PL160250B1 - Czujnik cisnieniaPierwszenstwo: PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Czujnik cisnienia zawierajacy plaska dia- fragme poddawana dzialaniu mierzonego cisnienia, pierwsza i druga pare mierników odksztalcenia umie- szczonych odpowiednio na górnej powierzchni i do- lnej powierzchni diafragmy, znamienny tym, ze pierwsza para mierników (14) odksztalcenia o nieli- niowej charakterystyce odpowiedzi elektrycznej o da- nym przebiegu jest zamocowana w polozeniu promieniowym na górnej powierzchni (12) plaskiej diafragmy (10) a druga para mierników (18) odksztal- cenia o nieliniowej charakterystyce odpowiedzi ele- ktrycznej o takim samym przebiegu lecz o przeciwnych wartosciach w porównaniu z pierwsza para mierników (14) odksztalcenia jest zamocowana w tym samym polozeniu promieniowym na dolnej powierzchni (16) plaskiej diafragmy (10). FIG. 8a PL PL PL

Description

Przedmiotem wyralazku jest czujnik ciśnienia, zwłaszcza dwustronny czujnik ciśnienia, który może być zastosiwany do pomiaru zarówno wysokich ciśnień bezwzględnych Jak i niskich ciśnień różnicowych.

Znane przetworniki ciśnienia różniccwego były budowane przy użyciu wielu różnych przyrząd! czujnikowych. Dwa spośród dzisiaj rajpowszechińejszych są czujnikami pojemnościowymi i czujnikami tensoratrycznymi zamontowanymi na belkach. Czujniki pojemnościowe zawierają trzy diafaagmy. !ie diafaagmy są poddawane działaniu ciśnień i jedna diafagpBa /środkowa/ nie jest poddawana działaniu ciśnienia. Przestrzenie pomiędzy tymi diafragmami są wypełnione cieczą dielektiyczną. W wyniku tego zostają utworzone dwa zmienne kondensatory, które mogą być scalone z elementami elektronizznymi dla utworzenia niezawodnego i dokładnego czujnika. Problem z czujnikiem takim jak ten polega na tym, że Jest trudno uzyskać dokładność tak dobrą jak w pewnych innych przybliżeniach i może stać się problemem na skutek działania ciśnienia statycznego.

Czujnik tensoratryczny belkowy Jest innym starowanym powszechnie przyrządem do wyczuwania ciśnienia różnicowego. Wykkozystuje on belkę, która Jest połączona z diafragmą re160 250 agującą ciśnienie. Diafragma przenosi siłę wytwarzaną przez ciśnienie ne belkę. Siła ta po woduje odkształcenie, które jest mierzone przez tensom*tr. Najczęściej czujnik tensometryczny Jest umeszczony na belce w konfiguracji mostka Wheatstone’a w celu poddania połowy mostka odkształceniu przy ściskaniu i połowy odkształceniu przy rozciąganiu. Wspólnym problenem dla tego typu czujników jest to, że ich wytwarzanie Jest bardzo trudne i kosztowne.

Zneny Jest też czujnik z płaską diafragmą, który Jest rzadko stos cwany przy wykorzysty weniu ciśnienia różnicowego. Ten czujnik składa się z płaskiej płyty kołowej, która jest ściśle zabezpieczona wokół zewnętrznej średnicy. Przyrząd czujnikowy jest pewnego rodzaju elementem wyczuwającym odkształcenie, który może być przyłączony do dtβrtammy. Ten typ czujnika jest dobrze znany i najpowszechniej stosowany do wyczuwania ciśnienia pomiarowego lub bezwzględnego, gdy są merzone wysokie ciśnienia Jak przedstawiono w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Anmeyki nr 3 341 794 , 3 456 226 i 3 505 634.

Czujniki ciśnienia pomiarowego lub bezwzględnego mierzą często ciśnienie w znacznie wyższym zakresie niż czujnik ciśnienia różnicowego. W związku z własnościami fizycznymi płaskiej diafragmy pcw stają duże naprężenia, ponieważ maeriał Jest raczej rozciągany niż zaginany przy przykładaniu ciśnienie. To powoduje, że czujnik staje się banrdziej nieliniowy, gdy przemeszczenie wzrasta względem grutwści diafragmy. W<Wccas gdy ten współczynnik przemeszczenia do grubości omwiany Jako czynnik K zbliża się do około 0,1, czujnik staje się zbyt nieU^twy dla dopuszczalnych rezuliait<w bez kompeenaaji liniowej. Frzyczyną, że to przybliżenie Jest stosowane Jedynie przy wysokich ciśnieniach Jest to, że gdy Jest mierzone niższe ciśnie nie, odkształcenia w diafragmie miszą być utrzymywane na pewnym poziomie w celu wytwarzania właściwej wartości wyjściowej. Można to zrealizować jedynie przez zιmieJszenia grubości di-aire^my lub zwiększenie promienia diafra^y.

Oba zwiększa ją czynnik K diafragmy. W wyniku tego czujnik ten odtwarza duże nieliniowości przy zastosowaniu zakresów niższych ciśnień.

NJbardziej powszechnym układem pomiarowym czujnika z płaską diafragmą, Jest układ czterech merników wyczuwaących odkształcenie, umieszczonych na jednej stronie diafragmy w celu reagowania na promieniowe odkształcenie przy ścikanlu w środku i styczne odkształzenit przy rozciąganiu przy zewnętrznej krawędzi diafragmy. M^rniki odkształcenie są połączone w konfiguracji mostka Whceastone^ tak, że sąsiednie gałęzie mostka wyczuwają odkształcenie o przeciwnym znaku, dające dodatkową wartość wyjściową przetwornika. Problem z tym układem polega na tym, że mierniki umieszczone przy zawnętrznej krawędzi są poddawane oddziaływaniu nieliniowości odmenn^ch aniżeli mierniki środkowe. Te nialinicwiści mją przeciwny znak, lecz różną wartość, przy czym wynikowa niemnoma wartość wyjściowa mostka zależy od czynnika K ,

Znane są również diafragmy ceramiczne z drukowaną siatką i wypalonymi rezystorami grubowarstwowymi stosowane jako przetworniki ciśnienia przedstawione na przykład w opisie patenOowym Stancw Zjednoczonych Ammryki nr 4 311 980. Te przetworniki ceramiczne/grubowarswowe zostały zaprojektowane w sposób bardzo podobny do przewornikó z rezystorami umieszczonymi w konfiguracji mostka Nheatstone'a. Tak Jak w przypadku diafaggm metalowych lub krzemowych, jeżeli czujnik jest stosowany dla zakresu niższych ciśnień, czujnik K musi zostać zwiększony w celu uzyskania właściwej wartości wyjściowej i stanie się nieliniowy.

Rezystory grubowarsOwowr zmieniają rezystancję w funkcji średniego odkształcenia w obszarze rezystora. Nie tak jak cierikowaΓsOwcwe mierniki odkształcenia lub mierniki z dołączoną folią, mierniki grubowarsOwooe są czułe na odkształcenie prostopadłe. To Jest odkształcenie wytwarzane w kierunku prostopadłym do powwerzchni diafaagmy. Jest to znaczna czułość na odkształcenie prostopadłe, która stwarza dodatkowy problem dla czuj^nk^iw

160 250 grubowarstwowych przy różnych zastosowaniach. Jeteli mierniki są umieszczone w podobny sposób do cierkowarstwowych mierników odkształcenia, z dwoma miernikami w środku i dwoma miernikami w pobliżu zewnętrznej krawędzi w celu wytwarzania mksymarej wartości wyjściowej czujnika odkształcenie prostopadłe zmienia się w zależności od tego, na którą stronę czujnika działa ciśnienie. Jeżeli zakres mierzonego ciśnienia ma środek w pobliżu zera, uzyskiwana wartość wyjściowa będzie znacznie większa, gdy ciśnienie Jest przykładane do strony czujnika, do której są przyłączone mierniki. W wczas gdy ciśnienie przechodzi do drugiej strony czujnika, wartość wyjścicwa mieje i dlatego stanie się wysoce nieinniowa.

Jedną z korrsyści zastosowania układu mostka Wheaastone*a Jest to, że wszystkie równe efekty kasują się i dlatego nie oddziaływają na wyjście. Jednak Jeżeli czułość na odkształcenia prostopadłe nie jest zgodna dla wszystkich mierników, wó^zas efekty nie są Jednakowe i czujnik Jest zły. W celu kontroli tego zjawiska w przypadku wszystkich merników po jednej stronie czujnika, producent musi w pewnym stopniu kontrolować czułość prostopadłą.

Znany czujnik ciśnienia, przedstawiony w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Amryki nr 4 311 980, zawiera di^eiframmę poddawaną działaniu mierzonego ciśnienia, pierwszą parę mierników odkształcenia umieszczonych na górnej ptowerzchni diaframy i drugą parę mierników umieszczonych na dolnej ptowerzchni diafregmy.

V czujniku ciśnienie według wynalazku pierwsza para mierników odkształcenia o nieliniowej charakterystyce odpowedzi elektrycznej o danym przebiegu Jest zamocowana w położeniu promieniowym na górnej powóerzchni płaskiej diafragmy a druga para mierników odkształcenia o nieliniowej charakterystyce odpoóedzi elektrycznej o takim samym przebiegu lecz o przeciwnych wartościach w porσ^In^nis z pierwszą parą mierników odkształcenia Jest zamocowana w tym samym położeniu promieniwym na dolnej p<ooOerzchni płaskiej diafragmy.

V Jednym przykładzie wynalazku pierwsza para mierników odkształcenia jest zamocowana w pobliżu środka górnej pkwwerzchni diafragmy a druga para miernik<w odkształcenia Jest zamocowana w tym samym położeniu promieniowym w pobliżu środka dolnej powierzchni diafragmy.

W drugim przykładzie wykonania wynalazku pierwsza para m.ernik<w odkształcenia jest zamocowana w pobliżu zewnętrznego obwodu górnej ptwóerzchni diafragmy a druga para mierników odkształcenia Jest zamocowana w tym samym położeniu promieniwym w pobliżu zewnętrznego obwodu dolnej powerzchni diafragmy.

Korzystnie według wynalazku pierwsza para mierników odkształcenia i druga para mierników odkształcenia są ustawione w linii względem siebie i mją równe pwóerzchnie.

Mierniki odkształcenia są wybrane z grupy składającej się z cierkkowtrstwwyce mierników odkształcenia, mierników odkształcenia z przyłączoną folią, mierników półprzewodnikowych i mierników grubowarstwowych.

Do mierników odkształcenia jest dołączony właściwy układ, taki jak Okład mostka Wheatstone^. Dwa zespoły iierrik!w odkształcenia na powierzchniach górnej i dolnej, umieszczone w zasadniczo takim samym położeniu promieniowym, albo w pobliżu środka tarczy albo w pobliżu zewnętrznego obwodu tarczy, są wprowadzane w stany nieli-nówe, które mją przeciwny znak, lecz rzeczywiście równe wartości. Tak więc niem^awości znoszą się wzajemnie w mostku dla miernik<w odkształcenia umieszczonych na diafragmie, odpowednio na jej powOerzcene górnej albo dolnej.

Frzedmiot wyr-naj-azku Jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sceemtycznie czujnik pojemnościowy ze stanu techniki, zawierający trzy diafragmy, fig. 2 - schemtycznie widok czujnika belkowego z miernikami (odkształcenia ze stanu techniki, fig. 3 - widok z góry czujnika z płaską diafragmą ze stanu techniki, posiadającego mierniki odkształcenia połączone w mostku i nałożone na Jedną powOerzcenię

160 250 diafragmy, fig. 4 - wykres przedstawiający wejście względem wyjścia dla grubowarsWcwego miernika ocdtształcenia nałożonego no diafragmę, ilustrujący nielinOową odpowiedź takiego miernika odkształcenia, fig. 5 - wykres przedstawiający procentowo promień w funkcji odchyleń w procentach względem dla płaskiej dial^gmy, pokazujący nielinitwą charakterystykę zar!no dla odchylenia stycznego jak i dla promieniowego, fig. 6 - wykres przedstawiający procentowo promień w funkcji mikroodkształceń dla płaskiej diafrggrny, pokazujący rozkład odkształceń zai^i^no dla odkształcenia promieniowego Jak i stycznego oraz zar!no dla górnej jak i dolnej powierzchni dial^gmy, fig. 7 - wykres przedstawiający procentcwy zakres przesunięcia w funkcji odchyleń dia jednostrow-ego miernika, pokazujący niel-inLowości czujnika z płaską diafaagmą, gdy mierniki są umieszczone w środku lub w pobliżu zewnętrznego obwodu czujnika, fig. 8a - boczny rzut pionowy czujnika ciśnienia według wymlazku, posiadającego mierniki w pobliżu środkowego obszaru dial^gmy, zar^no na jej powierzchni górnej jak i dolnej, fig. 8b - widok z góry diad^mmy z fig. 8a, fig. 8c - widok od dołu dlafragmy z fig. 8a, fig.9 - wykres przedstawiający procentowy zakres przesunięcia w funkcji odchyleń dla czujnika ciśnienia z fig. 8a do 8c, fig. 10 - boczny rzut pionowy czujnika ciśnienia według wymlazku, posiada jącego di^ramnię z miernikami odkształcenia na jej górnej i dolnej powierzchni, w pobliżu zewnętrznych obszar! obwodowych powierzchni górnej i dolnej, fig. lOb - widok z góry czujnika ciśnienia z fig. lOa, fig. 10c - widok od dołu czujnika z fig. 10a i fig. 11 - wytares przedstawiający procentowy zakres przesunięcia w funkcji odchyleń dla cz.unnlka z fig. lOa do lOc.

Na fig. 1-7 są przedstawione znane czujniki i odpowiadające im charakterystyki.

Figury 8a do 8c i lOa do lOc przed stawia ją czujniki według wymlazku. Czujnik ciśnienia posiada diafrggπtę z powierzchniami górną i dolną. Jest zastosowana para miernik! odkształcenia, zar!no na powerzcni! górnej Jak i dolnej diafrggmy w zasadniczo takim samym położeniu promieniowym. Dzięki przyłączeniu dwóch par diafaagm do mostka można przeprowadzić dokładny ponder, ponieważ nieinnowe odpowiedzi miernik! miją r!ną wartość i przeciwny znak dla powierzchni górnej i dolnej diafragniiy.

Pierwszy problem, który należy rozwiązać, Jeżeli czujnik z płaską dίafraggą mi być realnym rozwiązaniem dla zakresu średnich lub niskich ciśnień różnicowych, Jest związany z własnością fizyczną polegającą na wysokiej ęieliniowiści, która występuje, gdy czynnik KJest zbyt duży. Ze względu na to, że musi być uzyskana uprzednio określona wartość wyjściowa i wyi^ioa^y [Mehaniczna czujnika mogą być zmienirrιa w pewnych granicach, zależnie od liniowości i wymagań wyjściowych, pożądane Jest inne rozwiązanie, które byłoby niezależne od wymiar! mchanicznych.

W celu znalezienia rozwiązania tego problemu piewszym etai»m było dokładne określenie, dlaczego czujnik z płaską diafae^mą z układem mostka Whaarstięe^,r umieszczonym na jednej stronie odtwarza nielinóowości. Odkryto, że ęielinί<!iści promieniowe i styczne są związane z odkształceniem w każdym punkcie. W wyniku tego uzyskiwany wykres jest bardzo podobny do wykresu rozkładu odkształceń dla znanej diafrggmy /patrz fig. 5 i 6/. Na fig. 5 można zauważyć, że skrajne nialiniowiści promieniowe od 50% do 70% promienia są wynikiem błęd! obliczania spowodowanych przez bardzo małe odkształcenia w tym obszarze. W wyniku tej cechy mierniki primieęlowa wykrywają ęialiniowiści odmienne niż mierniki styczne. W!wzas gdy te mierniki są umieszczone w konfiguracji mostka Whęarstine’r, wartości te są dodawane do siebie. Jeżeli mierniki wykrywają różne wartości nieliniowości, łączą Je w pewną sumaryczną wartość, która może być znaczna, w zależności od czynnika K/patrz fig. 7/.

Wynalazek zapewnia czujnik, który jest bardzo niezależny od czynnika K. W celu uzyskania tego, ęialiniowości, którym każdy miernik Jest poddawany, muszą mieć przeciwny znak, lecz rzeczywiście r!ną wartość. Dzięki dalszej analizie ęialiniowości zribse!Oiaęi, że ooiksztrłceęir odtwarzają bardzo podobną wartość od góry do dołu, o przeciwnych znakach.

160 250

W tej sytuacji są spełnione oba przedstawione powyżej kryteria.

To prowadzi do nowego układu mierników odkształcenia na czujniku z płaską diafragmą. Jeżeli Jedna połowa mootka Wheeastone’ a została umieszczona w środku dial^gmy i druga połowa w położeniu takim samym promieniowo, po przeciwnej stronie, dwa z mierników będą poddane odkształcenoom ści3lrίjącyg i dwa odkształceniom rozcinającym. Dwa z najbardziej korzystnych położeń dla tych mierników występowałyby blisko środka lub zewnętrznej krawędzi diafragmy. Ze względu na to, że średnie odkształcenie byłoby większe w środku, wartość wyjściowa czujnika byłaby większa. Jeżeli mierniki byłyby blisko zewnnęrznej średnicy, ki mogłyby być wykonane Jako bardziej odporne na szum. Ten projekt czujnika z płaską diafragmą i mostkiem Wheaastone’a może być zreaizzwany przy pomocy wielu różnych elementów wyczuwających odkształcenie, tj. jako cj^e^ik^cwn^jsw^cwe mierniki odkszzałcenia, mierniki odkształcenia z przyłączoną folią, mierniki półprzewodnikcwe 1 mierniki grubowarstwowe.

Jak pokazano na fig. 8a do 8c, diafrggmr 10 m powierzchnię górną 12, która posiada pierwszą parę mierników 14 odkształcenia. Powierzchnia dolna 16 diagramy 10 posiada drugą parę mierników 18 odkształcenia. Mierniki 14 i 18 odkształcenia mogą być połączone w mostku Wheastone'8 dla utworzenia przetwornika pomiarowego ciśnienia różnicowego. Fig. 9 pokazuje, jak odpowedzi nielnnowe dla mierników górnego i dolnego kasują się nawzajem w celu wytworzenia zasadniczo liniowej wartości wyjściowej. Mierniki 14 i 18 odkształcenia są umieszczone w pobliżu obszaru środkowego powierzchni górnej i dolnej dla diaframy 10 w zasadniczo takim samym położeniu promienicwym na tarczy.

Figury lOa do lOc pokazują dalsze wykorwnie wynalazku, w którym diajragma 20 Jest wyposażona w powierzchnię górną 22 posiadającą pierwszą parę mierników 24 odkształcenia, umieszczonych w pobliżu obwodu zewnętrznego tarczy. W podobny sposób druga para miernLików 28 odkształcenia Jest umiejscowiona na powierzchni dolnej 26 di8fragmy 20 i w tym samym położeniu przmienżowyg jak górne mierniki 24.

Figura 11 pokazuje kasowanie się nieinnowych charakterystyk dla górnych i dolnych mierników odkształcenia.

Całkowita zmiana rezystancji dla rezystora grubowarstwowego tworzącego mernik odkształcenia może być obliczona z równania:

dR/R C_cE_> ♦ CE y y gdzie C , C i C są współczynnikami rezystjwności dla odkształceń w kierurkach wzdłużnym, ^{x y z} poprzecznym i prostopadłym względem rezystora i Ε_χ, E^ i E_z są odkształceniami w kierunku wzdłużnym, poprzecznym i prostopadłym względem rezystora. Ponieważ współczynnik rezyst^wności dla prostopadłego odkształcenia C/ Jest znaczny, czujnik z płaską diafaagmą ze wszystkimi miernikami umieszczonymi na jednej stronie dawałby różne wartości wyjściowe, w zależności od tego, do której strony diajragmy jest przykładane ciśnienie, o ile czułość odkształcenia prostopadłego była kontrolowana.

Drugim problemem wzmiankowanym w części stanu techniki była czułość odkształceń prostopadłych dla mernik w grubowarstwowych. Ta własność czyni zastosowanie czujnkkw grubowarstwctłch ceramicznych z diafαaggą trudnym w różnych zastosowaniach. Odkrycie zastosowania dwustronnego mostka Wheaastzne’a zmnnejsza do minimum ten problem dzięki Jego symmtrii.

gdy zakres mierzonego ciśnienia ma środek w okolicy zera, czułość odkształceń prostopadłych nie jest problemem, ponieważ połowa mostka jest zawsze poddawana ciśnieniu bezpośredniemu, Dlatego ścisła kontrola czułości prostopadłej nie jest już potrzebna.

Naj-wannejszą zaletą tego wynalazku jest to, że teraz dzięki urządzeniu według wynalazku linoowość czujnika z płaską diafaaggą jest niezależna od współczynnika przemieszczenie-do-grubości /czynnik K/. Oznacza to dla projektanta mierników ciśnienia różnicowego, że teraz można zwiększyć odkształcenia do właściwego poziomu wyraganego dla właściwego

160 250 wyjścia poprzez zmianę wymiarów fizycznych płaskiej diafragmy bez oddziaływania na liniowość czujnika. Bezpośrednim wynikiem tego jest to, ie czujnik z płaską diafra^mą, który Jest tańszy i prostszy w prodiUcci, może być zastoscwany dla wszystkich zakresów ciśnienia od zakresu niskiego poprzez zakres średni do zakresu wysokiego.

Inną zaletą tego rozwiązania Jest to, że wysoka czułość rezystora grubowarstwowego na odkształcenie prostopadłe nie stworzy problemu liniowości, gdy zakres mierzonego ciśnienia przekracza zero. To umooiiwia użycie czujniki ceramicznych/grutowarswowych w różnych zastosowaniach, gdzie okazują się one znacznie tańsze niż inne rozwiązania oraz banlziej niezawodna.

Podczas gdy zostały pokazane szczególne wykonania wynalazku w celu przedstawienia zastosowania zasad wynalazku, należy rozumieć, że wynalazek może być wykonany inaczej bez oddalania się od tych zasad.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Czujnik ciśnienia zawierający płaską diairagmę poddawaną działaniu mierzonego ciśnienie, pierwszą i drugą parę miernik! odkształcenia umieszczonych odpowiednio na górniej powierzchni i dolnej powierzchni diafragmy, znamienny tym, że pierwsza para miernik! /14/ odkształcenia o nielinicwej charakterystyce odpowiedzi elektrycznej o danym przebiegu Jest zamocowana w położeniu promieniwym na górnej powierzchni /12/ płaskiej diafaagmy /10/ a druga para miernik! /18/ odkształcenia o nieliniowej charakterystyce odpowiedzi elektrycznej o takim samym przebiegu lecz o przeciwnych wartościach w por!naniu z pierwszą parą miernik! /14/ odkształcenie jest zamocowana w tym samym położeniu promienoowym na dolnej powierzchni /16/ płaskiej diafragmy /10/.
2. 2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwsza para miernik! /14/ odkształcenia Jest zamocowana w pobliżu środka górnej powierzchni /12/ diafragmy /10/ a druga para miernik! /18/ odkształcenia Jest zamocowana w tym samym położeniu promie ruawym w pobliżu środka dolnej powierzchni /16/ diafragmy /10/.
3. 3. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwsza para miernik! /14/ odkształcenia Jest zamocowana w pobliżu zewnętrznego obwodu górnej powierzchni /12/ diaframy /10/ a druga para mierników /18/ odkształcenia Jest zamocowana w tym samym położeniu priπieniowyπ] o pobliżu zewiętrznego obwodu dolnej powierzchni /16/ diafragmy.
4. 4. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwsza para marnik!

   /14/ odkształcenia i druga para miernik! /18/ odkształcenia są ustawione w linii względem siebie i rają równe powierzchnie.
5. 5. Czujnik według zastrz. 1, albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że mierniki /14, 18/ odkształcenia są wybrane z grupy składającej się z cieikowarslwwowych miernik! odkształcenia, miernik! odkształcenia z przyłączoną folią, miernik! półprzewodnikowych i mernik! grubowarstwowych.