Датчик давления

(5)5 ОПИСАН ЗОБ ТЕ К АВ КО ВИДЕТЕЛЬС М. 33овательский иий титут фи и А.И,Русских видетельство 1 9/04, 1990 свидетельств9/12, 1974.: в измеритель костных преощность изобр ной техни- бразоватеетения: на ительм прет быть ских и азообом диазоне. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССРИзобретение относится к изме .ной технике, в частности к емкостн образователям давления, и мож использовано для измерения стати динамических давлений жидких и разных сред в широком температур Известно устроиство для измерения давления, включающее емкостный датчик давления и измерительную схему с регистратором, при этом датчик содержит вакуу- . мированный корпус, упругую мембрану с центральным электродом измерительного конденсатора, периферийным электродом эталонного конденсатора и дополнительным круглым термокомпенсационным конденсатором, расположенным на втулке, выполненной из материала с коэффициен" том линейного расширения, большим по сравнению с коэффициентом линейного расширения материала мембраны, при этом один торец втулки жестко скреплен с торцо,Ы 176041 внутренних стенках корпуса 1, расположенных перпендикулярно оси симметрии, на центральной части установлены электроды 4,6, а по периферии - кольцевые электроды 5,7, Одна из стенок корпуса выполнена в виде мембраны 2. а кольцевой электрод 5 размещен на кольцевом уступе, выполненном параллельно противолежащей стенке корпуса и мембране. при этом высота кольцевого уступа равна половине величины прогиба мембраны при продольном давлении Р. Равенство емкостей достигается при давлении 0,5 Р при котором температурные деформации приводят к равномерному изменению емкостей, 4 ил. центра мембраны, на тановлена пластина с ей зеркально симметми электродами изме- эталонногонденсаторов, причем нный конденсатор ьную схему последова- С ьно с измерительный Ь вои частью жесткого которой с зазором ус расположенными на н ричными неподвижны рительного, компенсационного ко термокомпенсацио включен в измерител тельно или параллел конденсатором (1) . Недостатком известной конструкции является низкая точность в широком температурном диапазоне эксплуатации. Зто обусловлено нелинейной зависимостью изменения размеров от изменения температуры мембраны и термовтулки, что приводит к раскомпенсации в широком температурном диапазоне. Кроме того, дополнительно включенная емкость в измерительный емкостный преобразователь, влечет за собой снижение точности за счет увеличения пара 1760415зитных емкостных наводок на Основную преобразующую цепь.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является датчик давления, содержащий корпус из диэлектрического материала с упругими стенками, на которых в зеркально"симметричном Отооражении размещены электроды измерительного и опорного конденсаторов, образующих опорную и измерительную емкости 21.Основным недостатком известного датчика является низкая точность измерения за счет температурного ухода выходного сигнала особенно при половинном значении от предельного давления. Зто обусловлено тем, что деформация стенок корпуса от температуры приводит к различным изменениям величин опорной и измерительной емкостей, что приводит к изменению Вьаодного параметра, выраженного в виде отношения емкостей, от изменения температуры,Целью изобретения является повьшение точности измерения эа счет уменьшения температурной погрешности.Цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус из диэлектрическогс матерлала, Внутренние стенки которого, расположенные по Оси симметрии, ВыгОлнены параллельными, при этом на пих друГ прОтив друГа закреГлены даа измеоигельных электрода, а го периферии - два кольцевых эталонных электрода, причем центральная часть стенки, на которой размещен один иэ измерительных электродов, Выполнена В виде мембрань 1, предус-. матривается В соответствии с изобретением стенку корпуса. обращенную к мембране, Выполнить жесткой, а,периферийная часть стенки с мембраной имеет кольцеаоЙ уступ, Высота которОГО равна половине прОГиба мембраны от максимального давления, при этом один из кольцевых эталонных электродов размещен на поверхности кольцевого уступа, которая параллельна мембране,Расположение электрода эталонной емкости на уступе, Выполненном на периферийнсй части стенки, высота которого равна половине прогиба мембраны при ВоздейстВии предельного давления, позволяет обеспечить величину зазора между электродами эталонной емкости, равного зазору между электродами измерительной емкости при половинном значении от предельного давления, в результате чего снижается температурная чувствительность,Выполнение стенки корпуса, обращенной к мембране, с достаточной жесткостью исключает ее деформацию от внешнего дав 40 50 ления, что также снижает температурнуючувствительность,Параллельность поверхности уступа поотношению к центральной части мембраныпозволяет обеспечить параллельность электродов измерительной и опорной емкостей, что повышает точность измерения.Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый датчик давления отличается тем, что В нем стенка корпуса, обращенная к мембране, выполнена жесткой, а периферийная часть стенки с мембраной имеет кольцевой уступ, высота которого равна половине прогиба мембраны от максимального давления, при этом один из кольцевых эталонных электродов размещен на поверхности кольцевого уступа, которая расположена параллельно мембране, Таким образом. заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".Анализ известных технических решений аналогов 1 в используемой области позволяет сделать Вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого датчика давления, и признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия",Положительный эффект, заключающийся В снижении погрешности от температуры, достигается тем, что при величине давления 0,5 Ра размер зазоров между электродами, опорной и измерительной емко- атЕй, а СЛЕДОватЕЛЬНО, И ВЕЛИчИНа ОПОРНОЙ и измерительной емкостей равны между собой, и таким образом температурная деформация корпусных деталей приводит к одинаковому изменению величин емкостей,поэтому не вызывает изменения выходного сигнала от температуры,На фиг, 1 изображен емкостный датчик давления, в разрезе; на фиг. 2 - показано сечение А-А на фиг, 1; на фиг. 3 - схематично показан прогиб мембраны от давления; на фиг, 4 - показаны значения погрешностей выходного сигнала в зависимости от величины давления при предельных температурах,Датчик давления содержит корпус 1 из диэлектрического материала, внутренние стенки которого расположены по оси симметрично, выполнены параллельными. Корпус состоит иэ стенки с мембраной 2, на 55 периферийной части которой выполненкольцевой уступ, поверхность которого параллельна мембране, и жесткой стенки 3, обращенной к мембране, На внутренней части мембраны 2 расположен электрод 4 круглого конденсатора, а на поверхностиуступа - кольцевой электрод 5 эталонногоконденсатора, Напротив электродов 4 и 5 навнутренней части жесткой стенки 3 расположены электроды измерительного 6 и эталонного 7 конденсаторов, Электроды 4 и 6образуют измерительную емкость, а электроды 5 и 7 - эталонную емкость конденсатора, Электроды 4,5.7 соединены сконтактами 8.Датчик давления работает следующимобразом,При подаче измеряемого давления Р намембрану 2 происходит ее прогиб и относительное перемещение на величину Я вместе с электродом 4 (см.фиг.З), в результатечего изменяется (увеличивается) измерительная емкость между электродами 4 и 6 навеличинуСо(Р) = Со(б) т ЛСц(б - Я),где Со(Р) - величина измерительной емкости, функционально зависимая от давленияР;Со(б) - величина измерительной емкости при отсутствии воздействия давления(зазор равен б);ЛСо(б - Р/) - изменение измерительнойемкости при предельном давлении (эаэорравен б),Электрод 5 опорной емкости расположен на уступе периферии мембраны 2, поэтому он от воздействия давления Р неперемещается, а следовательно, величинаемкости между электродами 5 и 7 остаетсябез изменения и равнаСо = Со (б - 0,50/),где (б - 0,5 И) - величина зазора опорной емкости,В преобразователе емкостей в напряжение выходной сигнал изменяется пропорционально величине отношенийемкости Со/Со. Таким образом, от изменения давления изменяется отношение емкостей следующим образом; С (б)+ЬС (б - К)Изменение температуры в широком температурном диапазоне вызывает изменение величины зазора за счет теплового расширения материала мембраны 2 и корпуса 1. В прототипе равенство измерительной и опорной емкостей при нулевом давлении достигается равенством площадей электродов, поэтому равномерное изменение величины зазора вызывает равное изменение приращения емкостей Со и Со, следовательно, отношение Со/Сц не изменяется от изменения температуры. Однако при изменении (увеличении) измеряемого давления опорная емкость Со не иэменяет 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 ся, так как ее электроды расположены на недеформируемой периферийной части мембраны, а измерительная емкость С, изменяется, поэтому Со и Со становятся неравными. Следовательно, при равномерном приращении величины зазора между электродами от воздействия температуры возникает неравномерное приращение емкостей Со и Сц, В результате отношение Со/Со по мере нарастания давления в большей мере подвержено изменению от температуры и наибольшая чувствительность от температуры оказывается при предельном давлении,В предложенном техническом решении равенство емкостей как за счет площади электродов, так и за счет величины зазора достигается при давлении 0,5 Ро, где Рп - предельное давление. Это обусловлено тем, что электрод 5 опорной емкости выполнен на уступе периферийной части мембраны 2, высота которого (0,5 И) равна половине прогиба мембраны при предельном давлении Рп, Следовательно, при давлении 0,5 Ртемп ературн ые деформации при водят к равномерному изменению емкостей Со и Со, В случае нулевого и предельного давления погрешность от температурных деформаций уменьшается не менее чем на половину по сравнению с прототипом при близких к предельному давлению, Следовательно, максимальная погрешность предложенного датчика нс менее чем на 50;4 ниже, чем в прототипе, Изменение выходного параметра(у) в процентах в зависимости от величины изменяемого давления при предельных температурах минус 200 и 400 С показано на фиг. 4. На данном графике по оси Х показано изменение давления Р, э по оси У - величина изменения выходного параметра в процентах, причем кривая 9 - при минус 200 С, а кривая 10 - при +400 С. Кривая 11 (пунктирная) для прототипа характеризует изменение выходного параметра при 400 С,Результаты температурных испытаний датчиков приведены в таблице, где у- относительная погрешность условно принятого выходного параметра Со/СцПредлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее снижением не менее чем в 2 раза чувствительности от температуры и возможностью его использования в широком температурном диапазоне, Кроме того, при давлении 0,5 Рп уход выходного параметра практически равен нулю,Учитывая, что в системах управления и аварийной защиты датчики рассчитаны дляизмерений давлений в пределах (0.4-0,75) Р, чувствительность от температуры в основной доле измерения уменьшается в 3-4 раза.Таким образом., технико-экономическим преимуществом поедлагаемой конструкции по сравнению с прототипом является увеличение точности измерения в 2 и более раза в широком температурном диапазоне.Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус из диэлектрического материала, на внутренних стенках которого, расположенных перпендикулярно оси симметрии, по центру закреплены два электрода, а по периферии- два эталонных кольцевых электрода, причем центральная часть стенки, на которой размещен один из измерительных электродов, выполнена в аиде мембраны, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности эа счет уменьшения температурной погрешности, в нем стенка корпуса, обращенная к мембране, выполнена жесткой, а периферийная часть стенки с мембоаной 10 имеет кольцевой уступ, высота которогоравна половине величины прогиба мембраны от максимального давления, при этом один из кольцевых эталонных электродов размещен на поверхности кольцевого усту па, которая расположена параллельно мембране.1760415 ИГ 0 Составитель В,Зиновьеехред М.Моргентал Корректор Н.Гунько Ти рвгк Подписноественного комитета по иаоОретениям и открытиям при 113 О 35, Москва, Ж, Раушская наб., 415 НТ СССР роиаводственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул,Гагарина, 101