Способ настройки емкостного датчика давления

1723473 А 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ РЕСПУБЛИК,. 9/12(5 Ц 5 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОЬРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ОПИСА к Авто РСкО Т Е ИЗОБРЕ ИДЕТЕЛЬ.СТВУ.(2 1) 4837696/10:. пус 1, упругую мембрайу:2, выполненную эа (22) 11,06.90 , .;:одно целое с корпусои, пластинуЗ,.устаноа- . (46) 30,03.92, Бюл, В 12,:: . ленную с зазором, который:обеспечивается (71) Научно-исследовательскийинститутфи-: кольцом 4. На поверхностимембраны 2 и зических измерений,: - :;пластины 3, обращенных:друг кдругу, сфор- .(72) В.А,Зиновьев, А,И.Русских и С,М,Горо-.:. . мированы методом напыления.электроды 5, децкий: .:6 измерительной емкости и:электроды 78 (53) 531,787(0888).:;, " опорной емкости, которые подключены к (56) Патент США %422741.9, кл. 6011.9 У 12, электронному блоку с помощью проводни.:ков 9; В процессе настройки датчика:.преАвторское свйдетельство СССР, . - дусматривается выравнивание Ь 1663462, кл. 6 019/12, 1989, измерительной и опорной емкостей путемповорота пластины 3 относительно мембра- (54) СПОСОБ НАСТРОЙКИ ЕМКОСТНОГО .ны 2 споследующимопределениемиэмене- ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ: . ния отношения емкостейпри минимальной (57) Изобретение относится к измеритель- . и.максимальной температурах, расчетам веной технике, в частности к способам на- личины компенсационной емкости и под- Б стройки емкостных датчиков давления.: ключением ее.в зависимости от. величины Целью изобретения является повышение либо к измерительной, либо к опорной емточности настройки. Датчик содержит кор-. кости. 3 ил 1 табл.(3)Си 12 12 Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статических 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 изкомпенсирующих электродов может бытьуменьшен 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 термокомпенсационная 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, чтоспособ настройки емкостного датчика давления, заключающийся в определении изменения отношений измерительной иопорной емкостей в зависимости от температуры и определения величины компенсационной емкости, предусматриваетвыравнивание измерительной. и опорнойемкостей путем поворота пластины относительно мембраны с последующим определением изменения отношения емкостей приминимальной и максимальной температу- .рах, расчет величины компенсационной емкости и подключение ее в зависимости отвеличины либо к измерительной, либо копорной емкости.Предварительное закрепление пластины на мембране и замер измерительной иопорной емкостей с последующим вращением пластины в сторону увеличения либо всторону уменьшения взаимного перекрытияэлектродов опорной емкости позволяют выравнивать величины опорной и измерительной емкостей что позволяет повыситьточность настройки.Расчет величины компенсационной емкости с последующим выбором ее из наборадискретных емкостей и. последовательнымподключением к измерительной емкости позволяет окончательно выравнять опорную иизмерительную емкости, а также изменениеих. отношений от изменения температуры.Установка компенсационной емкостипозволяет исключить влияние температурыизмеряемой среды и таким образом обеспечить точность настройки.Предлагаемый способ настройки датчика для измерения давления отличается тем,что после установки пластины производятвыравнивание измерительной и опорнойемкостей Си и Со путем поворота пластиныотносительно мембраны, затем пластину закрепляют Относительно мембраны, а изменение отношения емкостей от температурыопределяют при минимальной т 1 и максимальной т 2 рабочих температурах, причемвеличину компенсационной емкости определяют иэ следующих соотношений:при условииСи 11 /Со 11Си 12/Со 12Сх , ,Р)Си 11Со 12 Со 11Си 12при условии СиЦ/Со 11Сит 2/Со 125 17234.73 6Гдв Сий, Ситг, Со 11, Сонг - СООтВЕтСтВЕННО СиСо,тс ВращаЮт ПЛаСтИНустНОСИтЕЛЬНО величины измерительной и.опорной емко- . своей оси в сторону увеличения взаимного стей при температурах 11 и тг, перекрытия электродов опорной емкости, при этом в первом случае компенсационную т.е. согласно фиг,1 ло часовой стрелке, В емкость последовательно подключают киз случае, если СиСо, вращают пластину в мерительной емкости, а во. втором случае- сторону уменьшения взаимного перекрытия к опорной, - : элеткродов опорной емкости, т,е, .согласноНа 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 иопорной емкостей в статическом режиме.Емкостный 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 погрешно. установленнуюсзазором, которыйопреде- сти. Затем окончательно закрепляют ляется кольцом 4. На поверхностях мембран-:пластину с мембраной путем, например, ны 2 и аластин 3, обращенных друг к другу, . сварки и замеряют измерительную и опор- сформированы методом напыления элект.- 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 (Со), кото и максимальной 12, с последУюЩим РасчеРые подкЛючены к электРонномУ блокУ С том отношений Си 11/Сой иСи 2/Со 2, помоЩью пРовоДников 9. ЗлектРонный гДе Сит 1, Ситг, Сот, Сотг - соответственно. блок состоит из источника. опорного напря-.: . величины измерительной и опорной емкожения (ИОН) 10., формирователя опорногО .25 стей при температурах т и 12заряда(ФОЗ) 11, формирователя управляю- При условии СиО/Сот 1Ситг/Со 12 расщего заряда(ФУЗ) 12, спаренного переклю- считывают величину компенсационной ем- Н Е 1чателя(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 Сион/СонгСии/Сонг, расДатчик давления работает следующим: считывают величину компенсационной емоб азом.р 3 м: кости по. формуле (4) и подключают ееПри подаче измеряемой среды давлени- . последовательно к опорной емкости;ем Р мембрана 2 перемещается вместе с . Таким образом, выбирая. требуемую электродом 5 по отношению к электроду 6, 35 расчетную величину компенсационной емв результате чего изменяется величина иэ- кости иэ НДЕ 14, подключают ее последовамерительной емкости Си. Электроды 7 и 8 тельно с помощью П 13 к измерительной или опорной емкости Со распололжены за пре-, опорной емкости в зависимости от получен- делами 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 заключает- не меняется. От. ИОН 10 через ФОЗ 11 и ся в выравнивании величин отношений ФУЗ 12 в цикличном режиме подается на- Сис 1/Со 11= Си 12/Сонг в заданноминтервале пряжение для заряда опорной и измери-.температур и и 12, 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 и опорной емко.-, ной емкости. Если величина: отношения стях (Си/Со), которые являются . Си/Со, т.е, измерительной к опорной, сохрафуйкционально зависимыми от изменения няется постоянной при изменении темпера- давления Р = 1 (Си/Со).6 туры, то на выходе ПЗН 15 величина сигналаСпособ 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- б 5 ния, Выражения (2) и(4) получают иэ условия носительно мембраны 2, располагая элект-: . выравнивания отношенийемкостейдляслурод ы 7 и 8 с за план и рова мной чая последовательного подсоединения комнессиметричностью друг против друга на денсационной емкости к измерительной дуге и предварительно жестко закрепляют, емкости либо к опорной емкости.затем замеряют измерительную емкость При условии подсоединения к измери(Си) и опорную емкость. (Со). В случае, если:тельной емкостиСи 12 ССи 12 + Сх (5)Со 2динения к опорной емСиО СхСи 11 + СхСо 11при условии подсоекостиСи 11 Си тгСо 11. Сх Со 12 СхСо 1+Сх Со 2+СхВыражая Сх из соотношения (5), получа-ют зависимость (2), а выражая Сх из соотношения (6), получают зависимость (4). Такимобразом, в зависимости от преобладанияизменения от температуры опорной и измерительной емкостей рассчитывают величину компенсационной емкости посоответствующей зависимости (2) и (4).В данном случае рассматривается настройка датчика для измерения давления,содержащего емкостный металлопленочный датчик давления типа изображенногона фиг.1-3,При установке пластины и мембраны снесимметричностью электродов по дуге на10-15 площади измерительной и опорнойемкостей заданы таким образом, что должно обеспечиваться равенство емкостей Со ="Си. Однако из-эа технологических перекосов и неточностей ожидаемого равенства неполучается, а неравенство емкостей. в своюочередь, приводит к большим погрешно-.стям от влияющих факторов.В таблице в графах 2 и 3 приведенывеличины емкостей в нормальных условияхв процессе установки на 5 датчиках, В графе4 показаны результаты выбора направлениявращения пластины относительно мембраны по дуге в сторону уменьшения или увеличения перекрытия электродов, В графах 5-8приведены величины емкостей после настроечных вращений пластин и окончательного закрепления, например, лазернойсваркой пластины с мембраной при двухпредельных температурах т 1 -200 С и 12 ="400 оС. В графах 9 и 10 даны отношенияСи/Со ПрИ тЕМПЕратураХ т 1 И ц, ПО ЗНаЧЕНИям которых выбирают расчетную формулу(2) или (4). В графе 11 приведена величинапогрешности от температуры без учета С.В графе 12 показаны раечетные данные величин требуемых компенсационных емкостей, Величину компенсационной емкостиСх выбирают из НДЕ 14, состоящего из дискретных емкостей, например конденсаторов типа К 1042. В графах 13 и 14 приведены, отношения емкостей Си/Со с учетом Сх притемпературах И и сг, характеризующие измеюение выходного параметра от изменения температуры. В графе 15 приведенавеличина температурной погрешности сучетом С в диапазоне от -200 до +400 оС.которая рассчитана по формулеСио 1 и Со г 100(7)Си Со 115 где Си/Со (Т 1), Си/Со (тг) - отношение емкостей при температурах О и 12.Таким образом, увеличение точностинастройки достигается за счет выравнивания величин емкостей путем изменения пло щади перекрытия электродов опорнойемкости с последующим выравниванием отношений измерительной и опорной емкостей при предельных температурах.Предлагаемый способ настройки позво ляет компенсировать температурную погрешность в температурном диапазоне от -200 до. +400 С, что повышает точность измерения в 2-2,5 раза,20 Формула изобретенияСпособ. настройки емкостного датчикадавления, при котором напротив мембраны с кольцевым буртом и электродами. центральным и в виде незамкнутого кольца, ус-.25 танавливают с зазором пластину сответными электродами, образующими измерительную Си и опорную Со емкости, определяют изменение отношения емкостей Си/Со в зависимости от температуры и оп ределяют величину компенсационной емкости, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности настройки, после установки пластины производят выравнивание емкостей Си и Со путем поворота пластины 35 относительно мембраны, затем пластину закрепляют относительно мембраны, а изменение отношения емкостей от температуры определяют при минимальной 11 и максимальной Ю, рабочих температурах, причем 40 величину компенсационной емкости С определяют из следующих соотношений:при условииСийСитгС,11 Сонг Сх о 12 Сот 1ри услови 12 12 Сот СхСи т 1Сс тг Со т 1Си Си 12, Со 11, Со 12 - СОотв ы измерительной и опортемпературах 11 и 12, в первом случае компенс последовательно подклю ной емкости, а во второ 12етственноной емкогде Сии величин стей при при этом емкость мерител к опорно ционную ают к изслучае -