Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к емкостным датчикам давления, может быть использовано для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред и направлено на увеличение точности измерения за счет уменьшения температурных погрешностей. Сущность изобретения: устройство включает преобразователь емкости, электронный преобразующий блок. Преобразователь включает мембрану 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4, диск 5, который крепится к опорному основанию с заданным зазором. 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 размещен общий электрод 9. На мембране 3 между круговыми и кольцеобразными электродами по радиусу мембраны размещены участки терморезистора 10, выполненного в виде кольцевого меандра. Все элементы преобразователя помещены в вакуумированный корпус 11. Электроды конденсаторов 7, 8, 9 и терморезистор соединены с блоком, которым включает мостовую измерительную схему: источник опорного напряжения, формирователи опорного и уравновешивающего зарядов, преобразователь заряда в напряжение, фиксирующий элемент, интегратор, усилитель, блок компараторов, управляемые делители. 5 ил.

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.

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.

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.

Недостатком известного устройства является большая температурная погрешность, обусловленная температурными деформациями, а также изменением модуля упругости диафрагмы от изменения температуры.

Изобретение направлено на увеличение точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности.

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.

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.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

При воздействии давления электрод 8 практически не перемещается относительно электрода 9, следовательно в силу равенства площадей электродов 7 и 8 емкость эталонного остается равной.

С_э=С_о, (2) где С_э - емкость эталонного конденсатора, состоящего из электродов 8 и 9.

Таким образом, от давления Рх емкость измерительного конденсатора увеличивается, а емкость эталонного не изменяется.

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.

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.

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

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.

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.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержащее емкостный преобразователь давления, включающий 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 против 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, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности в широком диапазоне температур, оно снабжено размещенным на мембране терморезистором, расположенным между круговым и кольцевым электродами, выполненными 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 измерительную 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5