RU2010197C1 - Датчик давления - Google Patents

Abstract

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.

Description

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 L_в втулки и толщина h_к консольного участка мембраны определены из соотношений:
L_в=

,
h_к≅

,
h_к≅

, где
A_θ=

·

-

;
B_θH=

;
B_θB=

·

;
d_o - толщина установочной прокладки;
α_n - ТКЛР материала установочной прокладки;
β - температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) материала мембраны;
μ_к - коэффициент Пуассона материала мембраны;
Δ t - диапазон рабочих температур;
r_вн - наружный радиус втулки;
r_вв - внутренний радиус втулки;
C_к=

;
R_к - радиус консольного участка мембраны;
r_ок - радиус опорного основания. Обоснование заявляемых соотношений приведем следующим образом. Емкость эталонного конденсатора при температуре t_o равна
C_o=

(1)
Емкость эталонного конденсатора при температуре t равна
C_ot=

(2)
Емкость измерительного конденсатора при температуре t_о равна
C_x=

(3)
Емкость измерительного конденсатора при температуре t равна
C_xt= ε_o

, (4) где r_о - радиус электрода измерительного конденсатора;
r₂, r₁ - наружный и внутренний радиусы электрода эталонного конденсатора;
Δ t = t - t_o
Тогда отношение емкостей эталонного и измерительного конденсаторов при температуре t_o 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 С_хр, С_хрt - емкость измерительного конденсатора при воздействии измерительного давления и температуры t.

Емкости измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления равны
C_xp= ε_o

, (9)
C_xpt=

, (10) где ω_o, ω_ot - прогибы жесткого центра под воздействием измеряемого давления при температурах t_o 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
ω_o= A_po

, (11)
ω_ot= A_pt

, (12) где
A_po=

·

, (13)
A_pt=

·

, (14)
R_o, R_t - радиус мембраны при температуры t_o, t соответственно;
h_o, h_t - толщина мембраны при температуре t_o, t соответственно;
E_o, E_t - модуль упругости материала мембраны при температуре t_o, t соответственно;
C =

,
R_жц - радиус жесткого центра;
μ_o, μ_t - коэффициент Пуассона материала мембраны при температуре t_o, 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
A_po = A_pt

, (15)

, (16) Приравнивая два последних выражения, получаем:

=

(17)
d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{o}}$ (1+α_nΔt+α_вd_o(α_в-α_y)Δt-A_poL_в(α_в-α_y)Δt

- A_po

d_o(1+α_nΔt) = d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{o}}$ (1+α_nΔt)+L_вd_o(α_в-α_y)Δt-d_o×
× A_po

(18)
α_в=

, (19)
α_в=

(20)
После преобразований получаем
α_в=

(21)
При выполнении прокладок из материала, аналогичного материалу мембраны, т. е. когда α_n= α_y и при βΔt≅1, можно пользоваться упрощенным соотношением:
α_в=

(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_rн= B_θН

, (23)
σ_rв= B_θВ

(24)
Здесь коэффициенты
B_θB=

·

, (25)
B_θB=

·

, (26) где Е_к - модуль упругости консольного участка;
h_к - толщина консольного участка;
R_к - радиус консольного участка;
ω _ок - прогиб консольного участка,
C_к=

r_ок - радиус опорного основания
Учитывая, что прогиб консольного участка равен
ω_ok= A

, (27) где A_θ=

-

-

, (28)
θ - усилие, действующее на консольный участок.

Можно записать напряжения в консольном участке в виде
σ_rн=

; σ_rB=

(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.

σ_в≅0,01σ_rн;
σ_в≅0,01˙σ_rв, напряжения во втулке равны
σ_в=

, (30) где r_вн - наружный радиус втулки;
r_вв - внутренний радиус втулки.

Подставляя значения напряжений в неравенство, получаем

0,01

, (31)

0,01

(32)
Отсюда после преобразований получим
h_к≅

, (33)
h_к≅

(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 d_o = 40 мкм, α _у = 13·10^{-6 о}С^-1, β = -300·10^{6 о}С^-1, α _в = 18·10^{-6 о}С^-1, Δ_t= 300^оС, L_в = 2650 мкм = 2,65 мм.

При r_вн = 5 мм, r_вв = 3,7 мм, R_к = 4,5 мм, r_ок = 3,5 мм, h_к ≅ 0,2 мм, h_к ≅ 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.

Claims (1)

1. 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 α_вне pавен темпеpатуpному коэффициенту линейного pасшиpения (ТКЛР) матеpиала мембpаны α_у , высота L_в втулки и толщина h_к консольного участка мембpаны опpеделены из соотношений
   L_в=

   

   ;
   h_к≅

   

   ;
   h_к≅

   

   ;
   где A_θ=

   

   ·

   

   -

   

   ;
   B_θн=

   

   ;
   B_θB=

   

   ·

   

   ;
   d₀ - толщина установочной прокладки;
   α_п - ТКЛР материала установочной прокладки;
   β - температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) материала мембраны;
   μ_к - коэффициент Пуассона материала мембраны;
   Δt - диапазон рабочих температур;
   r_в.н. - наружный радиус втулки;
   r_в.в. - внутренний радиус втулки;
   C_к = R_к / r_о.к,
   где R_к - радиус консольного участка мембраны;
   r_о.к - радиус опорного основания.

Images