RU2014581C1

RU2014581C1 - Pressure-measuring device

Info

Publication number: RU2014581C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Зиновьев; Н.Г. Жегалин; А.И. Русских
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1990-05-15
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: device comprises capacity converter 1 and electronic converting unit. Converter comprises membrane 3 made integral with supporting base 4, disc 5 attached to supporting base with a preset clearance. Membrane 3 is provided in the center with circular electrode 7 of instrument capacitor while on the planar side of supporting base it has ring-shaped electrode of reference capacitor. Disc 5 carries common electrode 9 at the side of membrane 3. Portions of temperature-sensitive resistor 10 in the form of circular meander are disposed on membrane 3 between circular and ring-shaped electrodes along membrane radius. All elements of the converter are housed in vacuumized casing 11. Capacitor electrodes 7,8,9 and temperature-sensitive resistor are connected with electronic converting unit which comprises a measuring bridge circuit, reference voltage source, shapers of reference and balancing charges, charge-to-voltage converter, fixing element, amplifier, comparator unit, and controllable dividers. EFFECT: improved design. 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред. The invention relates to measuring technique, in particular to capacitive pressure sensors, and can be used to measure static and dynamic pressures of liquid and gaseous media.

Известно устройство для измерения давления, включающее емкостный датчик давления и измерительную схему с регистратором, при этом датчик давления содержит вакуумированный корпус, упругую мембрану с жестким центром, в котором выполнено сквозное отверстие, где установлена втулка, выполненная из материала с коэффициентом линейного расширения, большим по сравнению с коэффициентом линейного расширения материала мембраны, при этом один торец втулки жестко скреплен с торцевой частью жесткого центра, а ее свободный торец расположен заподлицо с поверхностью мембраны и на нем установлен через изолирующую прокладку круглый электрод термокомпенсационного конденсатора, а электроды измерительного и эталонного конденсаторов выполнены в форме колец и установлены по краю жесткого центра и на периферии мембраны соответственно. A known device for measuring pressure, including a capacitive pressure sensor and a measuring circuit with a recorder, the pressure sensor contains a vacuum housing, an elastic membrane with a rigid center, in which a through hole is made, where a sleeve made of a material with a linear expansion coefficient large compared with the coefficient of linear expansion of the membrane material, while one end of the sleeve is rigidly fastened to the end part of the rigid center, and its free end is flush with the membrane surface and on it, a round electrode of the thermocompensation capacitor is installed through the insulating gasket, and the electrodes of the measuring and reference capacitors are made in the form of rings and are installed along the edge of the rigid center and on the periphery of the membrane, respectively.

Известен емкостный преобразователь давления, включающий емкостный преобразователь, состоящий из переменного и эталонного конденсаторов, причем эталонный включает компенсирующий переменный и больший по размерам постоянный конденсаторы. Эталонный конденсатор управляет одной схемой генерации частоты, а переменный конденсатор, чувствительный к давлению, управляет другой соответствующей схемой генерации частоты. При изменении емкости основного конденсатора отношения фаз значительно меняется и схема детектирования выходной фазы, соединенная с двумя данными схемами генерации частоты, будет регистрировать результирующий сдвиг фазы и вырабатывать выходное напряжение, зависящее от этого сдвига фазы. Known capacitive pressure transducer, comprising a capacitive transducer consisting of variable and reference capacitors, and the reference includes compensating variable and larger constant capacitors. A reference capacitor controls one frequency generating circuit, and a pressure sensitive variable capacitor controls another corresponding frequency generating circuit. When the capacitance of the main capacitor changes, the phase ratio changes significantly and the output phase detection circuit connected to two of these frequency generation circuits will record the resulting phase shift and generate an output voltage that depends on this phase shift.

Недостатком известного устройства является большая температурная погрешность, обусловленная температурными деформациями, а также изменением модуля упругости диафрагмы от изменения температуры. A disadvantage of the known device is the large temperature error due to temperature deformations, as well as a change in the elastic modulus of the diaphragm from temperature changes.

Изобретение направлено на увеличение точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности. The invention is aimed at increasing the measurement accuracy by reducing the temperature error.

Устройство включающее вакуумированный корпус с токовыводами, в котором установлены выполненная за одно целое с опорным основанием мембрана с центральным круговым электродом измерительного конденсатора и кольцевым электродом опорного конденсатора, расположенным на планарной стороне основания, и расположенный с зазором напротив мембраны диск с общим электродом, перекрывающим круговой и кольцевой электроды, при этом кольцевой электрод опорного конденсатора подключен через формирователь опорного заряда к источнику опорного напряжения, круговой электрод измерительного конденсатора подключен к формирователю уравновешивающего заряда, а общий электрод подключен через последовательно соединенные преобразователь заряда в напряжение и фиксирующий элемент к интегратору, выход которого является выходом устройства, дополнительно снабжено размещенным на мембране терморезистором, расположенным между круговым и кольцевым электродами, выполненным в виде кольцевого меандра, участки которого расположены вдоль радиусов мембраны, мостовой измерительной схемой, усилителем, блоком компараторов и двумя управляемыми делителями, при этом терморезистор включен в мостовую схему, диагональ питания которой подключена к источнику опорного напряжения, а выходная диагональ через усилитель подсоединена к блоку компараторов, выходы которого подключены к первым входам делителей, причем второй вход первого делителя подсоединен к источнику опорного напряжения, второй вход второго делителя подключен к выходу интегратора, а выходы делителей соединены с входом формирователя уравновешивающего заряда. Размещение участков терморезисторов на мембране между круговым и кольцеобразным электродами по радиусам мембраны позволяет воспроизводить среднеинтегральную температуру на мембране, причем практически не воспринимать деформацию от давления, т.к. половина каждого участка терморезистора работает на сжатие, а половина - на растяжение от радиальных деформаций, в результате чего повышается точность коррекции. Включение терморезистора в плечо симметричной мостовой схемы, дополненной резисторами, которые расположены в электронном блоке, позволяет получить термозависимый с достаточной девиацией корректирующий сигнал, пригодный для управления пороговым элементом, в результате чего повышается точность коррекции. Разделение корректирующего сигнала в ту или иную преобразующую цепь за счет порогового устройства, позволяет обеспечить линейную зависимость корректирующего сигнала на каждом участке температурной характеристики, а в результате чего повышается точность коррекции в широком температурном диапазоне. Формирование корректирующего сигнала в зависимости от его величины на каждом участке с различными коэффициентами преобразования за счет блоков компараторов и управляющих делителей позволяет обеспечить практически линейную зависимость корректирующего сигнала на каждом участке всего температурного диапазона, в результате чего повышается точность коррекции в широком температурном диапазоне. A device including a vacuum housing with current outputs, in which a membrane with a central circular electrode of the measuring capacitor and an annular electrode of the reference capacitor located on the planar side of the base, and a disk with a common electrode overlapping the circular and ring electrodes, while the ring electrode of the reference capacitor is connected through the driver of the reference charge to the source of the reference voltage I, the circular electrode of the measuring capacitor is connected to the balancer of charge, and the common electrode is connected through a series-connected charge to voltage converter and the fixing element to the integrator, the output of which is the output of the device, is additionally equipped with a thermistor located on the membrane located between the circular and ring electrodes made in the form of a circular meander, sections of which are located along the radii of the membrane, a bridge measuring circuit, an amplifier, with a locator of comparators and two controlled dividers, while the thermistor is included in the bridge circuit, the power diagonal of which is connected to the reference voltage source, and the output diagonal is connected through an amplifier to the comparator unit, the outputs of which are connected to the first inputs of the dividers, and the second input of the first divider is connected to the source reference voltage, the second input of the second divider is connected to the output of the integrator, and the outputs of the dividers are connected to the input of the balancer of charge. Placing the sections of thermistors on the membrane between the circular and ring-shaped electrodes along the radii of the membrane allows reproducing the average integral temperature on the membrane, and practically does not perceive deformation from pressure, because half of each section of the thermistor works in compression, and half in tension from radial deformations, resulting in increased correction accuracy. The inclusion of a thermistor in the arm of a symmetrical bridge circuit, supplemented by resistors located in the electronic unit, allows a correction signal suitable for controlling a threshold element, which is thermally dependent with sufficient deviation, to be obtained, as a result of which the correction accuracy is increased. Separation of the correction signal into one or another converting circuit due to the threshold device makes it possible to provide a linear dependence of the correction signal at each section of the temperature characteristic, and as a result, the correction accuracy in a wide temperature range is increased. The formation of the correction signal depending on its value in each section with different conversion coefficients due to the blocks of comparators and control dividers makes it possible to provide an almost linear dependence of the correction signal on each section of the entire temperature range, as a result of which the correction accuracy increases over a wide temperature range.

На фиг. 1 и 2 показана конструкция устройства для измерения давления и топология на поверхности мембраны; на фиг. 3 - упрощенная структурная схема; на фиг. 4 - график изменения температурной зависимости с выхода мостовой схемы и преобразования его по участкам температурного диапазона; на фиг. 5 - эпюра деформаций мембраны. In FIG. 1 and 2 show the design of a device for measuring pressure and the topology on the surface of the membrane; in FIG. 3 is a simplified block diagram; in FIG. 4 is a graph of changes in temperature dependence from the output of the bridge circuit and its conversion over parts of the temperature range; in FIG. 5 is a diagram of membrane deformations.

Устройство включает преобразователь емкости (ПЕ) 1, электронный преобразующий блок (ЭПБ) 2. ПЕ 1 включает мембрану 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4, диск 5, который крепится к опорному основанию с заданным зазором, величина которого устанавливается за счет кольца 6. На мембране 3 выполнен в центре электрод 7 измерительного конденсатора в форме круга и на планарной стороне опорного основания 4 - электрод 8 опорного конденсатора в форме кольца. На диске 5 со стороны мембраны 3 размещена металлизированная пленка, выполняющая роль общего электрода 9. Кроме того, на мембране 3 между круговым и кольцеобразным электродами по радиусу мембраны размещены участки терморезистора 10, выполненного в виде кольцевого меандра. Все элементы ПЕ 1 помещены в вакуумированный корпус 11, из которого с помощью выводов 12 электроды 7, 8, 9 конденсаторов и терморезистор 10 соединены с ЭПБ 2. ЭПБ 2 включает основную цепь преобразования емкости в напряжение - это источник опорного напряжения ИОН 13, питающий формирователи опорного и уравновешивающего зарядов (ФОЗ) 14 и (ФУЗ) 15, подключенные к электродам 7 и 8, и электрод 9, подключенный к входу преобразователя заряда в напряжение (ПЗН) 16, с выхода которого сигнал поступает на фиксирующий элемент (ФЭ) 17, и далее на интегратор (И) 18, выходной сигнал U_выхкоторого функционально связан с давлением Р_х. Кроме того, ЭПБ 2 включает корректирующую цепь преобразования изменения сопротивления в напряжение терморезистора 10, дополненного до моста резисторами 19, усилитель (У) 20, формирующий сигнал U_t, выход которого соединен с блоком компараторов (БК) 21, а выходы компаратора соединены с управляемыми делителями (УД1) 22 и (УД2) 23.The device includes a capacitance converter (PE) 1, an electronic converting unit (EPB) 2. PE 1 includes a membrane 3 made in one piece with the support base 4, the disk 5, which is attached to the support base with a given gap, the value of which is set by the ring 6. On the membrane 3, the electrode 7 of the measuring capacitor in the form of a circle is made in the center and on the planar side of the support base 4 is the ring-shaped electrode 8 of the reference capacitor. On the disk 5 from the side of the membrane 3 there is a metallized film acting as a common electrode 9. In addition, on the membrane 3 between the circular and ring-shaped electrodes along the radius of the membrane there are sections of the thermistor 10 made in the form of an annular meander. All elements of PE 1 are placed in a vacuum housing 11, from which, using leads 12, the electrodes 7, 8, 9 of the capacitors and the thermistor 10 are connected to the EPB 2. EPB 2 includes the main circuit for converting capacitance to voltage - this is the reference voltage source ION 13, which supplies the shapers reference and balancing charges (ФОЗ) 14 and (ФУЗ) 15, connected to the electrodes 7 and 8, and electrode 9, connected to the input of the charge-to-voltage converter (ПЗН) 16, from the output of which the signal is supplied to the fixing element (ФЭ) 17, and on to the integrator (I) 18, output with Igna U _O which is operatively associated with the pressure P _x. In addition, EPB 2 includes a correction circuit for converting the resistance to voltage of the thermistor 10, supplemented with resistors 19 to the bridge, an amplifier (U) 20, which generates a signal U _t , the output of which is connected to the comparator unit (BC) 21, and the comparator outputs are connected to controlled dividers (UD1) 22 and (UD2) 23.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подаче измерительного давления Р_х на мембрану 3 происходит ее прогиб, а следовательно перемещение измерительного электрода 7 относительно электрода 9, расположенного на диске 5, в результате чего изменяется (увеличивается) емкость измерительного конденсатора на величину С_х, и становится равной
С_u=C_o+C_x, (1)
где C_u - емкость измерительного конденсатора, состоящего из электродов 7 и 9;
C_o - емкость измерительного конденсатора на самом низком уровне измеряемого давления;
С_х - величина приращения емкости измерительного конденсатора от перемещения мембраны на величину Х.When the measuring pressure P _{x is} applied to the membrane 3, it deflects, and therefore the measuring electrode 7 moves relative to the electrode 9 located on the disk 5, as a result of which the capacitance of the measuring capacitor changes (increases) by the value of C _x , and becomes equal to
With _u = C _o + C _x, (1)
where C _u is the capacitance of the measuring capacitor, consisting of electrodes 7 and 9;
C _o is the capacitance of the measuring capacitor at the lowest level of the measured pressure;
C _x - the value of the increment of the capacitance of the measuring capacitor from the movement of the membrane by the value X

При воздействии давления электрод 8 практически не перемещается относительно электрода 9, следовательно в силу равенства площадей электродов 7 и 8 емкость эталонного остается равной. When exposed to pressure, the electrode 8 practically does not move relative to the electrode 9, therefore, due to the equality of the areas of the electrodes 7 and 8, the capacity of the reference remains equal.

С_э=С_о, (2)
где С_э - емкость эталонного конденсатора, состоящего из электродов 8 и 9.C _e = C _o , (2)
where C _e is the capacitance of a reference capacitor consisting of electrodes 8 and 9.

Таким образом, от давления Рх емкость измерительного конденсатора увеличивается, а емкость эталонного не изменяется. Thus, from the pressure Px, the capacitance of the measuring capacitor increases, but the capacity of the reference does not change.

ФОЭ 14 формирует заряд на конденсаторах путем их попеременного подключения к ИОН 13. С общей точки конденсаторов ПЕ 1 сигнал поступает на ПЗН 16, где формируется напряжение, пропорциональное разности зарядов эталонного и измерительного конденсаторов. Затем сигнал поступает на ФЭ 17, где происходит запоминание и сравнение информации с последующим переключением на прямой и инверсный входы И 18, где суммируются дискретные значения напряжений в результирующее выходное напряжение, которое функционально зависит от Р_х. Таким образом, в ПЕ 1 выходной сигнал изменяется пропорционально величине отношение емкостей

, а следовательно функционально зависит от давления Р_х следующим образом

(P_х) =

, (3)
выходной сигнал в общем виде выражается в виде
U_вых=

K_д1-

, (4)
где U_o - выходное напряжение ИОН 13,
К_д1, К_д2 - коэффициенты преобразования УД1 и УД2, соответственно.FOE 14 generates a charge on the capacitors by alternately connecting them to ION 13. From the common point of the capacitors ПЕ 1, the signal is supplied to ПЗН 16, where a voltage is generated proportional to the difference in the charges of the reference and measuring capacitors. Then the signal goes to the FE 17, where the information is stored and compared, followed by switching to the direct and inverse inputs AND 18, where the discrete voltage values are summed up to the resulting output voltage, which functionally depends on P _x . Thus, in PE 1, the output signal changes in proportion to the value of the ratio of capacities

, and therefore functionally dependent on pressure P _x as follows

(P _x ) =

, (3)
the output signal in general is expressed as
U _out =

K _d1 -

, (4)
where U _o - the output voltage of the ion 13,
To _d1 , To _d2 - conversion coefficients UD1 and UD2, respectively.

Изменение температуры на датчике вызывает неравномерные температурные деформации на мембране 3 и изменение ее упругих свойств. Следовательно, выходной сигнал U_вых зависит не только от изменения Р_х, но и от температуры t_x. При изменении температуры на ПЕ 1, установленном на объекте измерения, меняется сопротивление терморезистора 10 при сохранении сопротивлений резисторов 19, расположенных в ЭПБ 2, установленного в более термостабильных условиях. Следовательно, с выходной диагонали мостовой схемы при постоянном напряжении ИОН 13, подключенного к выходной диагонали схемы, изменяется пропорционально изменению сопротивления терморезистора 10.A change in temperature at the sensor causes uneven temperature deformations on the membrane 3 and a change in its elastic properties. Therefore, the output signal U _o depends not only on the change in P _x , but also on the temperature t _x . When the temperature changes on PE 1 installed on the measurement object, the resistance of the thermistor 10 changes while maintaining the resistances of the resistors 19 located in the EPB 2 installed in more thermostable conditions. Therefore, from the output diagonal of the bridge circuit at a constant voltage of ION 13 connected to the output diagonal of the circuit, it changes in proportion to the change in resistance of the thermistor 10.

U_t= U

, (5) где U_t - термозависимый сигнал, снимаемый с мостовой схемы;
U_п - напряжение питания моста;
R_t, Δ R_t - сопротивление и изменение величины сопротивления терморезистора соответственно.U _t = U

, (5) where U _t is the thermally dependent signal taken from the bridge circuit;
U _p - supply voltage of the bridge;
R _t , Δ R _t - resistance and change in the resistance value of the thermistor, respectively.

Однако характер изменения U_t от температуры носит нелинейный характер, поэтому для широкого температурного диапазона эксплуатации предложено разорвать на участки и формировать корректирующий сигнал в различных преобразующих блоках в зависимости от величины падения напряжения на терморезисторе. Характер изменения выходного сигнала U_tмостовой схемы от температуры показан на фиг. 4а. Терморезистор 10 состоит из участков, размещенных вдоль радиусов мембраны 3 между круговым 7 и кольцеобразным 8 электродами, что позволяет воспринимать практически среднеинтегральную температуру на электродах и не взаимно компенсировать деформационные изменения от давления, т. к. одна половина каждого участка терморезистора 10 воспринимает сжимающие, а другая половина - растягивающие радиальные деформации (см. фиг. 5), где Е_rрадиальные деформации от давления. Кроме того, терморезистор 10 при таком расположении выполняет роль заградительного электрода между круговым 7 и кольцеобразным 8 электродами. Температурная зависимость основной цепи преобразования датчика U_вых носит, как правило, нелинейный характер (см. фиг. 4(б)). Таким образом, для эффективной коррекции основной цепи U_вых термозависимым сигналом дополнительной цепи осуществляется разбиение выходных сигналов на участки температуры t₁-t₂, t₂-t₃ и т.д. Для управления корректирующим сигналом предусмотрен БК 21, где происходит формирование сигнала в зависимости от величины температуры с последующим подключением к УД1, 22 и УД2 23. В УД1 22 информация с ИОН 13 преобразуется с соответствующим коэффициентом КД1 (см. формулу (4) и фиг. 4в) в зависимости от интервала температуры и поступает на ФУЗ 15, за счет чего осуществляется коррекции нулевого уровня основного преобразующего сигнала к температурным изменениям. В УД2 23 информация с выхода И 18 преобразуется с соответствующим коэффициентом КД2 см. формулу (4) в зависимости от участка температуры и поступает на ФУЗ (15), в результате чего осуществляется коррекция чувствительности основного преобразующего сигнала к температурным изменениям.However, the nature of the change in U _t from temperature is non-linear, therefore, for a wide temperature range of operation, it is proposed to break it into sections and form a correction signal in various converting blocks depending on the magnitude of the voltage drop across the thermistor. The nature of the change in the output signal U _{t of the} bridge circuit from temperature is shown in FIG. 4a. The thermistor 10 consists of sections located along the radii of the membrane 3 between the circular 7 and ring-shaped 8 electrodes, which makes it possible to perceive almost the average integral temperature on the electrodes and not mutually compensate for deformation changes from pressure, since one half of each section of the thermistor 10 perceives compressive, and the other half is tensile radial deformation (see Fig. 5), where E _{r is the} radial strain from pressure. In addition, the thermistor 10 with this arrangement performs the role of a barrier electrode between the circular 7 and the ring-shaped 8 electrodes. The temperature dependence of the main conversion circuit of the sensor U _o is usually non-linear (see Fig. 4 (b)). Thus, for effective correction of the main circuit U _{o by the} thermally dependent signal of the additional circuit, the output signals are divided into temperature sections t ₁ -t ₂ , t ₂ -t ₃ , etc. To control the correction signal, BC 21 is provided where the signal is formed depending on the temperature value and then connected to UD1, 22 and UD2 23. In UD1 22, information from ION 13 is converted with the corresponding coefficient KD1 (see formula (4) and FIG. 4c) depending on the temperature interval, it enters the FUZ 15, due to which the zero level of the main converting signal is corrected to temperature changes. In UD2 23, the information from the output of And 18 is converted with the corresponding coefficient of KD2, see formula (4) depending on the temperature section and is fed to the FUS (15), as a result of which the sensitivity of the main converting signal to temperature changes is corrected.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных ранее повышенной точностью измерения за счет практически полностью исключенной погрешности от температуры, как начального выходного сигнала, так и чувствительности в диапазоне от (-200) до (+200)^оС.The proposed device compares favorably with the previously known increased measurement accuracy due to the almost completely excluded error from temperature, both the initial output signal and sensitivity in the range from (-200) to (+200) ^о С.

Claims

DEVICE FOR PRESSURE MEASUREMENT, comprising a capacitive pressure transducer, including a vacuum housing with current leads, in which a membrane is installed integrally with the support base with a central circular electrode of the measuring capacitor and an annular electrode of the supporting capacitor located on the planar side of the base and located with a gap against membranes a disk with a common electrode overlapping the circular and ring electrodes, while the ring electrode of the reference capacitor is connected through the driver of the reference charge to the source of the reference voltage, the circular electrode of the measuring capacitor is connected to the driver of the balancing charge, and the common electrode is connected through a series-connected converter of charge into voltage and a fixing element to the integrator, the output of which is the output of the device, characterized in that, for the purpose improving measurement accuracy by reducing the temperature error in a wide temperature range, it is equipped with a thermoresistor placed on the membrane rum located between the circular and ring electrodes, made in the form of a ring meander, sections of which are located along the radii of the membrane, a bridge measuring circuit, an amplifier, a comparator unit and two controlled dividers, while the thermistor is included in the bridge measuring circuit, the power diagonal of which is connected to the source reference voltage, and the output diagonal through the amplifier is connected to the unit of comparators, the outputs of which are connected to the first inputs of the dividers, the second input of the first Ithel connected to a source of reference voltage, a second input of the second divider connected to the output of the integrator, and the outputs of dividers are connected to the input of the charge equilibration.