RU2263291C2

RU2263291C2 - Capacity pressure gauge

Info

Publication number: RU2263291C2
Application number: RU2003119790/28A
Authority: RU
Inventors: В.В. Алексеенко (RU); В.В. Алексеенко; к В.Г. Трить (RU); В.Г. Тритьяк
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Старт"
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-10-27

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: capacity pressure gauge comprises housing of the sensor provided with the central chamber separated into two spaces by the conducting diaphragm and two separating units with the separating diaphragms. Each of the spaces receives the insert with the central supplying passage and concave working surface provided with the electrode that faces the diaphragm. The spaces of the units and sensing member are filled with a dielectric fluid. Each electrode is divided into two electrodes made of two conducting isolated rings. Each ring is connected with the corresponding outer lead.

EFFECT: enhanced accuracy of measuring.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического давления и разности давлений.The invention relates to measuring technique and can be used to measure static pressure and pressure difference.

Известен емкостный датчик давления [1], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводящей мембраной на две полости, в каждой из которых выполнена изоляционная вставка с подводящим каналом по центру и вогнутой рабочей поверхностью, снабженной электродом, обращенным в сторону мембраны, и два разделительных узла с разделительными мембранами, причем полости узлов и чувствительного элемента заполнены диэлектрической жидкостью.Known capacitive pressure sensor [1], selected as a prototype, containing a housing of the sensing element having a central chamber divided by an electrically conductive membrane into two cavities, each of which has an insulating insert with a supply channel in the center and a concave working surface equipped with an electrode facing towards the membrane, and two separation nodes with separation membranes, the cavities of the nodes and the sensing element are filled with a dielectric fluid.

Недостатком такой конструкции является большая зависимость результатов измерения разности давления от неизвестной величины статического давления, что не позволяет достигать необходимой точности измерения разности давления.The disadvantage of this design is the large dependence of the results of measuring the pressure difference from an unknown value of static pressure, which does not allow to achieve the required accuracy of measuring the pressure difference.

Также известны емкостные датчики давления [2], [3], в которых снижение влияния статического давления на точность измерения разности давления достигается усложнением конструкции и применением конструкционных материалов с жесткими ограничениями по разбросу характеристик.Also known are capacitive pressure sensors [2], [3], in which the reduction of the influence of static pressure on the accuracy of measuring the pressure difference is achieved by complicating the design and using structural materials with severe restrictions on the dispersion of characteristics.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения разности давления, что достигается введением в датчик дополнительных электродов с последующим сравнением снимаемых с датчика выходных сигналов с расчетными характеристиками, получаемыми на основе предварительной калибровки датчика.The aim of the present invention is to improve the accuracy of measuring the pressure difference, which is achieved by introducing additional electrodes into the sensor, followed by comparing the output signals removed from the sensor with the calculated characteristics obtained on the basis of preliminary calibration of the sensor.

На чертеже показан разрез конструкции предлагаемого емкостного датчика.The drawing shows a sectional design of the proposed capacitive sensor.

Датчик содержит корпус чувствительного элемента 1, имеющий центральную камеру, разделенную круглой электропроводящей измерительной мембраной 5 на две полости А и В, в которых помещены изоляционные вставки 10 с подводящими по центру каналами и вогнутой рабочей поверхностью, обращенной к мембране 5, на рабочую поверхность каждой вставки нанесены проводящие электроды в виде колец 2 и 9, соединенных с внешними проводниками 11, и колец 3 и 8, соединенных с проводниками 6, выполненными в виде трубок, через которые осуществляется заполнение полостей А и В диэлектрической жидкостью с последующей герметизацией, два разделительных узла с круглыми гофрированными разделительными мембранами 4 и 7, отделяющие полости датчика А и В от внешней среды.The sensor comprises a sensor element housing 1 having a central chamber divided by a circular electrically conductive measuring membrane 5 into two cavities A and B, in which insulating inserts 10 with central supply channels and a concave working surface facing the membrane 5 are placed on the working surface of each insert conductive electrodes are applied in the form of rings 2 and 9 connected to external conductors 11, and rings 3 and 8 connected to conductors 6 made in the form of tubes through which cavities are filled and in the dielectric fluid, followed by sealing two separating assembly with corrugated round separation membranes 4 and 7, separating the cavity of the sensor A and B from the external environment.

Датчик работает следующим образом. Статическое давление Р и разность давлений ΔР одновременно воздействуют на защитные мембраны 4 и 7 и, в силу практической несжимаемости жидкости, заполняющей полости А и В, это воздействие передается на всю площадь поверхности этих полостей. Под воздействием сил, обусловленных давлением, изменяются геометрические размеры полостей А и В. Разность давления обычно значительно меньше статического давления, поэтому можно считать, что его воздействие сводится только к отклонению измерительной мембраны 5 от ее исходного положения.The sensor operates as follows. The static pressure P and the pressure difference ΔP simultaneously act on the protective membranes 4 and 7 and, due to the practical incompressibility of the fluid filling the cavities A and B, this effect is transmitted to the entire surface area of these cavities. Under the influence of forces caused by pressure, the geometric dimensions of the cavities A and B change. The pressure difference is usually much less than the static pressure, so we can assume that its effect is reduced only to the deviation of the measuring membrane 5 from its original position.

Величина отклонения измерительной мембраны 5 определяется по изменению емкостей конденсаторов С1, С2, С3, С4, образованных между измерительной мембраной 5 и проводящими кольцами 2, 3, 8, 9 соответственно.The deviation of the measuring membrane 5 is determined by the change in capacitance of capacitors C1, C2, C3, C4 formed between the measuring membrane 5 and the conductive rings 2, 3, 8, 9, respectively.

Конденсаторы С1 и С4, а также С2 и С3 образуют два дифференциальных чувствительных элемента, линеаризация выходного сигнала которых обычно осуществляется в виде:Capacitors C1 and C4, as well as C2 and C3 form two differential sensing elements, the linearization of the output signal of which is usually carried out in the form of:

где U1, U2 - выходные сигналы дифференциальных чувствительных элементов;

where U1, U2 are the output signals of differential sensing elements;

К1, К2 - коэффициенты пропорциональности.K1, K2 - proportionality coefficients.

Под воздействием сил, вызываемых статическим давлением, изменяются геометрические размеры полостей А и В и натяжение измерительной мембраны 5, что влияет на величины емкостей С1, С2, С3, С4 и соответственно на выходные сигналы U1 и U2.Under the influence of forces caused by static pressure, the geometric dimensions of the cavities A and B and the tension of the measuring membrane 5 change, which affects the values of the capacities C1, C2, C3, C4 and, accordingly, the output signals U1 and U2.

Следовательно, выходные сигналы U1 и U2, являясь линейными функциями разности давления Δр, также имеют зависимость от величины статического давления Р.Therefore, the output signals U1 and U2, being linear functions of the pressure difference Δp, also depend on the value of the static pressure P.

Если при измерении получены выходные сигналы U1₀ и U2₀, то в общем случае при неизвестном статическом давлении P_i имеем:If during measurements the output signals U1 ₀ and U2 ₀ were obtained, then in the general case with an unknown static pressure P _i we have:

U1₀=a_i·Δp1_i+b_i;U1 ₀ = a _i · Δp1 _i + b _i ;

U2₀=c_i·Δp2_i+d_i,U2 ₀ = c _i · Δp2 _i + d _i ,

где a_i, b_i, c_i, d_i - элементы двух линейных функций, соответствующих статическому давлению P_i;where a _i , b _i , c _i , d _i are the elements of two linear functions corresponding to the static pressure P _i ;

Δр1_i, Δр2_i - соответствующие значения разности давления, получаемые при решении.Δр1 _i , Δр2 _i are the corresponding values of the pressure difference obtained by the solution.

Откуда следует:From where it follows:

Если измерение проводится при статическом давлении Р_n, то должно выполняться условие:If the measurement is carried out at a static pressure P _n , then the condition must be met:

при i=n,

for i = n,

что и позволяет по вышеприведенному условию определить величину статического давления Р_n и уточненное значение разности давления Δр1_n в следующем виде:which allows the above condition to determine the value of the static pressure P _n and the specified value of the pressure difference Δp1 _n in the following form:

P_i=P_n P _i = P _n

Значения элементов линейных функций а_i, b_i, с_i, d_i можно получить для каждого датчика индивидуально в процессе калибровки.The values of the elements of linear functions a _i , b _i , c _i , d _i can be obtained individually for each sensor during the calibration process.

Процесс калибровки сводится к получению четырех калиброванных точек при следующих режимах работы датчика:The calibration process is reduced to obtaining four calibrated points in the following sensor operating modes:

где Δp_max - максимально допустимое значение разности давления.where Δp _max is the maximum allowable value of the pressure difference.

Промежуточные точки при Δр=0 и Δр=Δр_max, необходимые для нахождения промежуточных значений элементов линейных функций, соответствующих промежуточным значениям статического давления P_i, могут быть получены экспериментально или расчетным путем.The intermediate points at Δp = 0 and Δp = Δp _max necessary to find the intermediate values of the elements of linear functions corresponding to the intermediate values of the static pressure P _i can be obtained experimentally or by calculation.

Конструкция датчика-прототипа имеет только один дифференциальный чувствительный элемент, что не позволяет определить значение статического давления и, следовательно, нет возможности производить уточнение величины разности давления.The design of the prototype sensor has only one differential sensitive element, which does not allow to determine the value of static pressure and, therefore, it is not possible to refine the value of the pressure difference.

Следовательно, погрешность в определении разности давления датчиком-прототипом [1] всегда будет больше, чем у предлагаемой конструкции датчика.Therefore, the error in determining the pressure difference by the sensor prototype [1] will always be greater than that of the proposed sensor design.

Источники информацииSources of information

1. Патент США №3618390, кл. G 01 L 9/12, 1969.1. US patent No. 3618390, cl. G 01 L 9/12, 1969.

2. Патент SU №1421266 A3, кл. G 01 L 9/12, 1988.2. Patent SU No. 1421266 A3, cl. G 01 L 9/12, 1988.

3. Патент ФРГ №3213320, кл. G 01 L 9/12, 1983.3. The Federal Republic of Germany patent No. 3213320, class G 01 L 9/12, 1983.

Claims

A capacitive pressure sensor comprising a housing of a sensing element having a central chamber divided by an electrically conductive membrane into two cavities, each of which has an insulating insert with a supply channel in the center and a concave working surface provided with an electrode facing the membrane, and two separation nodes with separation membranes, and the cavities of the nodes and the sensing element are filled with a dielectric fluid, characterized in that each of the electrodes is divided into two electrodes, you olnennyh as two conductive, electrically interconnected rings, each ring is electrically connected to its respective outer terminal.