Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред. Цель: уменьшение температурной погрешности за счет компенсации термических измерений геометрических размеров, элементов конструкции и изменения модуля упругости мембраны от температуры. Сущность изобретения: датчик давления содержит вакуумированный корпус, мембрану с жестким центром, выполненную за одно целое с цилиндрическим опорным основанием с образованием периферийного консольного участка, диск, установленный с зазором относительно мембраны с помощью прокладок, расположенных на периферии консольного участка, и емкостный преобразователь деформаций, выполненный в виде двух пар противолежащих электродов расположенных по центру и на недеформируемой части мембраны. В датчик введена дополнительная втулка, жестко закрепленная противолежащими торцами на опорном основании и консольном участке, причем температурный коэффициент линейного расширения материала втулки не равен температурному коэффициенту линейного расширения материала опорного основания и мембраны, а элементы конструкции выполнены в соответствии с приведенными соотношениями. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2010197
Класс(ы) патента: G01L9/12
Номер заявки: 4926604/10
Дата подачи заявки: 19.02.1991
Дата публикации: 30.03.1994
Заявитель(и): Научно-исследовательский институт физических измерений
Автор(ы): Белозубов Е.М.
Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт физических измерений
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред.
Известен датчик давления, содержащий вакуумированный корпус с цилиндрическим опорным основанием, мембрану с жестким центром, закрепленную на опорном основании с образованием консольного периферийного участка, толщиной, равной мембране, соединенный с корпусом при помощи штока диск, закрепленный на мембране при помощи прокладки, толщиной, равной зазору между диском и мембраной, и емкостный преобразователь деформации, выполненный в виде двух противолежащих электродов, расположенных по центру и на периферии мембраны и диска [1] .
Недостатком известной конструкции является большая температурная погрешность, связанная с воздействием термических деформаций штока и корпуса на величину межэлектродного зазора. Это связано с тем, что размеры штока и корпуса существенно на 2-3 порядка больше размера межэлектродного зазора. Поэтому даже при сравнительно небольшом изменении температуры термические деформации штока и корпуса существенно (на 2-3 порядка, в случае выполнения прокладки штока и корпуса из одного материала) превышают термические деформации прокладки. Разница термических деформаций штока, корпуса и прокладки приводит, к пропорциональному паразитному изменению межэлектродных зазоров емкостного преобразователя, а следовательно, и к появлению дополнительной температурной погрешности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, мембрану с жестким центром, выполненную за одно целое с опорным основанием с образованием периферийного консольного участка, диск, расположенный с зазором относительно мембраны, установочные прокладки, расположенные на периферии консольного участка, и емкостный преобразователь деформаций, выполненный в виде двух пар противолежащих электродов, расположенных по центру и на недеформируемой части мембраны и диска [2] .
Недостатком известной конструкции является большая температурная погрешность, вызванная неэквивалентными термическими изменениями геометрических размеров элементов конструкции и модуля упругости материала мембраны от температуры. Термические изменения геометрических размеров различных элементов конструкции приводят к различному характеру изменения емкостей измерительного конденсатора, электроды которого расположены в центре мембраны и диска и эталонного конденсатора, электроды которого расположены на недеформируемой части мембраны и диска. Так, при увеличении температуры вследствие термического расширения мембраны емкость конденсаторов возрастает, а вследствие расширения прокладок и уменьшения модуля упругости материала мембраны с повышением температуры емкость конденсаторов уменьшается. При этом выходной сигнал с датчика, который пропорционален отношению эталонной емкости и измерительной, будет зависеть от температуры, что и свидетельствует о наличии температурной погрешности.
Изобретение направлено на уменьшение температурной погрешности.
Согласно изобретению, в датчике давления, содержащем вакуумированный корпус, мембрану с жестким центром, выполненную за одно целое с цилиндрическим опорным основанием с образованием периферийного консольного участка, диск, установленный с зазором относительно мембраны с помощью установочных прокладок, расположенных на периферии консольного участка, и емкостный преобразователь деформаций, выполненный в виде двух пар противолежащих электродов, расположенных по центру и на недеформируемой части соответственно мембраны и диска, в него введена дополнительная втулка, жестко закрепленная противолежащими торцами на опорном основании и консольном участке соответственно, причем температурный коэффициент линейного расширения материала втулки α в не равен температурному коэффициенту линейного расширения материала мембраны α у, высота Lв втулки и толщина hк консольного участка мембраны определены из соотношений:
Lв= ,
hк ,
hк , где
AΘ= · - ;
BΘH= ;
BΘB= · ;
do - толщина установочной прокладки;
αn - ТКЛР материала установочной прокладки;
β - температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) материала мембраны;
μк - коэффициент Пуассона материала мембраны;
Δ t - диапазон рабочих температур;
rвн - наружный радиус втулки;
rвв - внутренний радиус втулки;
Cк= ;
Rк - радиус консольного участка мембраны;
rок - радиус опорного основания. Обоснование заявляемых соотношений приведем следующим образом. Емкость эталонного конденсатора при температуре to равна
Co= (1)
Емкость эталонного конденсатора при температуре t равна
Cot= (2)
Емкость измерительного конденсатора при температуре tо равна
Cx= (3)
Емкость измерительного конденсатора при температуре t равна
Cxt= εo , (4) где rо - радиус электрода измерительного конденсатора;
r2, r1 - наружный и внутренний радиусы электрода эталонного конденсатора;
Δ t = t - to
Тогда отношение емкостей эталонного и измерительного конденсаторов при температуре to равно
= (5)
А отношение емкостей эталонного и измерительного конденсаторов при температуре t равно
= , (6) т. е.
= (7) или отношение емкостей эталонного и измерительного конденсаторов без воздействия давления не зависит от температуры, что говорит о равенстве нуля аддитивной температурной погрешности.
Для обеспечения нулевого значения мультипликативной температурной погрешности необходимо
= , (8) где Схр, Схрt - емкость измерительного конденсатора при воздействии измерительного давления и температуры t.
Емкости измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления равны
Cxp= εo , (9)
Cxpt= , (10) где ωo, ωot - прогибы жесткого центра под воздействием измеряемого давления при температурах to и t, соответственно.
В соответствии с известной литературой (Пономарев С. Д. Расчет упругих элементов машин и приборов. М. : Машиностроение, 1980, с. 242) величина прогибов мембраны равна
ωo= Apo , (11)
ωot= Apt , (12) где
Apo= · , (13)
Apt= · , (14)
Ro, Rt - радиус мембраны при температуры to, t соответственно;
ho, ht - толщина мембраны при температуре to, t соответственно;
Eo, Et - модуль упругости материала мембраны при температуре to, t соответственно;
C = ,
Rжц - радиус жесткого центра;
μo, μt - коэффициент Пуассона материала мембраны при температуре to, t соответственно.
Так как величина С является отношением радиусов мембраны и жесткого центра, то термические расширения мембраны и жесткого центра в выражении для С взаимно компенсируются за счет их деления. Учитывая, что величина коэффициента Пуанссона в квадрате не менее, чем на порядок меньше 1, можно со сравнительно небольшой погрешностью пренебречь температурным изменением коэффициента Пуассона.
Или
Apo = Apt
, (15)
, (16) Приравнивая два последних выражения, получаем:
= (17)
d2o(1+αnΔt+αвdoвy)Δt-ApoLввy)Δt
- Apo do(1+αnΔt) = d2o(1+αnΔt)+Lвdoвy)Δt-do×
× Apo (18)
αв= , (19)
αв= (20)
После преобразований получаем
αв= (21)
При выполнении прокладок из материала, аналогичного материалу мембраны, т. е. когда αn= αy и при βΔt≅1, можно пользоваться упрощенным соотношением:
αв= (22)
Наибольшие напряжения на наружном и внутреннем контуре консольного участка в соответствии с известной литературой (Пономарев С. Д. , Андреева Л. Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М. : Машиностроение, 1980, с. 243)
σ= BΘН , (23)
σ= BΘВ (24)
Здесь коэффициенты
BΘB= · , (25)
BΘB= · , (26) где Ек - модуль упругости консольного участка;
hк - толщина консольного участка;
Rк - радиус консольного участка;
ω ок - прогиб консольного участка,
Cк=
rок - радиус опорного основания
Учитывая, что прогиб консольного участка равен
ωok= A , (27) где AΘ= - - , (28)
Θ - усилие, действующее на консольный участок.
Можно записать напряжения в консольном участке в виде
σ= ; σrB= (29)
Для устранения влияния деформаций втулки на величину деформации консольного участка необходимо, чтобы напряжения во втулке были не менее, чем на два порядка меньше напряжений в консольном участке, т. е.
σв≅0,01σ;
σв≅0,01˙σ, напряжения во втулке равны
σв= , (30) где rвн - наружный радиус втулки;
rвв - внутренний радиус втулки.
Подставляя значения напряжений в неравенство, получаем
0,01 , (31)
0,01 (32)
Отсюда после преобразований получим
hк, (33)
hк (34)
На чертеже показана конструкция датчика давления. Соотношения размеров зазора и других элементов конструкции для наглядности изменены. Диэлектрическая пленка между электродами и другими элементами конструкции не показана.
Датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4 с образованием периферийного консольного участка 5, диск 6, расположенный с зазором относительно мембраны, установочные прокладки 7, расположенные на периферии консольного участка. Емкостный преобразователь деформаций выполнен в виде двух пар противолежащих электродов 8, 9 и 10, 11, расположенных по центру и на недеформируемой части мембраны и диска соответственно. Дополнительная втулка 12 жестко закреплена противолежащими торцами на опорном основании и консольном участке соответственно. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) втулки не равен ТКЛР материала опорного основания и мембраны. Мембрана, опорное основание и консольный участок выполнены из сплава 70НХБМЮ, втулка - из сплава 12Х18Н10Т. Для удобства сборки втулка выполнена из двух полуколец. На мембрану и диск нанесен слой диэлектрика в виде композиции Al2O3-SiO2 общей толщиной 3 мкм. Электроды расположены на диэлектрике и выполнены из композиции ванадий-никель толщиной 1 мкм.
При do = 40 мкм, α у = 13·10-6 оС-1, β = -300·106 оС-1, α в = 18·10-6 оС-1, Δt= 300оС, Lв = 2650 мкм = 2,65 мм.
При rвн = 5 мм, rвв = 3,7 мм, Rк = 4,5 мм, rок = 3,5 мм, hк ≅ 0,2 мм, hк ≅ 0,22 мм.
Датчик давления работает следующим образом. При воздействии измеряемого давления центр 3 мембраны 2 перемещается в сторону диска 6. В результате этого емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость эталонного конденсатора вследствие размещения его электрода на недеформируемой части мембраны не зависит от измеряемого давления. Поэтому, взяв отношение емкости эталонного конденсатора к емкости измерительного конденсатора, получим сигнал, зависящий от давления. При измерении рабочей температуры происходит термическое изменение размеров: радиусов жесткого центра 3, мембраны 2, толщин мембраны и прокладок, высоты втулки 12, а также модуля упругости материала мембраны 2. Вследствие неравенства ТКЛР втулки 12 ТКЛР материала мембраны консольный участок 5, жестко связанный с втулкой, поднимается или опускается относительно поверхности мембраны. В результате этого диск 6, а следовательно, и электроды, размещенные на нем, перемещаются относительно электродов измерительного и эталонного конденсаторов, расположенных на мембране, что приводит к изменению их емкостей. Вследствие выполнения элементов конструкции в соответствии с заявляемым соотношением высота втулки изменится ровно на столько, сколько необходимо для обеспечения независимости отношения емкостей эталонного и измерительного конденсаторов от температуры.
Таким образом, преимуществом заявляемой конструкции является уменьшение аддитивной температурной погрешности и мультипликативной температурной погрешности за счет компенсации термических изменений размеров элементов конструкции и изменения модуля упругости материала мембраны от температуры. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1622788, кл. G 01 L 9/12, 1989.
2. Авторское свидетельство СССР N 1702196, кл. G 01 L 9/12, 1989.
Формула изобретения: ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ , содеpжащий вакуумиpованный коpпус, в котоpом pазмещены мембpана с жестким центpом, выполненная за одно целое с цилиндpическим опоpным основанием с обpазованием пеpифеpийного консольного участка, диск, установленный с зазоpом относительно мембpаны с помощью установочных пpокладок, pасположенных на пеpифеpии консольного участка, и емкостный пpеобpазователь дефоpмаций, выполненный в виде двух паp пpотиволежащих электpодов, pасположенных по центpу и на недефоpмиpуемой части соответственно мембpаны и диска, отличающийся тем, что, с целью уменьшения темпеpатуpной погpешности, в него введена втулка, жестко закpепленная пpотиволежащими тоpцами между консольным участком мембpаны и выполненным в опоpном основании тоpцевым участком, пpичем темпеpтуpный коэффициент линейного pасшиpения матеpиала втулки αвне pавен темпеpатуpному коэффициенту линейного pасшиpения (ТКЛР) матеpиала мембpаны αу , высота Lв втулки и толщина hк консольного участка мембpаны опpеделены из соотношений
Lв= ;
hк;
hк;
где AΘ= · - ;
BΘн= ;
BΘB= · ;
d0 - толщина установочной прокладки;
αп - ТКЛР материала установочной прокладки;
β - температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) материала мембраны;
μк - коэффициент Пуассона материала мембраны;
Δt - диапазон рабочих температур;
rв.н. - наружный радиус втулки;
rв.в. - внутренний радиус втулки;
Cк = Rк / rо.к,
где Rк - радиус консольного участка мембраны;
rо.к - радиус опорного основания.