NO156188B

NO156188B - CAPACITY PRESSURE TRANSDUCTOR.

Info

Publication number: NO156188B
Application number: NO82821879A
Authority: NO
Inventors: Roger L Frick
Original assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1980-10-06
Filing date: 1982-06-04
Publication date: 1987-04-27
Also published as: NO821879L; NO156188C; DE3175728D1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår kapasitiv trykktransduktor av den art som angitt i innledningen til krav 1. The present invention relates to a capacitive pressure transducer of the type specified in the introduction to claim 1.

US-patent nr. 3.618.390 eid av samme innehaveren som foreliggende oppfinnelse beskriver bruken av et følerdiafragma som slår over ved for stort trykk for å beskytte isolasjonsdiafragmaene. Denne oppfinnelsen gir store markante bedringer for kapasitanstrykkmåleteknikken, som har blitt bekreftet av vesentlig kommersielt utbytte og suksess. Foreliggende oppfinnelse som beskrevet her kan bli benyttet i sammenheng med konstruksjonen beskrevet i US-patent nr. 3.618.390. U.S. Patent No. 3,618,390 owned by the same assignee as the present invention describes the use of a sensor diaphragm that switches over on excessive pressure to protect the isolation diaphragms. This invention provides great marked improvements to the capacitance pressure measurement technique, which has been confirmed by substantial commercial yield and success. The present invention as described here can be used in conjunction with the construction described in US patent no. 3,618,390.

US-patent nr. 4.072.057 beskriver problemet som forekommer på grunn av økning av det statiske linjetrykket, men løser ikke problemet slik som ved foreliggende oppfinnelse. US Patent No. 4,072,057 describes the problem that occurs due to an increase in the static line pressure, but does not solve the problem as with the present invention.

US-patent nr. 4.163.395 viser et differensialtrykkfølende ele-ment som har et seg bøyende diafragma og isolasjonsdiafragmaer, men det antydes her ikke bruk av spent diafragma som endres i spenning på en kjent måte for å kompensere for økningen i statisk linjetrykk. US Patent No. 4,163,395 shows a differential pressure sensing element having a flexing diaphragm and isolation diaphragms, but the use of a tensioned diaphragm that changes in tension in a known manner to compensate for the increase in static line pressure is not suggested here.

US-patent nr. 4.218.925 beskriver også en differensialtrykk-føler med isolasjonsdiafragmaer, men bruker et belgesystem og ikke spente diafragmaer som endres i spenning når det statiske linjetrykket endres for å kompensere for huskast slik at mellomrommet fra følerdiafragmaet til deres respektive kondensatorplater blir større under høyere statiske linjetrykk. US Patent No. 4,218,925 also describes a differential pressure sensor with isolation diaphragms, but uses a bellows system and not tensioned diaphragms that change in tension as the static line pressure changes to compensate for house throw so that the clearance from the sensor diaphragm to their respective capacitor plates is increased under higher static line pressures.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å unngå ulempene ved de tidligere kjente anordningene og dette tilveiebringes ved at huset er konstruert slik at den-vil tillate kasting når det statiske linjetrykket økes og spenningen i diafragmaet vil reduseres slik at diafragmaet vil bøyes mer for samme grad av forskjell i trykket. The purpose of the present invention is to avoid the disadvantages of the previously known devices and this is provided by the housing being constructed so that it will allow throwing when the static line pressure is increased and the tension in the diaphragm will be reduced so that the diaphragm will bend more for the same degree of difference in the pressure.

Det karakteristiske ved foreliggende oppfinnelse fremgår av karakteristikken til krav 1. The characteristic of the present invention appears from the characteristic of claim 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene. Further features of the invention appear from the subclaims.

Oppfinnelsen tilveiebringer fjernisolatorer, elektrisk isolasjon av føleren fra isolatorene og forbedret følermontering, materialvalg og sammenstilling for å redusere virkningen av statisk linjetrykk og temperatur. Slike skadelige virkninger er i hovedsaken redusert og gir derved et forbedret kapasitivt signal som er representativt for trykket. The invention provides remote isolators, electrical isolation of the sensor from the isolators, and improved sensor mounting, material selection and assembly to reduce the effects of static line pressure and temperature. Such harmful effects are mainly reduced and thereby provide an improved capacitive signal which is representative of the pressure.

Oppfinnelsen skal nå beskrives med henvisning til tegningene, hvor : Fig. 1 viser et riss av en trykktransduktor fremstilt i sam svar med foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et riss av et følerhus av en annen utførelses- form av følerhuset til foreliggende transduktor. Fig. 3 viser en kurve over resultatene ved prøvingen av en transduktor i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen som viser prosentfeil (i tiendeler (1/10) til en prosent (1%) i forhold til differensialtrykket for fem forskjellige kalibreringer som har fra 0 kg/cm<2 >statisk 1injemanometertrykk tilført begge sidene av transduktoren til 140 kg/cm 2 manometertrykk til begge sidene av slike transduktorer. Fig. 4 viser en kurve over resultatet av prøven av en transduktor i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen som viser utgangsawiket i prosent i forhold til differensiallinjetrykket for å vise temperaturvirkningen (ukompensert) for flere kalibreringer. Fig. 5A og B viser virkningen av økende effektivt statisk linjetrykk på en kapasitivt følende celle av den art vist på fig. 1 og fig. 2. En transduktor som fortrinnsvis er benyttet for differensialtrykk, manometertrykk, strømningsnivå eller andre slike trykkmålinger er vist generelt ved 10. Transduktoren innbefatter et transduktorhus eller ramme 12 som bærer et følerhus 14 og et par isolatorhus 16a og 16b. Det er ment at husene 14, 16a og 16b kan bli innbefattet i eller anbrakt med avstand fra huset 12. Trykkene som skal bli følt er vist med piler 18 og 20 ved transduktorinngangsportene. Trykkene 18 og 20 virker på isolasjonsdiafragmaene 22 og 24 henholdsvis. Diafragmaene 22 og 24 er fortrinnsvis svært fleksible og er utformet på vanlig måte. Korrigeringene 26 til diafragmaene 22 og 24 utgjør en foretrukket isolasjonsdiafragmakonstruk-sjon som har flere buktninger som ønskelig. Kammerne 27 og 29 er definert av diafragmaene 22 og 24 i samvirke med respektive hus 16a og 16b. Kammerne 27 og 29 er forbundet med passasjene 28 og 30, som fortrinnsvis er fremstilt av rustfritt stålrør, men kan være fremstilt av andre egnede materialer. The invention will now be described with reference to the drawings, where: Fig. 1 shows a diagram of a pressure transducer manufactured in answer with the present invention. Fig. 2 shows a diagram of a sensor housing of another embodiment shape of the sensor housing of the present transducer. Fig. 3 shows a curve of the results of the testing of a transducer in accordance with an embodiment of the invention showing the percentage error (in tenths (1/10) to one percent (1%) in relation to the differential pressure for five different calibrations having from 0 kg/cm<2 >static 1in gauge pressure applied to both sides of the transducer to 140 kg/cm 2 gauge pressure to both sides of such transducers Fig. 4 shows a curve of the result of the test of a transducer in accordance with an embodiment of the invention showing the output deviation in percent relative to the differential line pressure to show the effect of temperature (uncompensated) for several calibrations Fig. 5A and B show the effect of increasing effective static line pressure on a capacitive sensing cell of the type shown in Fig. 1 and Fig. 2. A transducer which preferably used for differential pressure, gauge pressure, flow level or other such pressure measurements is shown generally at 10. The transducer includes a transducer housing or frame 12 which carries a sensor housing 14 and a pair of insulator housings 16a and 16b. It is intended that the housings 14, 16a and 16b may be contained within or spaced from the housing 12. The pressures to be sensed are shown by arrows 18 and 20 at the transducer input ports. The pressures 18 and 20 act on the isolation diaphragms 22 and 24 respectively. The diaphragms 22 and 24 are preferably very flexible and are designed in the usual way. The corrections 26 to the diaphragms 22 and 24 constitute a preferred isolation diaphragm construction having as many bends as desired. Chambers 27 and 29 are defined by diaphragms 22 and 24 in cooperation with respective housings 16a and 16b. Chambers 27 and 29 are connected by passages 28 and 30, which are preferably made of stainless steel pipe, but may be made of other suitable materials.

Følerhuset 14 er fortrinnsvis maskinert og fremstilt av et metall, slik som rustfritt stål, fortrinnsvis blir et austenittisk rustfritt stål slik som 304 benyttet. Huset 14 er i alminnelighet fremstilt av to deler 32 og 34 som fortrinnsvis er i hovedsaken av lik størrelse og som når sammensatt generelt sett er delt av et følerdiafragma 36 som blir holdt ved deres kanter og en som elastisk vil bøyes under et dif-ferensial trykk og som i alminnelighet er underlagt en ønsket radial spenning. Et midtre kjegleformet hulrom 38 med boringer 4 2 og 44 er dannet i delen 32 og likeledes er et midtre kjeglefoaamet hulrom 4 6 med boringer 48 og 50 dannet i delen 34. Rørledninger 52 og 54 er dannet i delene 32 og 34 for å kommunisere med passasjene 28 og 30 henholdsvis. De indre åpningene til rørledningene 52 og 54 danner fortsettelsene av passasjene 28 og 30 for å kommunisere med et kammer 53 definert i delen 32 ved hjelp av diafragmaet 36 og midtseksjonen av materialet 60a i delen 32 og et andre kammer 55 definert i delen 34 ved hjelp av diafragmaet 36 og midtseksjonen til materialet 60b i delen 34. En elektrisk leder 56 er satt inn gjennom boringen 42 til kammeret 38 og likeledes er en leder 58 satt inn gjennom boringen 48 til kammeret 46. Lederne 56 og 58 kan være metallrør for å medvirke ved fyllingen av følerkammerne med et ikke-sammenpressbart fluidium. The sensor housing 14 is preferably machined and manufactured from a metal such as stainless steel, preferably an austenitic stainless steel such as 304 is used. The housing 14 is generally made of two parts 32 and 34 which are preferably of substantially equal size and which when assembled are generally divided by a sensing diaphragm 36 which is held at their edges and which will flex elastically under a differential pressure and which is generally subject to a desired radial stress. A central cone-shaped cavity 38 with bores 42 and 44 is formed in the portion 32 and likewise a central cone-shaped cavity 46 with bores 48 and 50 is formed in the portion 34. Conduits 52 and 54 are formed in the portions 32 and 34 to communicate with passages 28 and 30 respectively. The inner openings of the conduits 52 and 54 form the continuations of the passages 28 and 30 to communicate with a chamber 53 defined in the portion 32 by means of the diaphragm 36 and the middle section of the material 60a in the portion 32 and a second chamber 55 defined in the portion 34 by of the diaphragm 36 and the middle section of the material 60b in the part 34. An electrical conductor 56 is inserted through the bore 42 to the chamber 38 and likewise a conductor 58 is inserted through the bore 48 to the chamber 46. The conductors 56 and 58 may be metal tubes to assist by filling the sensor chambers with a non-compressible fluid.

De elektrisk ledende delene av huset 14 er elektrisk isolert fra metallrørene som danner passasjene 28 og 30 og fra lederne 56 og 58. Et isolerende ikke-porøst materiale 60a og 60b slik som glass eller kjeramikk er fylt i hulrommene 38 og 4 6 og boringene 42 og 48 og er bundet til husdelene 32 og 34 langs en overflate som danner en vinkel 9 i forhold til planet dannet av forbindelsen mellom delene 32 og 34. Midtseksjonen til materialene 60a og 60b og midtområdet av husdelene 32 og 34 såvel som indre ender av lederne 56 og 58 blir så gitt en kontur eller utsparring ved hjelp av maling eller maskine-ring fortrinnsvis for å tilveiebringe en egnet stoppflate for følerdiafragma 36 når diafragmaen 36 bøyes under et over-trykk tilført isolasjonsdiafragmaene. Rørledningene 52 og 54 kan være en enkel sylinder eller flere små sylindere i samsvar med læren i US-patent nr. 3.618.390 for å tilveiebringe diafragmaunderstøttelse ved et overtrykksforhold. The electrically conductive parts of the housing 14 are electrically isolated from the metal tubes forming the passages 28 and 30 and from the conductors 56 and 58. An insulating non-porous material 60a and 60b such as glass or ceramic is filled in the cavities 38 and 46 and the bores 42 and 48 and is bonded to the housing parts 32 and 34 along a surface which forms an angle 9 with respect to the plane formed by the connection between the parts 32 and 34. The middle section of the materials 60a and 60b and the middle region of the housing parts 32 and 34 as well as the inner ends of the conductors 56 and 58 are then contoured or recessed by painting or machining, preferably to provide a suitable stopping surface for sensor diaphragm 36 when diaphragm 36 is bent under an overpressure applied to the isolation diaphragms. The conduits 52 and 54 may be a single cylinder or multiple small cylinders in accordance with the teachings of US Patent No. 3,618,390 to provide diaphragm support at an overpressure condition.

Et egnet elektrisk ledende materiale blir så avsatt i et sjikt på den indre overflaten av materialene 60a og 60b i hver hus-del som ved 61 og 63. Sjiktene ligger på motsatte sider av følerdiafragmaet 36 og er elektrisk forbundet med lederne 56 og 58 henholdsvis. Følerdiafragmaet 36 er fortrinnsvis dannet av et egnet elektrisk ledende materiale og er fastgjort i stilling mellom husdelene 32 og 34 og sjiktene 61 og 63 ved hjelp av en sammenhengende sveisestrøm 62 som således danner en felles plate for materialene 61 og 63 som følgelig danner to kondensatorer C-^ og En egnet leder 64 blir så forbundet med følerhuset 14 som er ved samme elektriske potensial som diafragmaet 36. Følerdiafragmaet 36 kan også være fremstilt av et ikke-ledende materiale og ha en ledende del anbrakt i eller på diafragmaet for således å danne slik felles plate for en variabel følerkondensator. En egnet leder 64 blir så forbundet med slik lederdel. Boltene 70 kan så bli anordnet for å oppta trykkreftene på følerhuset 14. A suitable electrically conductive material is then deposited in a layer on the inner surface of the materials 60a and 60b in each housing part as at 61 and 63. The layers lie on opposite sides of the sensor diaphragm 36 and are electrically connected to the conductors 56 and 58 respectively. The sensor diaphragm 36 is preferably formed of a suitable electrically conductive material and is fixed in position between the housing parts 32 and 34 and the layers 61 and 63 by means of a continuous welding current 62 which thus forms a common plate for the materials 61 and 63 which consequently form two capacitors C -^ and A suitable conductor 64 is then connected to the sensor housing 14 which is at the same electrical potential as the diaphragm 36. The sensor diaphragm 36 can also be made of a non-conductive material and have a conductive part placed in or on the diaphragm to thus form such common plate for a variable sensing capacitor. A suitable conductor 64 is then connected to such conductor part. The bolts 70 can then be arranged to absorb the pressure forces on the sensor housing 14.

Et egnet hovedsakelig ikke-sammenpressbart fluidium, slik som silikonolje, blir så fylt inn på hver side av transduktor enheten gjennom lederen 56 og 58 til følerdiafragmakammeret utformet i husdelen 32 ved hjelp av diafragmaet 36 og til isolasjonskammeret 27 og likeledes til følerkammeret i husdelen 34 og isolasjonskammeret 29. Når slike rom er fylt blir lederne 56 og 58 avisolert ved deres ytre ender og egnede ledningstråder blir festet til dem. A suitable substantially incompressible fluid, such as silicone oil, is then filled into each side of the transducer assembly through conduits 56 and 58 to the sensing diaphragm chamber formed in housing 32 by means of diaphragm 36 and to isolation chamber 27 and likewise to the sensing chamber in housing 34 and the insulating chamber 29. When such spaces are filled, the conductors 56 and 58 are stripped at their outer ends and suitable lead wires are attached to them.

Virkningen av trykket på isolatordiafragmaene 22 og 24, The effect of the pressure on the isolator diaphragms 22 and 24,

det hovedsakelig ikke-sammenpressbare fluidiumet i kammerne 27 og 29, passasjene 28 og 30 og på følerdiafragmaet 36 er fullstendig forklart f.eks. i US-patent nr. 3.618.390. Oppfinnelsen av følerdiafragmaet 36 som slår ut på et overtrykksforhold er beskrevet i US-patent nr. 3.618.390 eller isolasjonsdiafragmaene 22 eller 24 som slår ut på et overtrykk-forhold kan om ønskelig bli benyttet ved foreliggende oppfinnelse. the substantially incompressible fluid in the chambers 27 and 29, the passages 28 and 30 and on the sensor diaphragm 36 is fully explained e.g. in US Patent No. 3,618,390. The invention of the sensor diaphragm 36 which reacts to an overpressure condition is described in US patent no. 3,618,390 or the isolation diaphragms 22 or 24 which react to an overpressure condition can, if desired, be used in the present invention.

Den fysiske anbringelsen av isolasjonsdiafragmaene 22 og 24 anbrakt med avstand fra følerdiafragmaet 36 er vist noe skje-matisk, da anbringelsen av isolatordiafragmaene 22 og 24 ikke er kritisk, som forutsetter at slike—diafragmaer er anbrakt således da det ikke tilføres uønsket mekanisk spenning utenom trykket gjennom det ikke-sammenpressbare fluidiumet til føler-huset 14. Mens følerhuset 14 fortrinnsvis er fastmontert i huset 12 er det ikke nødvendig at det er stivt montert som ved hjelp av sveising. Som vist blir det fastholdt ved hjelp av fleksible strimler 71, som er utformet av et elektrisk isolerende materiale for elektrisk å isolere følerhuset 14 fra transduktorhuset 12 og for å understøtte følerhuset 14. The physical placement of the insulating diaphragms 22 and 24 placed at a distance from the sensor diaphragm 36 is shown somewhat schematically, as the placement of the insulating diaphragms 22 and 24 is not critical, which assumes that such diaphragms are placed in such a way that no unwanted mechanical stress is added other than the pressure through the non-compressible fluid to the sensor housing 14. While the sensor housing 14 is preferably fixed in the housing 12, it is not necessary that it is rigidly mounted as by welding. As shown, it is held by means of flexible strips 71, which are formed from an electrically insulating material to electrically isolate the sensor housing 14 from the transducer housing 12 and to support the sensor housing 14.

Med kammerne 27, 29, passasjene- 28 og 30 (innbefattende åpningene i rørledningene 52 og 53) og kammerne mellom sjiktene 61 og 63 og diafragmaet 36 fylt med ikke-sammenpressbart fluidium vil forskjellen mellom trykkene vist med pilene 18 og 20 bevirke diafragmaet 36 til å bøyes proporsjonalt med trykkforskjellen og kapasitansendringer relativt til sjiktene 61 og 63 . With the chambers 27, 29, the passages 28 and 30 (including the openings in the conduits 52 and 53) and the chambers between the layers 61 and 63 and the diaphragm 36 filled with incompressible fluid, the difference between the pressures shown by arrows 18 and 20 will cause the diaphragm 36 to to be bent proportionally with the pressure difference and capacitance changes relative to the layers 61 and 63.

En annen utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 2. Ved denne utførelsesformen er følerhuset 14A noe bredere enn utførelsesformen på fig. 1. Mens henvisningstallene tilsvarer de på fig. 1 (med en stor bokstav som danner en del av dens alfanummeriske betegnelse) skal det bemerkes at med den økende bredden av huset 14A, boringer 44A og 50A er noe dypere på fig. 2 enn boringene 44 og 50, og materialene 60A og 6OB har blitt fylt for å innbefatte en del av slike boringer. En vinkel 8 er innbefattet vinkel fra planet til diafragmaet 36A ved dets hvilestilling i forhold til den kjegleformede flaten som danner fordypningen i de respektive husdelene i hvilke materialet 60A, 60B er fylt. Denne vinkelen bestemmer den virksomme dybden av materialet 60A, 60B (eller 60a, 60b i den første formen av oppfinnelsen). Så støtter kondensatorplatene 61A og 63A (eller 61 og 63). Selv om en vinkel 8 på tilnærmet 4 5° er foretrukket for utførelses-formene på fig. 1 og 2 har man funnet at vinkler fra 25° Another embodiment of the invention is shown in fig. 2. In this embodiment, the sensor housing 14A is somewhat wider than the embodiment in fig. 1. While the reference numbers correspond to those in fig. 1 (with a capital letter forming part of its alphanumeric designation) it should be noted that with the increasing width of housing 14A, bores 44A and 50A are somewhat deeper in FIG. 2 than bores 44 and 50, and materials 60A and 6OB have been filled to include a portion of such bores. An angle 8 is included angle from the plane of the diaphragm 36A at its resting position in relation to the cone-shaped surface which forms the recess in the respective housing parts in which the material 60A, 60B is filled. This angle determines the effective depth of the material 60A, 60B (or 60a, 60b in the first form of the invention). Then the capacitor plates support 61A and 63A (or 61 and 63). Although an angle 8 of approximately 45° is preferred for the embodiments of fig. 1 and 2 it has been found that angles from 25°

til 70° har medført en forbedret stabilitet og således for- to 70° has resulted in improved stability and thus

bedret utførelse i forhold til kjente konstruksjoner som innbefatter f.eks. en ikke-sammenpressbar binding mellom isolasjonsmaterialet og metallet. Vinkelen kan også bli målt i forhold til midtaksen til følerhuset som er perpendikulært på diafragmaets 36A (eller 36) plan når det er i ro. improved performance compared to known constructions which include e.g. a non-compressible bond between the insulating material and the metal. The angle can also be measured relative to the central axis of the sensor housing which is perpendicular to the 36A (or 36) plane of the diaphragm when it is at rest.

En bebydelig fordel ved foreliggende oppfinnelse er for-bedrelsen av den statiske trykkeffekten på transduktorens trykkspennvidde. Ved tidligere kjente utførelsesformer har virkningen av det statiske trykket på spennviddefeil vært funnet å være tilnærmet en prosent (1%) endring i utgangen over instrumentets spennvidde pr. 70,3 kg/cm 2 endring av statisk trykk. Ved slike kjente transduktorer medførte trykket på utsiden av følerhuset, bevirket av trykket som blir avfølt som virker på isolasjonsdiafragmaene, og trykket fra innsiden av følerkammeret bevirket av trykket som er avfølt av det ikke-sammenpressbare fluidiumet i følerhus-deformasjonen utover på en kjent måte som pr. Poisson's-forhold. A significant advantage of the present invention is the improvement of the static pressure effect on the pressure range of the transducer. In previously known embodiments, the effect of the static pressure on span error has been found to be approximately one percent (1%) change in the output over the span of the instrument per 70.3 kg/cm 2 change of static pressure. In the case of such known transducers, the pressure on the outside of the sensor housing, caused by the pressure sensed acting on the isolation diaphragms, and the pressure from inside the sensor chamber caused by the pressure sensed by the incompressible fluid in the sensor housing caused outward deformation in a known manner as per Poisson's ratio.

Ved kjente fremstillingsmetoder av slike kapasitive transduktorer har dessuten isolasjonsmaterialet, på hvilke ledende materiale er avleiret for å danne den andre platen til hver av de variable kondensatorene, vært relativt tynt i sam-menligning med isolasjonsmaterialets tykkelse i midthul-rommet til følerhuset som beskrevet her. Når isolasjonsmaterialet er tynt eller når isolasjonsmaterialet mot metall-flaten er tilnærmet parallell med hvileaksen til diafragmaet (perpendikulært på planet til diafragmaet) blir isolasjons-materiale-metallgrensesnittet (bindingen) 65a, 65b, 65A, 65B underlagt en skjærekraft som kan bevirke at bindingen svekkes eller ødelegges. Når trykk blir tilført en føler som har In known manufacturing methods of such capacitive transducers, the insulating material, on which conductive material is deposited to form the second plate of each of the variable capacitors, has also been relatively thin in comparison with the thickness of the insulating material in the central cavity of the sensor housing as described here. When the insulating material is thin or when the insulating material against the metal surface is approximately parallel to the axis of rest of the diaphragm (perpendicular to the plane of the diaphragm) the insulating material-metal interface (bond) 65a, 65b, 65A, 65B is subjected to a shear force which can cause the bond to weaken or destroyed. When pressure is applied to a sensor that has

en ødelagt sammenbinding bevirker slikt trykk at isolasjonsmaterialet beveges bort fra diafragmaet. Bevegelsen av isolasjonsmaterialet bevirker en uønsket endring i kapasitansen som ikke er representativ for det avfølte trykket som til-legges feilvirkningen bevirket av statisk linjetrykk. Når føleren blir fremstilt i samsvar med foreliggende beskrivelse a broken bond causes such pressure that the insulating material is moved away from the diaphragm. The movement of the insulating material causes an undesired change in the capacitance which is not representative of the sensed pressure which is added to the error effect caused by static line pressure. When the sensor is produced in accordance with the present description

er bindingene 65a, 65b, 65A, 65B i hovedsaken sammenpresset og følgelig mye mindre sårbar i forhold til slike brudd. the bonds 65a, 65b, 65A, 65B are essentially compressed and consequently much less vulnerable to such breaks.

Ved fjerningen av isolatorene fra siden av følerhuset øker avstanden mellom kondensatorplatene på begge sidene av diafragmaet 36 med økende statisk linjetrykk tilført ved 18, With the removal of the insulators from the side of the sensor housing, the distance between the capacitor plates on both sides of the diaphragm 36 increases with increasing static line pressure applied at 18,

20 på grunn av lett utover bevegelse av følerdelene med hensyn til følerdiafragmaet. Denne statiske linjetrykkøkningen bevirker også at delene 32 og 34 slår seg lett om deres respektive nøytrale akse (vist på fig. 2 og 5 ved X-X) da de 20 due to slight outward movement of the sensor parts with respect to the sensor diaphragm. This static line pressure increase also causes parts 32 and 34 to turn easily about their respective neutral axis (shown in Figs. 2 and 5 at X-X) as they

to husdelene tenderer til å trekke seg sammen tilliggende diafragmaet (som vist med piler 70A på fig. 2 og 5B). (Isolasjonsmaterialet er ikke spesielt vist på fig. 5A eller 5B siden disse figurene kun er illustrative og henviser til fremstillingene på fig. 1 og 2). Slik kasting er kanskje best forklart ved henvisning til fig. 5A som viser delene 32 og 34 i ro og ved fig. 5B som viser en forstørret kast-stilling (for fremvisningen) da bevirket av økende statisk linjetrykk. Når det statiske linjetrykket blir øket øker kapasitansrommet (d) på fig. 5A mellom diafragmaet 36 og kondensatorplatene 61 og 63 til d<1> (som vist på fig. 5B) • og slik mellomromsendring er ikke representativ for det tilførte differensialtrykket. I samsvar med foreliggende oppfinnelse er endringen i kapasitansen bevirket av slik kasting i det vesentlige kompensert for ved hjelp av reduk-sjonen i diafragmaradialspenningen bevirket av sammentrek-ningen nærliggende diafragmaet. Radial spenning eller forspenning tilført diafragmaet ved konstruksjonstiden sammen med egnet dimensjonering og materialer resulterer i elastisk stivhet for diafragmaet som reduseres ved økende statisk trykk. Diafragmamaterialet er fortrinnsvis høystyrkestål som har gode elastiske karakteristikker. Kompensasjons-fordelene er tilstede ved alle statiske linjetrykk, men fullstendigere realisert ved statisk linjetrykk over 35 kg/cm 2. two housing parts tend to contract adjacent to the diaphragm (as shown by arrows 70A in Figs. 2 and 5B). (The insulation material is not specifically shown in Fig. 5A or 5B since these figures are only illustrative and refer to the representations in Fig. 1 and 2). Such throwing is perhaps best explained by reference to fig. 5A which shows the parts 32 and 34 at rest and in fig. 5B showing an enlarged throw position (for the display) then effected by increasing static line pressure. When the static line pressure is increased, the capacitance space (d) in fig. 5A between the diaphragm 36 and the condenser plates 61 and 63 to d<1> (as shown in Fig. 5B) • and such gap change is not representative of the applied differential pressure. In accordance with the present invention, the change in capacitance caused by such throwing is essentially compensated for by means of the reduction in the diaphragm radial stress caused by the contraction near the diaphragm. Radial stress or prestress applied to the diaphragm at the time of construction together with suitable sizing and materials results in elastic stiffness for the diaphragm which decreases with increasing static pressure. The diaphragm material is preferably high strength steel which has good elastic characteristics. The compensation benefits are present at all static line pressures, but more fully realized at static line pressures above 35 kg/cm 2.

Følgende ligninger forklarer ytterligere den statiske linje-trykkompensasjonen i samsvar med en foretrukket utførelses-form av foreliggende oppfinnelse som har en første kondensator og en andre kondensator C~ som beskrevet her: The following equations further explain the static line pressure compensation in accordance with a preferred embodiment of the present invention having a first capacitor and a second capacitor C~ as described herein:

hvor 0 = utgangssignalet fra dif f erensialtrykkapasitans-.■. where 0 = the output signal from the differential pressure capacitance-.■.

cellen, the cell,

CH = kapasitansen til den største av C1 eller C2, CH = the capacitance of the larger of C1 or C2,

CL kapasitansen til den minste av C1 eller C^, CL the capacitance of the smaller of C1 or C^,

Xp diafragmabøyningen med differensialtrykk, Xp the diaphragm deflection with differential pressure,

Xo kapasitansmellomrommet med null (0) statisk linje-manometertrykk, Xo the capacitance gap with zero (0) static line gauge pressure,

Xo'= kapasitansmellomrommet med hevet statisk linjetrykk, Xo'= capacitance gap with raised static line pressure,

<5 diafragmastrekket ved konstruksjonstiden (begynnelses-forstrekket), <5 the diaphragm tension at the time of construction (initial pre-tension),

5Q'= diafragmastrekket ved hevet statisk linjetrykk. 5Q'= the diaphragm tension at elevated static line pressure.

Forenkling: Simplification:

Når transduktoren er utformet i samsvar med foreliggende oppfinnelse så øker det statiske linjetrykket, kapasitansrommet Xo øker til Xo' og diafragmastrekket {<5Q) reduseres til 5Q'- Ved fastholding av produktet Xo'6 i det vesentlig lik Xo'-6o' følgelig hovedsakelig lik en konstant reagerer diafragmaavbøyningen (Xp) på differensialtrykket tilført dertil og utgangen (O) er således uavhengig av det statiske linjetrykket. When the transducer is designed in accordance with the present invention, the static line pressure increases, the capacitance space Xo increases to Xo' and the diaphragm stretch {<5Q) is reduced to 5Q'- By maintaining the product Xo'6 essentially equal to Xo'-6o' consequently mainly equal to a constant, the diaphragm deflection (Xp) reacts to the differential pressure applied thereto and the output (O) is thus independent of the static line pressure.

En transduktor fremstilt i samsvar med utførelsesformene A transducer made in accordance with the embodiments

på fig. 1 og fig. 2, men :som ikke har en vinkel 9 mellom 25° og 7 0°, men har et sylindrisk metallisolert materialgrense-snittbinding, dvs. bindesnittet var først generelt perpendikulært (8 = 90°) utfra diafragmaet 36, så generelt parallelt (9 = 0°) fra diafragmaet 36 generelt som vist i US-patent nr. 3.618.39 0, ble prøvd under aktuelle lastebetingelser. on fig. 1 and fig. 2, but :which does not have an angle θ between 25° and 70°, but has a cylindrical metal-insulated material interface connection, i.e. the interface was first generally perpendicular (8 = 90°) from the diaphragm 36, then generally parallel (9 = 0°) from the diaphragm 36 generally as shown in US Patent No. 3,618,390, was tested under actual loading conditions.

Denne tidligere formen av oppfinnelsen innbefattet ikke sammenpresset binding som beskrevet her, men hadde den tidligere skjærebindingen. Den forbedrede bindingen er som beskrevet behjelpelig med å unngå bindingsbrudd og det er antatt utfra analyseringer og vurderinger at slike brudd ikke forekommer og bindingsarten påvirker derfor ikke prøveresultatene. This earlier form of the invention did not include compression bonding as described herein, but had the earlier shear bond. As described, the improved bond is helpful in avoiding bond breaks and it is assumed from analyzes and assessments that such breaks do not occur and the type of bond therefore does not affect the test results.

Ved en undersøkte utførelsesformen ble de andre prinsippene med oppfinnelsen fulgt, slik som separering av isolatorne 16a, 16b fra følerhuset 14 og kompensering for følerhusets 14 kasting med et egnet følerdiafragma 36 for spenning. Følerdiafragmaet 36 var 0,046 mm tykt og tilnærmet 2,84 cm In an investigated embodiment, the other principles of the invention were followed, such as separation of the insulators 16a, 16b from the sensor housing 14 and compensation for the sensor housing 14's throw with a suitable sensor diaphragm 36 for voltage. The sensor diaphragm 36 was 0.046 mm thick and approximately 2.84 cm

i diameter og hadde tilnærmet 7,381 kg/cm 2 i forspenning tilført (selv om forspenning fra 3515 - 14060 kg/cm 2 kan bli godtatt) og ble fremstilt av NiSpan C; isolerende materiale 60a, 60b, 60A, 60B var Owens 0120 glass og følerhuset 14 in diameter and had approximately 7.381 kg/cm 2 of prestress applied (although prestress from 3515 - 14060 kg/cm 2 may be accepted) and was manufactured from NiSpan C; insulating material 60a, 60b, 60A, 60B was Owens 0120 glass and the sensor housing 14

var NiSpan C materiale tilnærmet 3,175 cm i diameter. Kapasitansrommet (Xo) i midten var tilnærmet 0,019 cm. Isolatorene 16a, 16b ble fremstilt av rustfritt stål (304SST) og var tilnærmet 7,62 cm i diameter og forbundet med kammerne 53, 55 ved hjelp av passasjene 28, 30 dannet av 1/16 tommers O.D.. rustfritt stålrør. Resultatene av slike prøver er vist på fig. 3. Som vist er alle prøvepunktawikene på grunn av statisk linjetrykk fra 0 kg/cm 2 manometertrykk til 14 0 kg/cm<2 >manometertrykk mindre enn 0,2% over differensialtrykkspenn-vidden på 0 til 690 cm med vann. Kurvene på fig. 3 viser en svært liten mekanisk hysterese. Slik mekanisk hysterese er ikke uvanlig og avhenger ikke bare av øyeblikkspenningsverdien da bevirket av differensialtrykket og statisk linjetrykk, men også av tidligere forhold ved slik spenning. was NiSpan C material approximately 3.175 cm in diameter. The capacitance space (Xo) in the center was approximately 0.019 cm. Insulators 16a, 16b were fabricated from stainless steel (304SST) and were approximately 7.62 cm in diameter and connected to chambers 53, 55 by passages 28, 30 formed from 1/16 inch O.D. stainless steel tubing. The results of such tests are shown in fig. 3. As shown, all test point deviations due to static line pressure from 0 kg/cm 2 gauge pressure to 140 kg/cm<2> gauge pressure are less than 0.2% over the differential pressure span of 0 to 690 cm with water. The curves in fig. 3 shows a very small mechanical hysteresis. Such mechanical hysteresis is not unusual and depends not only on the instantaneous voltage value then caused by the differential pressure and static line pressure, but also on previous conditions at such voltage.

En ytterligere forbedring er tilveiebrakt ved foreliggende oppfinnelse, da nullstabiliteten til transduktoren, som ved vanlige transduktere varierer både med temperatur og statisk trykk, er forbedret på grunn av at isolatorhusene ikke er i direkte fysisk kontakt med med følerhuset. Kun rørene som danner passasjen 28 og 30 er i direkte berøring med følerhu-set 14 og disse rørene gir tilpasning av laster eller endringer på grunn av temperatur på isolatoren uten tilførsel og spen- A further improvement is provided by the present invention, as the zero stability of the transducer, which with ordinary transducers varies both with temperature and static pressure, is improved due to the fact that the insulator housings are not in direct physical contact with the sensor housing. Only the pipes that form the passages 28 and 30 are in direct contact with the sensor housing 14 and these pipes allow adaptation of loads or changes due to temperature on the insulator without supply and voltage

ning på følerhuset 14. ning on the sensor housing 14.

En prøve ble også utført for å demonstrere den forbedrede ukompenserte temperaturvirkningen med hensyn til stabili-teten på utgangskapasitanssignalet ved foreliggende oppfinnelse ved den beskrevne utførelsesformen ovenfor, hvor resultatene er vist på fig. 4. Den "ukompenserte" effekten er feilen tilstede før en hver kompensasjon av et elektrisk signal er påført. Elektrisk signalkompensasjon er i alminnelighet benyttet for å redusere ytterligere feil, men er svært fordelaktig for å tilveiebringe en konstruksjon som har en lav ukompensert feil. Hver kurve på fig. 4 representerer en adskilt kalibrering. Flere slike kalibreringer ble utført idet syv av dem er vist på fig. 4, en ved 37,7°C, så igjen ved 37,7°C, så ved 93,3°C, så 37,7°C, så -17,7°C og så 37,7°C, igjen 93,3°C og til slutt ved 37,7°C. Kurvene viser at sammenstillingen medfører en utmerket stabilitet og en svært lav termisk hysterese da kapasitansawiket ved 37,7°C for tre kalibreringer ved den temperaturen var mindre enn +0,18%. Termisk hysterese henviser til forskjellen i kali-breringsresultatene ved en bestemt temperatur etter å ha kommet til den kalibreringstemperaturen fra høyere og lavere temperaturer henholdsvis. A test was also conducted to demonstrate the improved uncompensated temperature effect on output capacitance signal stability of the present invention in the above described embodiment, the results of which are shown in Fig. 4. The "uncompensated" effect is the error present before any compensation of an electrical signal is applied. Electrical signal compensation is commonly used to reduce additional errors, but is highly advantageous in providing a design that has a low uncompensated error. Each curve in fig. 4 represents a separate calibration. Several such calibrations were carried out, seven of which are shown in fig. 4, one at 37.7°C, then again at 37.7°C, then at 93.3°C, then 37.7°C, then -17.7°C and then 37.7°C, again 93.3°C and finally at 37.7°C. The curves show that the assembly results in excellent stability and a very low thermal hysteresis as the capacitance deviation at 37.7°C for three calibrations at that temperature was less than +0.18%. Thermal hysteresis refers to the difference in the calibration results at a particular temperature after arriving at that calibration temperature from higher and lower temperatures respectively.

Mange utførelsesformer fremstilt av forskjellige materialer og som har forskjellige dimensjoner har blitt prøvd med hell. Ved en prøve med heldiq utfall ble følerdiafragmaet 36 frem-_. stål (eller Elgiloy^ legering), Many embodiments made of different materials and having different dimensions have been tried with success. In a test with a successful outcome, the sensor diaphragm 36 was forward-_. steel (or Elgiloy^ alloy),

isolerende materiale 60 var alkaliblyglass, spesielt Corning 1990 glass og følerhuset 14 var austenittisk rustfritt stål. insulating material 60 was alkali lead glass, specifically Corning 1990 glass and sensor housing 14 was austenitic stainless steel.

En ytterligere fordel ved foreliggende oppfinnelse er at siden isolasjonsdiafragmaene ikke lenger er en del av føler-huset 14 kan størrelsen på isolatordiafragmaene bli øket relativt i forhold til følerhuset. Økningen i størrelse er viktig i noen tilfeller for å redusere virkningen av temperaturen og andre faktorer på den totale transduktorytelsen. Følerhuset 14 er dessuten fortrinnsvis elektrisk isolert fra transduktorhuset 12 som medfører en forenkling av transduk-torkretsen når elektrisk isolasjon er ønskelig, som ofte er tilfelle for industrielle trykkmålinger. A further advantage of the present invention is that since the isolation diaphragms are no longer part of the sensor housing 14, the size of the isolation diaphragms can be increased relative to the sensor housing. The increase in size is important in some cases to reduce the effect of temperature and other factors on overall transducer performance. The sensor housing 14 is also preferably electrically isolated from the transducer housing 12, which leads to a simplification of the transducer circuit when electrical isolation is desired, which is often the case for industrial pressure measurements.

Mens oppfinnelsen har blitt beskrevet ved å benytte forskjellige kapasitansfølere er det klart for fagmannen på området at en variabel impedans, dvs. en variabel impedansvariabel-reaktansføler, kan bli benyttet ved oppfinnelsen som beskrevet her. While the invention has been described using different capacitance sensors, it is clear to those skilled in the art that a variable impedance, i.e. a variable impedance variable reactance sensor, can be used in the invention as described here.

Sammenfattet er flere opptegnede fordeler så vel som de inn-lysende for fagmannen på området realisert utfra forbedringen ved foreliggende oppfinnelse. In summary, several noted advantages as well as those obvious to the person skilled in the field have been realized based on the improvement of the present invention.

Claims

1. Capacitive pressure transducer including a transducer housing (12), a sensor housing (14) having a central cavity (53, 55) and mounted in the transducer housing (12), diaphragm means (36) including a thin flexible diaphragm supported on the sensor housing (14) around its periphery and extending over the central cavity (53, 55) to thereby divide the central cavity (53, 55) into two central chambers (53, 55), the diaphragm member being placed under an initial pressure during installation in the sensor housing and is bendable under pressure and wherein at least a portion of the diaphragm member is electrically conductive to provide a first capacitor plate, wherein each of the central chambers (53, 55) has an electrically conductive surface portion (61, 63) spaced from the diaphragm member (36) to provide second capacitor plates which together with the first capacitor plate constitute a pair of variable sensor capacitors, a pair of insulators (16a, 16b), the insulators each having an isolation chamber (27, 29) placed therein, separated by sashes (28, 30) for connecting each isolation chamber with a separate one of the central chambers, means (22, 24) for allowing the supply of separate pressures to respective isolation chambers at a static line pressure, each isolation chamber (27, 29), its associated passage (28, 30) and connected central chambers (53, 55) enclose a substantially incompressible fluid, the diaphragm member (26) flexing and changing the capacitance of the variable sensor capacitors in response to the difference between the static line pressures in the isolation chambers, characterized in that the sensor housing (14) is designed to deform under the influence of static line pressure applied to the fluid in the central chambers (53, 55) in such a way that the sensor housing expands normally on the diaphragm member (36) and increases the space between the capacitor plates of respective sensor capacitors when the static line pressure increases, and at the same time contracts inwards around the periphery of the diaphragmatic organ to tend to reduce d a mechanical stress in the diaphragm member and provide a greater deflection of the diaphragm member in response to the same difference between the static line pressures, as compensation to compensate for the gap increase during the increase in the average static line pressure.

2. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the insulators (16a, 16b) are placed at a physical distance from the sensor housing (12) for insulation.

3. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the sensor housing (14) and the diaphragm member (36) have coefficients of elasticity which are of such relative magnitude that the tension in the diaphragm member changes to provide a maximum error in the output over the span of the transducer of less than 1% for every 70 kp/cm^ of static line pressure change on the diaphragm member (36) at the same differential pressure.

4. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the materials of the sensor housing (14) and the diaphragm member (36) have such relative elasticity coefficients that the maximum error at the output over the span of the transducer is less than 0.25% per 70 kp/cm^ of static line pressure change on the diaphragm member at the same differential pressure.

5. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the sensor housing (14) is made of metal and has recessed cavities (38, 46), the recessed cavities being partially filled with a non-porous, insulating material (60a, 60b) which forms an interface surface with the metal of the sensor housing and that the central chambers (53, 55) are each formed in the insulating material (60a, 60b), the conductive surface parts (61, 63) of the central chambers (53, 55) being placed on the insulating material, the interface surface (65a, 65b) to the insulating material and the metal are decreasing relative to the central axis of the transducer so that the interface surface is subject to compressive forces under static line pressure.

6. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the initial tension on the diaphragm (36) is between 3515 kp/cm^ and 14060 kp/cm^.

7. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the transducer housing (12) has a support frame attached thereto and that insulation is mounted on the support frame at a location at a distance from the transducer housing.

8. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the sensor housing (14) has a central axis which lies generally normal to the diaphragm member (36), the sensor housing including an outer part which defines a pair of other cavities (38, 46) on opposite sides of the diaphragm member (36), as the the other cavities (38, 46) are each defined by the cavity surface which tapers from the edges of the diaphragm member (36) inwards towards the central axis in the direction away from a diaphragm member (36), a filling with the insulating material (60a, 60b) in each of the other cavities, the insulating material (60a, 60b) having recessed surfaces adjacent the diaphragm member (36) on opposite sides thereof to form the central chambers (53, 55) to allow bending of the diaphragm member (36) under load against the respective recessed surface.

9. Capacitive pressure transducer according to claim 8, characterized in that the insulating material (60a, 60b) is made of glass or ceramic material bonded to the cavity surfaces.

10. Capacitive pressure transducer according to claim 9, characterized in that the cavity surfaces are generally cone-shaped and are generated about the central axis to form an included angle of between 25° and 70° in relation to the central axis.

11. Capacitive pressure transducer according to claim 10, characterized in that the bond between the cavity surfaces and the glass or the ceramic material (60a, 60b) is essentially only formed by compression.

12. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the diaphragm member (36) under the initial voltage has a diaphragm tension, that the sensor housing (14) is arranged to close when the pressure increases from zero in both central chambers (53, 55) so that the housing (14) is deformed elastic and thereby increases the capacitor gaps between the diaphragm member (36) and the conductive surface parts (61, 63) and at the same time the diaphragm stretch is reduced to maintain the product of the diaphragm stretch and the capacitor gap between the diaphragm member (36) and the conductive surface parts (61, 63) essentially equal to a constant.

13. Capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that each of the insulators (16a, 16b) includes an insulating housing, a chamber formed in the insulating housing and a flexible diaphragm (22, 24) surrounding the chamber to form a flexible wall.