RU172269U1

RU172269U1 - DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR

Info

Publication number: RU172269U1
Application number: RU2017103430U
Authority: RU
Inventors: Наталья Дмитриевна Шипуля; Степан Андреевич Конаков
Original assignee: Наталья Дмитриевна Шипуля
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2017-07-03

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления, и предназначена для измерения разности давления жидкости и газов с помощью упругодеформируемых элементов в качестве чувствительных элементов. Отличительной особенностью решения является то, что в конструкцию датчика дифференциального давления введен опорный источник дифференциального давления, изменена функция мембранного чувствительного элемента, который производит не измерение, а только сравнение неизвестного измеряемого дифференциального давления с известным дифференциальным давлением, создаваемым опорным источником. Технический результат - повышение точности измерения дифференциального давления, уменьшение влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения, увеличение межповерочного интервала. 1 ил.The utility model relates to measuring equipment, namely to pressure sensors, and is intended to measure the difference in pressure of a liquid and gases using elastically deformable elements as sensitive elements. A distinctive feature of the solution is that a differential pressure reference source is introduced into the design of the differential pressure sensor, the function of the membrane sensitive element is changed, which does not measure, but only compares the unknown measured differential pressure with the known differential pressure created by the reference source. The technical result is an increase in the accuracy of measuring differential pressure, reducing the effects of vibration, mechanical shocks and temperature fluctuations on the accuracy of the measurement, increasing the calibration interval. 1 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления, и предназначена для измерения разности давления жидкости и газов с помощью упругодеформируемых элементов в качестве чувствительных элементов.The proposed utility model relates to measuring technique, namely to pressure sensors, and is intended to measure the difference in pressure of a liquid and gases using elastically deformable elements as sensitive elements.

Известна конструкция датчика разности давлений, взятая за аналог (патент РФ №2325623, кл. G01L 13/02, публ. 27.05.2008 г.), в корпусе которого имеются две полости, заполненные электроизоляционной жидкостью, при этом полости загерметизированы воспринимающими давление профилированными мембранами, расположенными с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично закреплены полупроводниковый тензорезистивный чувствительный элемент и мембрана; в каждую полость введены по одному диску и пружины, которые прижимают диски к мембране с двух сторон, причем диск в одной из полостей имеет диаметр, больший, чем диаметр другой полости, а усилие пружины, прижимающей этот диск к мембране, больше, чем усилие пружины, прижимающей другой диск.A known design of the pressure differential sensor, taken as an analogue (RF patent No. 2325623, class G01L 13/02, publ. 05/27/2008), in the housing of which there are two cavities filled with an insulating liquid, while the cavities are sealed by pressure-sensitive profiled membranes located with a gap relative to the housing, and between the cavities in the housing are sealed semiconductor strain gauge sensitive element and membrane; one disk and springs are introduced into each cavity, which press the disks against the membrane from two sides, moreover, the disk in one of the cavities has a diameter larger than the diameter of the other cavity, and the spring force pressing this disk to the membrane is greater than the spring force pressing another disc.

Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:Signs of an analogue coincide with the following features of the proposed utility model:

- конструкция содержит мембрану, которая воспринимает давление,- the design contains a membrane that perceives pressure,

- конструкция содержит тензорезистивные элементы, которые вырабатывают электрический сигнал пропорционально измеряемому дифференциальному давлению.- the design contains strain gauge elements that generate an electrical signal in proportion to the measured differential pressure.

Недостатком указанной конструкции является наличие дополнительных мембран, пружин и тензорезистивного чувствительного элемента. Поскольку каждый отдельный элемент системы создает свою погрешность, общая ошибка датчика является суммой ошибок всех элементов, которые воспринимают давление. Все это приводит к недостаточной долговременной стабильности и также ухудшению точности.The disadvantage of this design is the presence of additional membranes, springs and a strain gauge sensor. Since each individual element of the system creates its own error, the total error of the sensor is the sum of the errors of all elements that perceive pressure. All this leads to insufficient long-term stability and also a deterioration in accuracy.

Известна конструкция датчика дифференциального давления, взятая за прототип (патент РФ №87521, кл. G01L 9/00, публ. 10.10.2009 г.), в которой первая мембрана, воспринимающая разность давлений первого и второго объема, соединена посредством толкателя со второй мембраной, на которой расположены измерительные тензорезисторы. Датчик отличается тем, что первая и вторая мембраны выполнены в виде дисковых мембран с жестким центром, а площадь первой мембраны больше площади второй мембраны.The known design of the differential pressure sensor, taken as a prototype (RF patent No. 87521, class G01L 9/00, publ. 10.10.2009), in which the first membrane, which receives the pressure difference of the first and second volume, is connected via a pusher to the second membrane on which measuring strain gages are located. The sensor is characterized in that the first and second membranes are made in the form of disk membranes with a rigid center, and the area of the first membrane is larger than the area of the second membrane.

Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:The features of the prototype coincide with the following features of the proposed utility model:

- конструкция содержит дисковую мембрану, которая воспринимает разность давлений первого и второго объема,- the design contains a disk membrane, which perceives the pressure difference of the first and second volume,

- конструкция содержит тензорезисторы, которые измеряют величину изгиба мембраны.- the design contains strain gauges that measure the amount of bending of the membrane.

Недостатком указанной конструкции является наличие погрешности измерений, которая обусловлена непостоянством во времени свойств измерительных тензорезисторов и мембран. Эти элементы конструкции изменяют свои параметры при колебаниях температуры окружающей среды, а также под действием механических факторов, таких как вибрации и удары. Все это понижает точность измерения давления и требует необходимости проводить периодическую поверку датчика давления.The disadvantage of this design is the presence of measurement error, which is due to the variability in time of the properties of the measuring strain gauges and membranes. These structural elements change their parameters during fluctuations in ambient temperature, as well as under the influence of mechanical factors such as vibration and shock. All this reduces the accuracy of pressure measurement and requires the need for periodic calibration of the pressure sensor.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении точности измерения дифференциального давления, уменьшении влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения, увеличении межповерочного интервала.The problem to which the proposed utility model is aimed is to increase the accuracy of measuring differential pressure, reduce the effects of vibration, mechanical shocks and temperature fluctuations on the measurement accuracy, and increase the calibration interval.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении точности измерения дифференциального давления, уменьшении влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения, увеличении межповерочного интервала.The technical result achieved in solving the problem lies in increasing the accuracy of measuring differential pressure, reducing the effects of vibration, mechanical shock and temperature fluctuations on the accuracy of measurement, increasing the calibration interval.

Технический результат достигается тем, что предлагаемая полезная модель имеет существенные отличительные признаки, отличающие ее от прототипа, которые заключаются в следующем:The technical result is achieved by the fact that the proposed utility model has significant distinguishing features that distinguish it from the prototype, which are as follows:

- введение в конструкцию датчика нового элемента - опорного источника дифференциального давления,- introduction to the design of the sensor of a new element - a reference source of differential pressure,

- изменение функции мембранного чувствительного элемента датчика давления, который производит не измерение, а только сравнение неизвестного измеряемого дифференциального давления с известным дифференциальным давлением, создаваемым опорным источником.- a change in the function of the membrane sensitive element of the pressure sensor, which does not measure, but only compares the unknown measured differential pressure with the known differential pressure generated by the reference source.

Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.These essential features are sufficient to achieve the claimed technical result.

Датчик давления (фиг. 1) состоит из пяти основных функциональных элементов. Опорный источник дифференциального давления (А) связан с коммутирующим устройством (Б). Коммутирующее устройство имеет два входа (1, 2) для измерения неизвестного внешнего дифференциального давления ΔР_изм. Коммутирующее устройство соединяется с мембранным чувствительным элементом (В). Связи между опорным источником дифференциального давления (А), коммутирующим устройством (Б) и чувствительным элементом (В) осуществляются посредством пар трубок или каналов, по которым передается давление рабочей среды, жидкости или газа. Блок управления (Г) связан электрическими линиями управления и связи (3) с чувствительным элементом (В), коммутирующим устройством (Б), опорным источником дифференциального давления (А) и устройством индикации (Д).The pressure sensor (Fig. 1) consists of five main functional elements. The differential pressure reference source (A) is connected to the switching device (B). The switching device has two inputs (1, 2) for measuring an unknown external differential pressure ΔP _meas . The switching device is connected to the membrane sensitive element (B). The connection between the reference differential pressure source (A), the switching device (B) and the sensing element (C) is carried out through pairs of tubes or channels through which the pressure of the working medium, liquid or gas is transmitted. The control unit (G) is connected by electric control and communication lines (3) with a sensitive element (B), a switching device (B), a reference differential pressure source (A) and an indication device (D).

Опорный источник дифференциального давления (А) состоит из микрофлюидного контура (4), по которому за счет работы микронасоса (5) циркулирует рабочая жидкость. Контур включает в себя пятикомпонентную микрофлюидную структуру, которая выполнена в виде системы из пяти микроканалов с постоянным высоким гидравлическим сопротивлением (6), которые соединены между собой посредством полостей с постоянным низким гидравлическим сопротивлением (7). Расположение микроканалов с постоянным высоким гидравлическим сопротивлением аналогично расположению электрических резисторов в измерительном мосте (мосте Уитстона). Все полости сформированы методами фотолитографии и травления в основании из монокристаллического кремния, которое соединяется с крышкой из стекла методом электротермодиффузионной сварки. Входы пятиканальной микрофлюидной структуры (8, 9) соединяются с микрофлюидным контуром циркуляции рабочей жидкости (4). Выходы пятиканальной микрофлюидной структуры (10, 11) является выходом из опорного источника дифференциального давления. Разность давления между входами (8) и (9) пятиканальной микрофлюидной структуры регистрируется датчиком дифференциального давления высокого диапазона (12).The differential pressure reference source (A) consists of a microfluidic circuit (4), through which the working fluid circulates due to the operation of the micropump (5). The circuit includes a five-component microfluidic structure, which is made in the form of a system of five microchannels with a constant high hydraulic resistance (6), which are interconnected by cavities with a constant low hydraulic resistance (7). The arrangement of microchannels with a constant high hydraulic resistance is similar to the arrangement of electrical resistors in a measuring bridge (Wheatstone bridge). All cavities are formed by photolithography and etching at the base of single-crystal silicon, which is connected to the glass cover by electrothermodiffusion welding. The inputs of the five-channel microfluidic structure (8, 9) are connected to the microfluidic circuit of the working fluid circulation (4). The outputs of the five-channel microfluidic structure (10, 11) is the output from the reference differential pressure source. The pressure difference between the inputs (8) and (9) of the five-channel microfluidic structure is detected by a high-range differential pressure sensor (12).

Мембранный чувствительный элемент (В) состоит из корпуса (13), в котором расположена упругая мембрана (14), разделяющая внутренний объем корпуса на две полости (15, 16). Через вводные каналы (17, 18) в полости передается давление рабочей среды, жидкости или газа. На мембране расположены тензорезисторы (19), которые преобразуют механическую деформацию упругой мембраны под действием разности давлений в выходной электрический сигнал.The membrane sensitive element (B) consists of a housing (13), in which an elastic membrane (14) is located, dividing the internal volume of the housing into two cavities (15, 16). Through the inlet channels (17, 18), the pressure of the working medium, liquid, or gas is transferred to the cavity. Strain gages (19) are located on the membrane, which transform the mechanical deformation of the elastic membrane under the influence of the pressure difference into an output electrical signal.

Устройство работает следующим образом: по управляющей команде блока управления (Г) включается микронасос (5) и начинается циркуляция рабочей жидкости по контуру (4). При этом между входами (8) и (9) пятикомпонентной микрофлюидной структуры создается разность давлений ΔР_вх, которая измеряется датчиком дифференциального давления высокого диапазона (12). Основным свойством пятикомпонентной микрофлюидной структуры является то, что при наличии между входами (8) и (9) разницы давлений ΔР_вх на выходах (10, 11) создается разница давления ΔР_вых, которое в k раз меньше ΔР_вх. Коэффициент k может принимать значения от 1 до 1000, но является постоянным для изготовленной пятикомпонентной микрофлюидной структуры и измеряется один раз на этапе производства.The device operates as follows: according to the control command of the control unit (G), the micropump is switched on (5) and the circulation of the working fluid along the circuit (4) begins. In this case, between the inputs (8) and (9) of the five-component microfluidic structure, a pressure difference ΔP _{in is created} , which is measured by a high-range differential pressure sensor (12). The main property of the five-component microfluidic structure is that if there is a pressure difference ΔP _in between the inputs (8) and (9) at the outputs (10, 11), a pressure difference ΔP _{out is created} , which is k times less than ΔP _in . The coefficient k can take values from 1 to 1000, but is constant for the fabricated five-component microfluidic structure and is measured once at the production stage.

Сгенерированное дифференциальное давление ΔР_вых является опорным ΔР_оп (ΔР_вых-ΔР_оп) и передается в коммутирующее устройство (Б) на первую пару входов (10, 11). Также во время работы на вторую пару входов (1) и (2) данного элемента подается неизвестное измеряемое дифференциальное давление ΔР_изм. В процессе работы коммутирующее устройство по команде блока управления (Г) попеременно передает через себя на пару входов (17, 18) чувствительного элемента (В) или неизвестное измеряемое дифференциальное давление ΔР_изм, или известное дифференциальное давление ΔР_оп от опорного источника дифференциального давления (А).The generated differential pressure? P? P _O is the reference _op _(O .DELTA.P -ΔR _op) and transmitted to the switching device (B) on the first pair of inputs (10, 11). Also during operation, an unknown measured differential pressure ΔP _meas . Is supplied to the second pair of inputs (1) and (2) of this element. During operation, the switching device, at the command of the control unit (G), alternately transmits through itself to a pair of inputs (17, 18) of the sensing element (B) either an unknown measured differential pressure ΔP _ISM or a known differential pressure ΔP _op from a reference source of differential pressure (A )

В чувствительном элементе происходит формирование выходного электрического сигнала α, который однозначно зависит от величины деформации мембраны (12) и, как следствие, от дифференциального давления, которое подается на вход чувствительного элемента. Электрический сигнал с чувствительного элемента подается в блок управления (Г). В блоке управления происходит запоминание значения α выходного сигнала от чувствительного элемента (В). Поскольку работа блока управления синхронизирована с работой коммутационного устройства, то происходит запоминание значений выходного сигнала чувствительного элемента в два момента времени: α(τ₁), когда на чувствительный элемент подается неизвестное измеряемое внешнее дифференциальное давление ΔР_изм, и α(τ₂), когда на чувствительный элемент подается известное дифференциальное давление ΔР_оп от опорного источника дифференциального давления. Сравнивая две величины α(τ₁) и α(τ₂), можно сделать однозначное заключение о том, какая из этих величин больше.The output electric signal α is formed in the sensitive element, which unambiguously depends on the deformation of the membrane (12) and, as a result, on the differential pressure that is supplied to the input of the sensitive element. An electrical signal from the sensing element is supplied to the control unit (G). In the control unit, the value α of the output signal from the sensing element (V) is stored. Since the operation of the control unit is synchronized with the operation of the switching device, the values of the output signal of the sensitive element are stored at two points in time: α (τ ₁ ), when an unknown measured external differential pressure ΔР _meas , and α (τ ₂ ), are applied to the sensitive element a known differential pressure ΔP _op from a reference differential pressure source is supplied to the sensor element. Comparing the two quantities α (τ ₁ ) and α (τ ₂ ), we can make an unambiguous conclusion about which of these values is greater.

На основе этого сравнения формируется управляющий сигнал для опорного источника дифференциального давления, который воздействует на микронасос (5), заставляя его увеличивать или уменьшать поток жидкости в контуре (4). При этом соответственно увеличивается или уменьшается дифференциальное давление ΔР_вх и ΔР_вых=ΔР_оп. Действуя таким образом, блок управления добивается того, чтобы выходные сигналы с чувствительного элемента для случая подачи на его вход неизвестного измеряемого давления ΔР_изм и для случая подачи на его вход известного дифференциального давления ΔР_оп от опорного источника будут равны друг другу. Это также будет означать равенство опорного ΔР_оп и измеряемого ΔР_изм дифференциального давления. В этот момент блок управления считывает показания ΔР_вх от датчика дифференциального давления высокого диапазона (12) и, зная k - коэффициент уменьшения давления в пятикомпонентной микрофлюидной структуре, рассчитывает значение опорного дифференциального давления ΔР_оп, равного ΔР_вых, как отношение ΔР_вх/k. Датчик дифференциального давления высокого диапазона (12) производит измерение давления с абсолютной погрешностью ±Р_вх'. Погрешность определения опорного дифференциального давления ΔР_оп и соответственно измеряемого дифференциального давления ΔР_изм будет определяться как ±Р_вх'/к. Т.е. абсолютная погрешность уменьшается в k раз. Рассчитанную величину измеряемого дифференциального давления ΔР_изм блок управления выводит на устройство индикации (Д).Based on this comparison, a control signal is generated for the differential pressure reference source, which acts on the micropump (5), causing it to increase or decrease the fluid flow in the circuit (4). In this case, the differential pressure ΔP _in and ΔP _out = ΔP _op . Acting in this way, the control unit ensures that the output signals from the sensing element for the case when an unknown measured pressure ΔР _{meas is} supplied to its input and for the case of applying the known differential pressure ΔР _op from its reference source to its input will be equal to each other. This will also mean the equality of the reference ΔP _op and the measured ΔP _Iz differential pressure. At this point, the control unit reads the readings ΔP _in from the high-range differential pressure sensor (12) and, knowing k is the pressure reduction coefficient in the five-component microfluidic structure, calculates the value of the reference differential pressure ΔP _op equal to ΔP _out , as the ratio ΔP _in / k. The high-range differential pressure sensor (12) measures the pressure with an absolute error of ± P _in '. The error in the determination of the reference differential pressure ΔP _op and, accordingly, the measured differential pressure ΔP _ISM will be determined as ± P _in / k. Those. absolute error decreases k times. The calculated value of the measured differential pressure ΔP _ISM displays the control unit to the display device (D).

Таким образом, предлагаемая конструкция датчика давления имеет повышенную точность за счет уменьшения в k раз абсолютной погрешности измерения. Уменьшение влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения достигается за счет того, что мембранный чувствительный элемент не измеряет, а только сравнивает две величины дифференциального давления. При этом время между сравнением неизвестного дифференциального давления и известного давления от опорного источника мало, так что изменения свойств мембраны и тензорезисторов чувствительного элемента пренебрежимо мало. Стабильность выходных параметров опорного источника дифференциального давления обеспечивается свойствами пятикомпонентной микрофлюидной структуры, которая изготовлена из монокристаллического кремния высокоточными методами микросистемной техники.Thus, the proposed design of the pressure sensor has increased accuracy by reducing the absolute measurement error by a factor of k. Reducing the effect of the effects of vibration, mechanical shocks and temperature fluctuations on the measurement accuracy is achieved due to the fact that the membrane sensitive element does not measure, but only compares two values of the differential pressure. Moreover, the time between comparing the unknown differential pressure and the known pressure from the reference source is small, so that the changes in the properties of the membrane and the strain gages of the sensing element are negligible. The stability of the output parameters of the reference differential pressure source is ensured by the properties of the five-component microfluidic structure, which is made of single-crystal silicon by high-precision methods of microsystem technology.

Claims

Differential pressure sensor, consisting of a membrane sensing element, a control unit, an indication device, characterized in that a reference differential pressure source is introduced into the design, which sets the differential pressure reference with high accuracy, and a switching device alternately transmitting the unknown measured differential pressure to the sensitive element and differential pressure from a reference source.