SU1631330A1 - Датчик перепада давлений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может найти применение в приборах дл  измерени  давлени , в особенности при необходимости измерени  небольших перепадов на фоне больших давлений. С целью повышени  точности измерени  давлени  в подмембранных камерах напротив разделительных мембран 2, 3 размещены дополнительные симметрирующие электроды 7 и 6, образующие с мембранами конденсаторы С и С4 Повышение точности динамических измерений достигаетс  за счет соединени  одного электрода 6 с источником посто нного напр жени  и входом дифференцирующего усилител ,другого элект рода 7 - с источником посто нного напр жени  и выходом дифференцирующего усилител . 2 ил. S (/

Description

Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике ь может найти широкое применение в датчиках давлени  в цел х улучшени  их метрологических характеристик и повышени  технологичности сборки.

Цель изобретени  - повышение точности измерений благодар  обеспечению прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

На фиг.1 приведен общий вид датчика; на фиг.2 - измерительна  цепь.

Датчик содержит рабочую мембрану 1, выполненную из стеклокерамики, разделительные мембраны 2 и 3, на которые воздействуют давлени  Р,, и Р2 внешней среды, корпус, состо щий из двух половин 4 и 5, выполненный также из стеклокерамики. На внешние

торцы обеих половин корпуса напылены электроды 6 и 7, образующие с разделительными мембранами 1 и 2 конденсаторы С и С ф. На рабочую мембрану 1 и внутренние торцы обеих половин корпуса также напылены электроды,образующие дифференциальный емкостный преобразователь с емкост ми С и С%. Внутренний объем датчика заполнен кремний-органической жидкостью (например , типа ПОСЖ, 2,8Ј0) таким образом, что разделительные мембраны 2 и 3 приобретают куполообразную форму (высота купола 20 - 100 мкм).

Датчик работает следующим образом .

При наличии перепада между давлени ми Р, и PJ,, т.е. Р,, Р2 + все три мембраны датчика 1 - 3 проо

СО

w со

гибаютс  вправо, и если в первом приближении считать жидкость, заполн ющую внутренние полости,несжимаемой , то прогиб центра определ етс  как

. s,

w, + w3 + w, -|f3

КШ S 1

w + v + w

(1)

35

де Sj - площадь рабочей мембраны 1;J5 W, - жесткость.рабочей мембраны 1; W-, W-j - жесткости разделительных

мембран 2 и 3; S,, БЗ площади разделительных 20

мембран;

W-, Wj - эквивалентные жесткости разделительных мембран 2 и 3.

При прогибе рабочей мембраны 1 25 змен ютс  емкости конденсаторов ( и С4 и на выходе электрической хемы по вл етс  сигнал, пропорциоальный измер емому давлению

Дл  того, чтобы сделать возможно -jo еньше погрешность чувствительности из-за нестабильных свойств разделительных мембран 2 и 3, необходимо жесткости разделительных мембран 2 и 3 сделать возможно меньшими по сравнению с жесткостью рабочей мембраны 1, поэтому разделительные мембраны 2 и 3 выполн ютс  из тонкой металлической фольги. При аварийном отключении одного из давлений, например ,Q Pj,, мембрана 2 в центральной части ложитс  на торец. Дл  того, чтобы защитить рабочую мембрану 1 от перегрузок , подмембранные объемы разделительных мембран 2 и 3 должны быть дс таковы, чтобы полный объемный прогиб разделительных мембран 2 и 3 (объем жидкости, вытесненный из-под мембраны , когда она ложитс  на торец) был меньше допустимого объемного прогиба рабочей мембраны 1. В то же врем  высота куполов подмембранных камер разделительных мембран 2 и 3 должна быть не меньше номинального прогиба, т.е. прогиба под действием давлени  Рц$м«

Наиболее существенной погрешностью датчика, измер ющего перепад давлений,  вл етс  погрешность нул .

50

55

0

35

5

0

5

jo ,Q дс Это определ етс  тем, что измер емый перепад давлений Риэм нередко не превышает 1% от основных давлений Pfl.

Основные составл ющие погрешности нул  определ ютс  двум  причинами. Перва  составл юща  вызвана тем, что жидкость не  вл етс  бесконечно жесткой , а разделительные мембраны 2 и 3 бесконечно податливыми. Эта погрешность определ етс  формулой

I t

V 2Р0WЈaj3 , А

3° РЙГ,7 W ЙолГз

50

55

HJM

. 4W

wr)§

.1

WpqJ3

(2)

где Wpa,,9 эквивалентна  жесткость разделительных мембран; W - жесткость жидкостного ,объема;

№$. разность жесткостей

разделительных мембран 2 и 3 и жидкостных объемов с правой и левой сторон от рабочей мембраны 1 ,

Втора  составл юща  вызвана изменением объема жидкости при изменении температуры AQ и определ етс  формулой

KV ( + VwJ),

где К  - температурный коэффициент объемного расширени  жидкости; V - объем жидкости с одной

стороны рабочей мембраны 1; UV - разность объемов жидкости с правой и левой сторон рабочей мембраны 1 , Как видно из приведенных формул (2) и (3), обе погрешности при прочих равных услови х будут тем меньше,чем симметричнее обе половины датчика и при полной симметрии будут равны нулю . Предлагаемые дополнительные электроды 6 и 7 предназначены дл  контрол  за высотой купола и за симметрией куполообразности и, следовательно , за симметрией жесткости разделительных мембран 2 и 3 и под- мембранных объемов в пррцессе наддува датчика жидкостью.

Наддув датчика производитс  через трубки (не показаны) после предварительного в эксгумировани  внутренних объемов датчика. При сборке датчика

купола произ- ,

контроль за высотой водитс  в процессе наддува по значению емкости С, или С, а контроль симметрии производитс  также непосредственно в процессе наддува по равенству емкостей С и С.

Наличие дополнительных электродов 6 и 7 и дополнительных конденсаторов С} и

С 4 позвол ет использовать их не только в процессе сборки, но и в рабочем режиме датчика дл  регулировки степени успокоени  подвижной части, т.е. дл  управлени  амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) датчика. Схема включени  конденсаторов показана на фиг.2. На оба дополнительных: электрода 6 и 7 через большие сопротивлени  Р и Р4 подаетс  от одного источника посто нное напр жение U0 . Оба конденсатора -С и С. наход тс  при этом в режиме заданного зар да. Электрод 6 конденсатора С- подключен ко входу дифференцирующего усилител , выполненного по одной из известных схем, выходное напр жение усилител  подаетс  на электрод 7 конденсатора С. При движении подвижной части на конденсаторе С по вл етс  переменное напр жение , равное

IIII -it А ТП г.-..

U Uo f Ua У Sm9t

где

начальный зазор, т.е. зазор между мембраной 2 и электродом 6;

Д m - амплитуда перемещени  мембраны 6;

Д Л mSmCt - перемещение мембраны. Это напр жение подаетс  на вход дифференцирующего усилител  УС1 и после усилени  подаетс  на электрод 7 конденсатора С.. Между электродом 7 и мембраной 3 действует электростатическа  сила

эс

6 5э -у,Лга

+ &KwUe -йЈ-

ЛЧ f

где S - площадь электрода 7;

К цс - коэффициент усилени  усилител  .

При условии (QKyu&m/tf) 1 можно пренебречь членом, содержащим cos2Qt и считать электростатическую силу, равной

зс

шг +

Д2Wo +

+ 2Uo -$-- Qfira ) с а

с-ж 5э гг Куе . г .

JZ (U0 + 2U0 - -f Д ),

где Д. QAmcosQt - скорость перемещени  подвижной части.

Уравнение движени  подвижной части (мембраны 1,2,3 и соедин юща  их жидкость) может быть представлено в виде

mu + Pu + Wfi Р(РИЗМ) +

+ (C3 - сС.

где Д. , Д, Д - перемещение, скорость и ускорение подвижной

части соответственно -т

m - масса подвижной части; Р - коэффициент успокое- ни ;

W - суммарна  жесткость

системы; Г(,) - сила, действующа 

на подвижную часть

под действием измер емого давлени ; f (C), f9Ј(C4) - электростатические

силы между электродами конденсаторов С j (электрод 6 - мембрана 2) и С (электрод 7 - мембрана 3). Подставив в уравнение значени  электростатических сил, получим

тЛ%- РЛ + Wu F(PM3M) +

. Ј S9 5 Зз 2 + Lo - -72- о

k S9 2 Ai

W u° Т л

тд..+ (р + Uo2K(H +

50

+ Wu F(PMM). . (4)

Из последнего уравнени  видно, что измен етс  коэффициент при Д и к первоначальной составл ющей Р до Јж S

бавл етс  составл юща  Р.

эс

х U0Ku,t, созданна  электрическим путем . При инвертировании выходного напр жени  дифференцирующего усилител , например, усилителем УС2,электростатическа  составл юща  измен ет знак и таким образом суммарный коэффициент Р,Ј может быть как больше,так и меньше Р. Значение регулируетс  коэффициентом усилени  Кц усилител  УС1. Возможность регулировки коэффициента успокоени  дл  датчиков , заполненных жидкостью чрезвычайно важна, так как значение коэффициента успокоени  Р существенно зависит от геометрии каналов и под- мембранных камер и от в зкости жидкости и технологически сложно обеспечить требуемые коэффициенты успокоени  без коррекции.

Пределы, в которых может быть осуществлена регулировка степени успокоени , т.е. Р-ЭО Рэс/(,), где т - масса подвижной части и 920- собственна  частота, могут быть определены из следующей формулы ft эс

х 6 Зз ,. 2. К ис

±-у,- Uo 2m ИГ 6СЛИ 3адЗТЬ размеры датчика. Так, при S 7 102- 10 м Р 30 1(, га - 1 -10-3кг, Г20 27-250 рад/с и б Зб0, получим

± 8х85 тт2 эе ±75 U°K(JC

Значение К ut ограничено, так как (9КцсЬ/о) 1, задава  максимально возможные значени  1 и Ј2 -Со, получим 1/Q0, т.е.|3эс ±5, Uo. Таким образом при U0 ЗОВ значение 3 можно измен ть на i 1 .

Между тем, очевидно, что предлагаема  электрическа  коррекци  проще гидродинамической.

Кроме того, в зкость жидкости сильно зависит от температуры, пред0

лагаема  же схема регулировки коэффициента успокоени  при использовании усилител  с температурозависи- мым коэффициентом усилени  или тем- пературнозависимого источника питани  UQ позвол ет осуществить температурную коррекцию АЧХ.

Таким образом, предлагаемый датчик позвол ет повысить точность измерени  как посто нного, так и переменного давлени  за счет обеспечени  прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно-частотной , характеристики.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик перепада давлений, содержащий корпус с мембраной раздел ю- д щей его на две измерительные полости , две металлические разделительные мембраны, образующие с корпусом две приемные полости и дифференциальной емкостной преобразователь пере- 25 мещени  мембраны в электрический

   сигнал, при этом в корпусе выполнены соединительные каналы, соедин ющие измерительные полости с приемными полост ми, которые заполнены ди- 3Q электрической жидкостью, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений за счет обеспечени  прецизионности сборки датчика и регулировки его амплитудно- частотной характеристики, в него введены источник посто нного напр жени  и дифференцирующий усилитель, а в корпусе в приемных полост х напротив разделительных мембран установлены

   35

   введенные в датчик гальванически изолированные дополнительные электроды, при этом дополнительные электроды соединены с источником посто нного напр жени  и один из них подключен

   к входу дифференцирующего усилител ,

   а второй - к его выходу.

   Фиг.1

   tl,

   f1.

   3 7

   Редактор И.Сегл ник

   Составитель О.Полев Техред л.Сердюкова

   Заказ 536

   Тираж 350

   0НИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   Корректор М.Максимишинец

   Подписное