Емкостный датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ142126 РЕСПУБЛИН 1 Ь 9/12 . НИЯ ИСА 16 и,соотв кости конд мембраной ктропровод ф-лы, б ил овыс чувленный ГОСУДАРСТВЕИНЬЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(72) Роджер Леонард Фрик (НЯ)(54) ЕИКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к изрительной технике и позволяет исить точность устройства. Корпуствительного элемента 2, закрепв опорной раме 1, разделен элек проводящей мембраной 16 на две полости 14, 15. В этих полостяхразмещены изоляционные вставки 26, 28, подводящие каналы которых сообщены трубопроводами 12, 13 с соответствующими подмембранными полостями 10 и 11 разделительных узлов 3, 4. Каждая вставка выполнена в форме усеченного конуса с углом 25-27 между образующей конуса и плоскостью мембраны. Полости узлов 3, 4 и чувствительного элемента 2 заполнены жидкостью. Разность давлений, воздействующих в направлениях 5, 6, приводит к отклонению мембраныетственно, к изменению ем-.енсатора, образованного16 и слоями 31 и 32 эле-,ящего материала. 1 з.п.Изобретение относится к констру-ированию изолирующих устройств и,узлов для установки диафрагм емкостныхдатчиков давления.5Целью изобретения является повьгшение точности.На фиг. 1 представлен датчик давления, сечение; на фиг. 2 - корпус чувствительного элемента датчика давления, сечение; на фиг. 3 - график результатов испытаний датчика, на котором показана величина ошибки (вдесятых долях процента) в зависимости от перепада давлений для пятиразличных градуировок, с избьггочнымдавлением 0-200 фунтов на кв. дюйм,или 0-140, 62 кг/см; на фиг. 4 -график зависимости выходного отклонения от переменного давления в 20линии и температуры; на фиг, 5 -схема чувствительного элемента приотсутствии статического давления;на фиг, 6 - схема деформации чувствительного элемента при наличии статичес.кого давления в линии.Датчик содержит опорную раму 1,служащую опорой для корпуса 2чувствительного элемента и двух разделительных узлов 3 и 4. Разделительные 30узлы 3 и 4 могут бьггь встроены в корпус либо располагаться на расстоянииот него, Стрелками 5 и б обозначены давления на входных отверстиях датчика. Диафрагмы 7 и 8 разделительных узлов выполнены гибкими (вялыми) с гофрами 9. Камеры 10 и 11 образованы мембранами 7 и 8 разделительных узлов 3 и 4 и сообщены трубопроводами 12 и 13, выполненными, например, из не ржавеющей стали.Корпус 2 чувствительного элемента изготовлен из нержавеющей стали, например аустенитной стали марки 304, Корпус 2 образован иэ двух одинаковых 4, частей 14 и 15, разделенных чувствительной мембраной 16, края которой зажаты. Мембрана 16 может деформироваться под воздействием перепада давлений, причем при сборке предварительно подвергается определенному радиальному натяжению. В части корпуса 14 образована центральная коническая полость 17 с расточками 18 и 19, а в части корпуса 15 образована такая же центральная коническая полость 20 с расточками 2 1 и 22. В частях корпуса 14 и 15 имеются трубопроводы 23 и 24 сообщенные с трубопроводами 12 и 13 соответственно,Внутренние полости трубопроводов23 и 24 представляют собой продолже.ния полостей трубопроводов 12 и 13и соединены с камерой 25, образован"ной в части 14 диафрагмой 16 и изоляционной вставкой 26, и с камерой27, образованной в части 15 мембраной 16 и изоляционной вставкой 28соответственно. Через отверстие 18 векамеру 17 введен электрический проводник 29, а через отверстие 2 1 вкамеру 20 - такой же электрическийпроводник 30. Проводники 29 и 30могут быть выполнены в виде металлических трубок, обеспечивающих заполнение чувствительных камер несжимаемой жидкостью,Электропроводящие участки корпуса. 2 изолированы от металлических труб12 и 13 и от проводников 29 и 30.Изолирующий непористый материал вставок 26 и 28, например стекло, керамика, заполняет полости 17 и 20, расточки 18 и 2 1 и закреплен на поверхностях частей корпуса 14 и 15, образующих угол 8 по отношению к плоскостимембраны. Центральные части изоляционных вставок 26 и 28, центральные эоны частей корпуса 14 и 15, а такжевнутренние торцы проводников 29 и 30обработаны на станке и образуют вогнутую рабочую поверхность для чувствительной мембраны 16, когда она отклоняется под воздействием повышен ного перепада давлений, воздействующего на изолирующие диафрагмы, Трубопроводы 23 и 24 могут быть выполненыв виде единого цилиндра или множества небольших цилиндров, чтобы создать опору для мембраны 16 в условияхвоздействия на нее повышенного да"вления.Ба внутреннюю поверхность н.,оляционных вставок 26 и 28 нанесен соответствующий электропроводящий материал 3 1 и 32, образующий электроды,обращенные в сторону чувствительноймембраны 16 и соединенные с проводниками 29 и 30, Чувствительная ".ембрана 16 выполнена нз электропроводного материала и закреплена междучастями корпуса 14 и 15 и слоями 3 1и 32 сплошным сварным швом 33, благодаря чему она образует с каждымнз этих слоев конденсатор с емко -стями С, и С соответственно, 1 роводник соединен с корпу" ом 2, кото66 з 14212 рый имеет тот.же потенциал, что и мембрана 16. Мембрана 16 может бьггь также выполнена из непроводяшего материала и иметь проводящий участок, который будет общей пластиной для5 чувствительного конденсатора, а проводник в таком случае должен быть соединен с этим участком.Для восприятия усилий, возникающих от давления на корпус 2, предусмотрены болты 34.По обе стороны от мембраны 16 в камеру, образованную частью корпуса14 и диафрагмой 16, и в изолирующую камеру 10, а также в камеру, образованную частью корпуса 15 и мембраной 16, и в изолирующую камеру 1 1 через проводники 29 и 30 заливают несжимаемую жидкость, например силиконовое масло. Когда указанные полости заполнены, концы проводников 29 и 30 отрезают и присоединяют к ним соответствующие электрические провода. 25Расположение разделительных мембран 7 и 8 на удалении от чувствительной мембраны 16 показано условно, поскольку местоположение этих мембран не столь важно при условии, что они расположены так, что не подвержены воздействию нежелательных механических нагрузок кроме давления несжимаемой жидкости на корпус чувствительного элемента 2. Хотя корпус чувствительного элемента 2предпочтительно крепится к опорной , раме 1 неподвижно, он не обязательно должен быть закреплен жестко, например сваркой. Как показано на фиг. 1, он удерживается упругими лолосами 35, вь 1 полненными из электрически непроводящего материала, изолирующими корпус 2 чувствительного элемента от рамы 1 и служащими опорой корпусу 2.Вариант выполнения датчика изображен на фиг. 2. Одинаковые элементы обозначены на фиг, 2 теми же цифрами, что и на фиг. 1, но с добавлением буквы а. Здесь корпус 2 а чувствительного элемента несколько шире, чем в устройстве, показанном на фиг. 1, а расточки 19 а и 22 а несколько глубже, чем расточки 19 и 22 и частично заполнеА у55 ны материалом 26 а и 28 а, образующим изоляционные вставки, Угол 8 представляет собой угол между мемб- . раной в ее среднем положении и конической поверхностью, образующей полость в соответствующей части корпуса, заполненную материалом 26 а и28 а. Этот угол определяет эффективную глубину материала 26 а, 28 а (26,28 в первом варианте выполнения),служащего электродами конденсатора 3 1 а и 32 а (3 1 и 32), Хотя в обоихвариантах выполнения устройства уголо6 составляет примерно 45, былоустановлено, что повышенную стабильность, а следовательно, и повышенную . точность обеспечивают углы в пределахо25 -70 . Угол может бьггь также измерен относительно центральной оси корпуса чувствительного элемента, которая перпендикулярна плоскости мембраны 16 а (16), в ее среднем положении. Датчик работает следующим образом.Когда камеры 10 и 11, трубопроводы 12 и 13 (включая отверстия трубопроводов 23 и 24) и камеры между электродами 30 и 32 и мембраной 16заполнены несжимаемой жидкостью, разница между давлениями, обозначенными стрелками 5 и 6, заставляет мембрану 16,отклоняться пропорциональноперепаду этих давлений, вследствиечего изменяется емкость конденсатора,образованного этими слоями и мембраной,Одним из преимуществ датчика является уменьшение воздействия статического давления на диапазон да" влений датчика.Если толщина изолирующего материала мала или если поверхность раздела изолирующий материал - металл по существу параллельна опорной оси мембраны (перпендикулярна плоскости мембраны), то такие поверхности раздела (связи) 36 и 37 (36 а и 37 а) подвергаются воздействию срезающих усилий, которые могут вызвать ослабле-ние или разрушение связи. Если усилиеприкладывается к нарушенной связи,оно вызывает смещение изолирующегоматериала в направлении от мембраны.Смещение изолирующего материала создает нежелательные изменения емкости, не представляющие собой величину определяемого давления, что приводит к увеличению ошибки, вызываемой статическим давлением в линии. Если датчик выполнен согласно изобретению, то связи 36 и 37 (Зба и 37 а) испыты1421266 СН - С 1, Хр 1О =ь СН+СЕ Х, ",ХрОХо о вают в основном сжимающие нагрузкии гораздо меньше подвержены разрушению.При удалении изоляторов от боковойстороны корпуса чувствительного элемента пространство конденсаторной пластины по обеим сторонам мембраны 16увеличивается с увеличением статического давления в линии 5 и 6 благодаря 10небольшому наружному перемещению участков чувствительного элемента о отношению к чувствительной мембране. Такое увеличение статического давления в линии заставляет также части14 и 15 перекоситься относительно их соответствующих нейтральных осей(на фиг. 2, 5 и 6 эти оси обозначены Х-Х) в то время как обе части корпуса стремятся сжаться близ мембраны,ф 20 как показано стрелками 38 на фиг, 2 и 6 (на фиг. 5 и 6 изолирующий материал не обозначен, на них показаны конфигурации, получаемые на фиг. 1 и 2), Такой перекос может быть лучше всего объяснен фиг. 5, где показаны части 14 и 15 в ненагруженном состоянии, и на фиг, б, где показано сос" тояние перекоса, вызываемое увеличением статического давления в линии. При увеличении статического давления в линии конденсаторное пространство Й (фиг, 5) между мембраной 16 и конденсаторными пластиками 31 и 32 увеличивается до размера й (фиг. 6), однако такое увеличение не представляет собой увеличение пере- лада давления, В соответствии с изобретением увеличение емкости, вызванное подобным перекосом, в значительной степени компенсируется уменьшением радиального натяжения мембраны, вызываемым сжатием близ нее. Радиальное предварительное натяжение, приложеннае к мембране в момент изготовления датчика, а также соответ ствующий подбор размеров и материалов обеспечивают уменьшение эластичности мембраны с увеличением статического давления. Предпочтительным материалом для мембраны является 50 высокопрочкая сталь с высокой упругостью, Указанная компенсация имеет место при всех величинах статического давления в линии, однако наиболее ярко она проявляется при давле киях выше 500 фунтов на кв. дюйм ( 35 кг/см").Приведенное ниже уравнение поясняет компенсацию статического давления: где О - выходкой сигнал емкосткойячейки перепада давления;СН - емкость большего из Конденсаторов С или С ,СЕ - емкость меньшего из конденсаторов С илн С,Х - отклонение. мембраны под действием перепада давления;Х - конденсаторное пространствопри кулевом статическом давлении;К в . натяжение диафрагмы.Упрощенно формула выглядит так; Если датчик выполнен согласно иэо -бретению, при увеличении статического давления в линии конденсаторноепространство Хувеличивается до раэ 1мера Хр . Выдерживая произведениеХ Уо практически равным Х 3, т,е.по существу постоянным, можно обе-.спечить величину отклонения мембраныХ р в зависимости от приложенногок ней перепада давления, в результатевеличина выходного сигнала О не будет зависеть от величины статического давления в линии,Были проведены испытания под воздействием действительных рабочих нагрузок датчика, выполненного поизобретению согласно фиг. 1 и 2,но с цилиндрической поверхностьюраздела металл-изолирующий материал.поверхность раздела была сначалавыполнена перпендикулярной мембране16 ( 9 равен 90 ), затеи практическипараллельной6 равен нулю). Причемиспытываемый датчик ке имел предложенной, сжимаемой связи, а имел извест"кую срезаемую связь. Улучшенная связьпомогает избежать разрушения соедикения, ко поскольку было устаноьпено, что такое разрушение не происходит, следовательно, вид соединенияне влияет на результаты испьггакия.Б остальном испытываемое устройствобыло выполнено согласно изобретению,т.е, разделительные узлы 3 и 4 былиотделены от корпуса 2 чувствительного элемента, имелась компенсацияискривления корпуса 2 чувствительного элемента и предварительное натяжение мембраны 16. Толщина мембраны16 составляла 1,8 мнл (1 мил=25,4 мкм), диаметр - примерно 1, 12 дюйма ( - 28, 5 мм), предварительное натяжение составило 105000 фунтов на кв. дюйм (7380 кг/см), хотямогут быть использованы величины предварительного натяжения от 50000 до 200000 фунтов на кв. дюйм (3515-14062 кг/см), мембрана была вьптолнена из материала Ъ 1 зрап С", материалом изоляционных 0 вставок 27 и 28 (27 аи 28 а) было стекло марки "Оуэнс 0120" (Оъ 7 епз) корпус чувствительного элемента бып выполнен из материала "И 1 зрап С" и имел 1,250 дюйма в диаметре ( 31,75 мм). Конденсаторное пространство Хо было рав-но ,0,0075 дюйма ( 0,19 мм) в центре. Изоляторы 3 и 4 были выполнены из нержавеющей стали марки "304 ББТ", имели примерно 3 дюйма (76,2 мм) в диа метре и были соединены с камерами 25 и 27 при помощи трубопроводов 12 и 13 из нержавеющей стальной трубки с наружным диаметром 1/ 16 дюйма (, 1,46 мм), 25Результаты испьгганий приведены на фиг. 3.Как видно из графика, все отклонения испытательных точек под воздействием статического давления в линии 30 не превышали 0,27 в диапазоне перепада давления от 0 до 240 дюймов водяного столба (0-609 м), в диапазоне статического давления от 0 до 2000 фунтов на кв, дюйм (0-140 кг/см), Кривые на фиг. 3 имеют очень небольшой механический гистерезис. Такой механический гистерезис не является необычным и зависит не только отмгновенного значения нагрузки, выз ванной перепадом давления и статическим давлением в линии, но и от предварительной величины такой нагрузки.Преимуществом изобретения является то, что нулевой запас устойчивости датчика, который изменяется в зависимости от температуры и статического давления, улучшен благодаря тому, что корпуса изоляторов не имеют непосредственного контакта с корпусом чувствительного элемента. В непосредственном контакте с корпусом чувствительного элемента находятся лишь трубки, образующие трубопроводы 12 и 13, но эти трубки могут воспринимать нагрузки на изоляторы и их изменения вследствие изменения температуры без передачи этих усилий на корпус 2 чувствительного элемента,Было проведено также испытаниедля демонстрации улучшенного некомпенсированного температурного воздействия по отношению к стабильностивыходного сигнала предлагаемого датчика, результаты которого приведенына фиг, 4. Некомпенсированным воздействием является ошибка, имеющаяместо до какой-либо компенсации эле"ктрического сигнала, Компенсацияэлектрического сигнала обычно используется для уменьшения дальнейших ошибок, однако наиболее предпочтительноиметь устройство с малой некомпенсированной ошибкой. Каждая кривая нафиг, 4 представляет отдельный отсчет.Было выполнено несколько таких отсчетов, из них на фиг. 4 показаносемь. Кривые показывают, что предложенная конфигурация обеспечиваетпревосходную стабильность и весьманизкий тепловой гистерезис,посколькуотклонение значения емкости длятрех отсчетов при 100 Р составиломенее +О, 187 Тепловой гистерезисимеет отношение к разнице результатов отсчетов при заданной температуре в зависимости от того, приходят кэтому отсчету от более высокой илинизкой температуры,Было успешно испытано множествообразцов, изготовленных .из различныхматериалов и имевших разные размеры,при этом в опьггах использовали мембраны, изготовленные из стали марки(Напп 1 г.оп 1 пйцяг 1 ез) или сплавамарки "Е 1 К 11 о" Фирмы ЭлджилойКо" (Е 1811 оу Со), в качестве материала изоляционных вставок 26 и 28 применяли щелочное свинцовое стекло,а именно стекло марки "Корнинг 1990",а корпус чувствительного элементаизготавливали из аустенитной нержавеющей стали,Кроме того, преимуществом данногоизобретения является то, что поскольку мембраны 7 к 8 разделительных узлов 3 и 4 соответственно, не составляют часть корпуса чувствительногоэлемента, размер их может быть больше размера этого корпуса. Такое увеличение размера может бьггь весьмаважным для снижения влияния температуры и прочих факторов на работудатчика.Так как корпус 2 чувствительногоэлемента изолирован от опорной рамы9 141, упрощается схема датчика, когда,требуется электрическая изоляция,что происходит достаточно часто впромьппленных измерениях давления,Формула изобретения 1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводной 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 жидкостью, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с це 21266 10льюповышения точности, он снабжен опор"нойрамой, внутри которойзакреплен кор,пус чувствительного элемента, а под"мембранная полость каждого разделительного узла соединена с соответствующим подводящим каналом изоляционнойвставки при помощи введенного в датчик трубопровода, при этом каждая 1 О изоляционная вставка выполнена вФорме усеченного конуса с углом 25270 между образующей конуса и плоско-,стью мембраны. 2, Датчик по п, 1, о т л и ч а - 15ю щ и й с я тем, что в. нем два разделительных узла удалены на расстояние от корпуса чувствительного элемента и прикреплены к раме, при этомкорпус чувствительного элемента закреплен внутри рамы с помощью неэле-.ктропроводных опор.1421266 Х Х Составитель И. ЖУковТехред И Моргентал Корректор С йекмар едактор Л. Веселовская Тираж 84 Государственного елам изобретений сква, Ж, Рауш аз 43365 писнае изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, уп. Проектная,ВНИИП3035,комитета СССРи открытийская наб д. 4/5