда межэлектродный зазор термозависимого конденсатора при температуре 1 будет равен ьо 1 = доо - д доо. (14) 15Поэтому емкость термозависимого конденсатора при температуре т будет равна Подставляя выражение для Си С 1030 соответствующее выражение, получим осле преобразования и 10 йо- Ов 1 о Ь(ач Подставляя в полученное выражениеЗНаЧЕНИя Овых 11 И Овых 1 О И уЧИтЫВая, ЧтО КО- эффициенты преобразования определяют ся электронным преобразователем,располагающимся на некотором расстоянии от датчика и непосредственно не подвергающимся воздействию температуры измеряемой среды, т.е, К 1 о- К 11 и К 2 о- К 21, получаем1755074 10 диск, парой кольцевых электродов, размещенных на кольце и основании и образующих компенсационный конденсатор, и. втулкой, охватывающей основание и за крепленной одним торцом на основании, адругим на кольце, прйчем длина Ь втулки определена соотношением:с /с Составитель Е. БелозубовРедактор Л. Веселовская Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль Эаказ 2884 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина(18)Технико-экономическим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является уменьшение 10температурной погрешности за счет возможности учета температуры измеряемойсреды и коррекции неидентичного изменения емкостей первой и второй пар от температуры, а также уменьшение погрешностии ри воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.Уменьшение погрешности при воздействии нестационарной темНературы измеряемой среды происходит за счет 20возможности учета непосредственно термодеформации опорного основания,Ф о р мул а и зоб рете н ия1. Устройство для измерения давления, содержащее корпус, мембрану с цилиндрическим опорным основанием, диск,закрепленный с зазором йо относительномембраны и измерительный и эталонныйконденсаторы, образованные круглыми 30электродами в центрах мембраны и диска икольцевыми электродами, размещеннымина опорном основании и периферии диска,и измерительнуюсхему,отл ича ющеесятем, что, с целью повышения точности за .35счет уменьшения температурной погрешности, он снабжен кольцом, охватывающим где Схо, Схь Соо, Са - соответственно емкости измерительного и эталонного конденсаторов при минимальной в и максимальной 1 температурах рабочего диапазона температур:К - 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 ющ 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.