RU2423679C1

RU2423679C1 - Pressure measuring transducer

Info

Publication number: RU2423679C1
Application number: RU2010115873/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Георгиевич Минаев (RU); Игорь Георгиевич Минаев; Валерий Михайлович Шарапов (UA); Валерий Михайлович Шарапов; Владимир Валерьевич Самойленко (RU); Владимир Валерьевич Самойленко
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-07-10

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: pressure measuring transducer has a detecting element in form of a flat circular membrane rigidly fastened along its perimeter and a capacitive displacement sensor formed by movable flat electrodes, placed inside a cover. The movable flat electrodes are mounted on posts perpendicular to the surface of the flat circular membrane at a distance of 0.5-0.6 of the radius of the membrane at diametrically opposite points, relative the centre of the flat circular membrane. The pressure measuring transducer also has a fixed flat electrode between the flat movable electrodes. The fixed flat electrode of the capacitive displacement sensor is attached through an insulating bushing at the centre of the bottom of the cover which covers the capacitive displacement sensor. The inside of the cover is filled dielectric liquid, and the plane of the movable flat electrodes of the capacitive displacement sensor are placed at an angle to the plane of the flat circular membrane and accordingly to the plane of the fixed flat electrode, placed at right angles to the plane of the flat circular membrane. The angle must not exceed the maximum inclination angle of the posts during deformation of the membrane, and each of the movable flat electrodes is rigidly attached by a holder to the corresponding post which is placed relative its movable flat electrodes in a diametrically opposite direction relative the centre of the circular flat membrane. ^ EFFECT: high measurement accuracy, avoiding mechanical oscillation of the movable flat electrodes of the capacitive displacement sensor, and low error of measuring slowly varying pressure. ^ 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.The invention relates to instrumentation and can be used to measure pressure.

Уровень техникиState of the art

Известны преобразователи давления, содержащие корпус с мембраной и расположенным в нем чувствительным пьезоэлементом (Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под ред. Е.П.Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.).Known pressure transducers containing a housing with a membrane and a sensitive piezoelectric element located therein (Design of sensors for measuring mechanical quantities / Ed. By E.P. Osadchy. - M.: Mechanical Engineering, 1979. - 480 p.).

Недостатком датчика является большая погрешность измерений при измерении медленно изменяющихся давлений.The disadvantage of the sensor is a large measurement error when measuring slowly changing pressures.

Известны измерительные преобразователи давления, использующие в качестве промежуточного чувствительного элемента плоские мембраны, которые под действием измеряемого давления подвергаются деформации. Эта деформация преобразуется в электрический сигнал либо с помощью тензорезисторов, наклеиваемых на поверхности мембраны, либо с помощью датчиков перемещения центра мембраны, среди которых обычно применяют индуктивные или конденсаторные датчики (Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006, 588 с.).Known pressure transmitters using as an intermediate sensitive element flat membranes, which under the influence of the measured pressure are subjected to deformation. This deformation is converted into an electrical signal either with the help of strain gauges glued to the membrane surface or with the help of displacement sensors of the center of the membrane, among which are usually used inductive or capacitor sensors (J. Friden. Modern sensors. Handbook. M .: Technosphere, 2006, 588 from.).

Недостатком указанных преобразователей является низкая чувствительность, т.к. в пределах упругой деформации этой мембраны перемещение центра лежит в пределах ее толщины, не превышающий обычно 1 мм.The disadvantage of these converters is the low sensitivity, because within the elastic deformation of this membrane, the displacement of the center lies within its thickness, usually not exceeding 1 mm.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является преобразователь давления, содержащий чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и в качестве датчика перемещения конденсатор переменной емкости. При этом конденсатор переменой емкости образован двумя плоскими электродами, жестко закрепленными на поверхности мембраны в диаметрально противоположных точках на расстоянии 0,5-0,6 радиуса от ее центра, а плоскости электродов перпендикулярны к плоскости мембраны. Кроме того, в известном преобразователе предусмотрена установка дополнительного неподвижного электрода, закрепленного в центре мембраны на изоляторе и установленного между подвижными электродами (А.с. №669237. Бюл. №23, опубликовано 25.06.79).The closest in technical essence and the achieved positive effect and adopted by the authors for the prototype is a pressure transducer containing a sensing element in the form of a flat circular membrane rigidly clamped around the perimeter and as a displacement transducer a variable capacitor. In this case, a capacitor with a variable capacitance is formed by two flat electrodes rigidly fixed to the membrane surface at diametrically opposite points at a distance of 0.5-0.6 radius from its center, and the plane of the electrodes are perpendicular to the plane of the membrane. In addition, the known converter provides for the installation of an additional stationary electrode fixed in the center of the membrane on the insulator and installed between the movable electrodes (A.S. No. 669237. Bull. No. 23, published on June 25, 79).

Недостатком указанного преобразователя давления является обратно пропорциональная зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления, т.к. с увеличением давления расстояние между подвижными пластинами конденсаторного датчика перемещения возрастает и его емкость уменьшается. Кроме того, подвижные электроды конденсаторного датчика перемещения, закрепленные на мембране, являются механической колебательной системой и под действием пульсаций измеряемого давления могут совершать колебания, искажающие результаты измерений. Так же в известном устройстве предусматривается крепление дополнительного неподвижного электрода конденсаторного датчика перемещения с помощью изолятора в центре мембраны, что влияет на ее свойства как упругого элемента и технически трудно осуществимо.The disadvantage of this pressure transducer is the inversely proportional dependence of the capacitance of the capacitor displacement sensor on the value of the measured pressure, because with increasing pressure, the distance between the movable plates of the capacitor displacement sensor increases and its capacity decreases. In addition, the movable electrodes of the capacitor displacement sensor, mounted on the membrane, are a mechanical oscillatory system and under the influence of pulsations of the measured pressure can oscillate, distorting the measurement results. Also in the known device provides for mounting an additional fixed electrode of a capacitor displacement sensor using an insulator in the center of the membrane, which affects its properties as an elastic element and is technically difficult.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого измерительного преобразователя давления, сводится к устранению обратно пропорциональной зависимости емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления; искажений результатов измерений, вызванных механическими колебаниями электродов конденсаторного датчика перемещения; влияния на упругие свойства плоской круглой мембраны крепления неподвижного электрода в ее центре.The technical result that can be achieved using the proposed pressure transducer is to eliminate the inversely proportional dependence of the capacitance of the capacitor displacement sensor on the value of the measured pressure; distortion of the measurement results caused by mechanical vibrations of the electrodes of the capacitor displacement sensor; effects on the elastic properties of a flat round membrane of the fixed electrode attachment in its center.

Технический результат достигается с помощью измерительного преобразователя давления, содержащего помещенные в кожух чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и конденсаторный датчик перемещения, образованный подвижными плоскими электродами, закрепленными на стойках и установленными перпендикулярно на поверхности плоской круглой мембраны на расстоянии 0,5-0,6 от ее радиуса в диаметрально противоположных точках относительно центра плоской круглой мембраны, и неподвижным плоским электродом, расположенным между подвижными плоскими электродами, при этом неподвижный плоский электрод конденсаторного датчика перемещения закреплен через изоляционную втулку в центре дна кожуха, закрывающего конденсаторный датчик перемещения, при этом полость кожуха заполнена диэлектрической жидкостью. Плоскости подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода, установленного под прямым углом к плоскости плоской круглой мембраны, при этом угол не должен превышать максимальный угол наклона стоек при ее деформации, и каждый из подвижных плоских электродов жестко с помощью держателей закреплен на соответствующей стойке, установленной относительно своего подвижного плоского электрода в диаметрально противоположном направлении относительно центра круглой плоской мембраны.The technical result is achieved using a pressure transducer containing a sensing element placed in a casing in the form of a flat circular membrane rigidly clamped around the perimeter and a capacitor displacement sensor formed by movable flat electrodes mounted on racks and mounted perpendicular to the surface of the flat circular membrane at a distance of 0.5 -0.6 from its radius at diametrically opposite points relative to the center of a flat circular membrane, and a stationary flat electrode Disposed between the movable flat electrodes, with a fixed capacitor plate electrode displacement transducer is attached through a grommet in the bottom center of the housing, the cover displacement sensor capacitor, the casing cavity filled with the dielectric fluid. The planes of the moving flat electrodes of the capacitor displacement sensor are installed at an angle to the plane of the flat circular membrane and, accordingly, to the plane of the stationary flat electrode installed at right angles to the plane of the flat round membrane, while the angle must not exceed the maximum angle of inclination of the racks when it is deformed, and each of movable flat electrodes rigidly using holders mounted on an appropriate rack mounted relative to its movable flat electrode in diametrical opposite direction relative to the center of round flat membrane.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 показано сечение измерительного преобразователя давления, в ненагруженном состоянии, т.е. при давлении P=0.Figure 1 shows a cross section of a pressure transducer in an unloaded state, i.e. at pressure P = 0.

На фиг.2 показано сечение измерительного преобразователя давления, в нагруженном состоянии, т.е. при максимальном значении P.Figure 2 shows a cross section of a pressure transducer in a loaded state, i.e. at maximum P.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Измерительный преобразователь давления, состоящий из плоской круглой мембраны 1, жестко защемленной по периметру или выполненной за одно целое с корпусом (на фиг.1 и 2 не обозначен). На стойках 2, закрепленных перпендикулярно к плоскости плоской круглой мембраны 1 и расположенных в диаметрально противоположных точках плоской круглой мембраны 1 на расстоянии 0,5-0,6 радиуса от ее центра, жестко закреплены с помощью держателей 3 подвижные плоские электроды 4. Плоская круглая мембрана 1 закрыта кожухом 5, в центре дна которого вмонтирован через изоляционную втулку 6 неподвижный плоский электрод 7. Полость кожуха 5 заполнена диэлектрической жидкостью 8.Measuring pressure transducer, consisting of a flat round membrane 1, rigidly clamped around the perimeter or made in one piece with the body (not shown in figures 1 and 2). On the posts 2, fixed perpendicular to the plane of the flat circular membrane 1 and located at diametrically opposite points of the flat circular membrane 1 at a distance of 0.5-0.6 radius from its center, movable flat electrodes 4 are rigidly fixed with holders 3. Flat circular membrane 1 is closed by a casing 5, in the center of the bottom of which a fixed flat electrode 7 is mounted through the insulating sleeve 6. The cavity of the casing 5 is filled with dielectric fluid 8.

При этом количество диэлектрической жидкости 8 должно обеспечить полное погружение в нее подвижных плоских электродов 4 и неподвижного плоского электрода 7.The amount of dielectric fluid 8 should ensure complete immersion in it of the moving flat electrodes 4 and the stationary flat electrode 7.

Измерительный преобразователь давления с заполненной диэлектрической жидкостью 8 полостью кожуха 5 следует устанавливать на технологическом оборудовании (на фиг.1 и 2 не показано) вертикально и кожухом 5 вниз. При этом подвижные плоские электроды 4 и неподвижный плоский электрод 7 в равной степени погружаются в диэлектрическую жидкость 8.The pressure measuring transducer with the dielectric fluid 8 filled by the cavity of the casing 5 should be installed vertically with the casing 5 down on the processing equipment (not shown in FIGS. 1 and 2). In this case, the movable flat electrodes 4 and the stationary flat electrode 7 are equally immersed in the dielectric fluid 8.

Подвижные плоские электроды 4 и неподвижный плоский электрод 7 образуют конденсаторный датчик перемещения. Плоскости подвижных плоских электродов 4 конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны 1 и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода 7.The movable flat electrodes 4 and the stationary flat electrode 7 form a capacitor displacement sensor. The planes of the movable flat electrodes 4 of the capacitor displacement sensor are installed at an angle to the plane of the flat circular membrane 1 and, accordingly, to the plane of the stationary flat electrode 7.

Измерительный преобразователь давления работает следующим образом.Measuring pressure transducer operates as follows.

Под воздействием измеряемого давления P плоская круглая мембрана 1 прогибается, стойки 2 поворачиваются на угол, соответствующий данному прогибу плоской круглой мембраны 1, и перемещают с помощью держателей 3 жестко закрепленные на них подвижные плоские электроды 4, изменяя тем самым емкость конденсаторного датчика перемещения.Under the influence of the measured pressure P, the flat round membrane 1 bends, the posts 2 are rotated by an angle corresponding to this deflection of the flat round membrane 1, and movable flat electrodes 4 are rigidly fixed on them with holders 3, thereby changing the capacitance of the capacitor displacement sensor.

При увеличении давления P угол наклона стоек 2 относительно воображаемой оси плоской круглой мембраны 1 возрастает, что сопровождается соответствующим перемещением жестко закрепленных на них с помощью держателей 3 подвижных плоских электродов 4 в сторону их сближения с неподвижным плоским электродом 7 и уменьшением первоначально установленного угла φ (см. фиг.1) между плоскостями подвижных плоских электродов 4 и неподвижным плоским электродом 7. При достижении максимального значения давления P плоскости подвижных плоских электродов 4 устанавливаются между собой параллельно (см. фиг.2), а стойки 2 расходятся на угол φ относительно воображаемой оси плоской круглой мембраны 1.With increasing pressure P, the angle of inclination of the racks 2 relative to the imaginary axis of the flat circular membrane 1 increases, which is accompanied by a corresponding movement of the movable flat electrodes 4 rigidly fixed to them using the holders 3 in the direction of their convergence with the stationary flat electrode 7 and a decrease in the initially set angle φ (cm Fig. 1) between the planes of the movable flat electrodes 4 and the stationary flat electrode 7. Upon reaching the maximum pressure value P of the plane of the movable flat electrodes 4 are twisted together in parallel (see figure 2), and the racks 2 diverge at an angle φ relative to the imaginary axis of the flat circular membrane 1.

Следовательно, с увеличением давления расстояние между плоскостями подвижных плоских электродов 4 и неподвижного плоского электрода 7 уменьшается, что сопровождается возрастанием электрической емкости конденсаторного датчика перемещения.Therefore, with increasing pressure, the distance between the planes of the movable flat electrodes 4 and the stationary flat electrode 7 decreases, which is accompanied by an increase in the electric capacitance of the capacitor displacement sensor.

Предлагаемое расположение подвижных плоских электродов 4 делает пропорциональной зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления.The proposed location of the movable flat electrodes 4 makes proportional the dependence of the capacitance of the capacitor displacement sensor on the value of the measured pressure.

Заполнение полости кожуха 5 диэлектрической жидкостью 8 позволяет снизить механические колебания подвижных плоских электродов 4, и, выбрав диэлектрическую жидкость 8 с необходимой вязкостью, можно полностью устранить эти колебания, искажающие результаты измерений. К примеру, можно использовать в качестве такой диэлектрической жидкости 8 трансформаторное масло.Filling the cavity of the casing 5 with dielectric fluid 8 allows to reduce the mechanical vibrations of the movable flat electrodes 4, and by choosing a dielectric fluid 8 with the necessary viscosity, these vibrations that distort the measurement results can be completely eliminated. For example, transformer oil can be used as such a dielectric fluid 8.

Диэлектрическая жидкость 8 не только вносит демпфирование возможных колебаний подвижных плоских электродов 4, но дополнительно увеличивает емкость конденсаторного датчика перемещения, т.к. ее диэлектрическая проницаемость в любом случае выше, по меньшей мере в 2 раза, диэлектрической проницаемости воздуха, вытесненного этой жидкостью из полости конденсаторного датчика перемещения. Это дополнительно улучшает метрологические характеристики измерительного преобразователя давления, т.к. с ростом емкости конденсаторного датчика перемещения относительно паразитной емкости входной цепи измерительного прибора (на фиг.1 и 2 не показан) повышается точность измерений.The dielectric fluid 8 not only introduces damping of possible oscillations of the movable flat electrodes 4, but additionally increases the capacitance of the capacitor displacement sensor, since its dielectric constant in any case is at least 2 times higher than the dielectric constant of air displaced by this liquid from the cavity of the capacitor displacement sensor. This further improves the metrological characteristics of the pressure transmitter, since with increasing capacitance of the capacitor displacement sensor relative to the parasitic capacitance of the input circuit of the measuring device (not shown in Figs. 1 and 2), the measurement accuracy increases.

Крепление дополнительного неподвижного плоского электрода 7 конденсаторного датчика перемещения с помощью изоляционной втулки 6 в центре дна кожуха 5 упрощает сборку измерительного преобразователя давления и сохраняет свойства плоской круглой мембраны 1 как упругого элемента.The fastening of the additional fixed flat electrode 7 of the capacitor displacement sensor using an insulating sleeve 6 in the center of the bottom of the casing 5 simplifies the assembly of the pressure transducer and preserves the properties of a flat round membrane 1 as an elastic element.

Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения избыточного давления различных сред.The proposed device can be used to measure the overpressure of various media.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:The invention in comparison with the prototype and other known technical solutions has the following advantages:

- пропорциональная зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления;- the proportional dependence of the capacitance of the capacitor displacement sensor on the value of the measured pressure;

- отсутствие механических колебаний подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения;- lack of mechanical vibrations of the moving flat electrodes of the capacitor displacement sensor;

- низкая погрешность при измерении медленно изменяющихся давлений.- low error in the measurement of slowly changing pressures.

Claims

A pressure measuring transducer comprising a sensitive element placed in a casing in the form of a flat circular membrane rigidly clamped around the perimeter and a capacitor displacement sensor formed by movable flat electrodes mounted on racks and mounted perpendicular to the surface of the flat circular membrane at a distance of 0.5-0.6 from its radius at diametrically opposite points relative to the center of a flat circular membrane, and a stationary flat electrode located between the movable flat electrodes by rods, characterized in that the stationary flat electrode of the capacitor displacement sensor is fixed through an insulating sleeve in the center of the bottom of the casing covering the capacitor displacement sensor, while the cavity of the casing is filled with dielectric fluid, and the planes of the movable flat electrodes of the capacitor displacement sensor are installed at an angle to the plane of the flat circular membrane and, respectively, to the plane of the stationary flat electrode mounted at right angles to the plane of the flat circular membrane, when that the angle should not exceed the maximum tilt angle struts during its deformation, and each of the movable plate electrodes via holders fixedly secured on respective rack mounted movable relative to its flat electrode in a diametrically opposite direction relative to the center of round flat membrane.