SU1753313A1 - Pressure transducer - Google Patents

Description

Фиг 1Fig 1

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давлени , и может быть использовано дл  измерени  статического и динамического давлени  в жидких и газо- образных средах.The invention relates to a measurement technique, in particular to capacitive pressure sensors, and can be used to measure static and dynamic pressure in liquid and gaseous media.

Известен датчик разности давлений, содержащий манометрические элементы, выполненные за одно целое с платой в виде двух идентичных стоек пр моугольного се- чени , обращенных широкими продольными гран ми друг к другу, в каждой из которых выполнены по четыре глухих ци- ли-ндрических канала, расположенных вдоль широких продольных граней симмет- рично поперечной оси стоек, причем два средних канала каждой стойки смещены в сторону одной широкой продольной грани, а два крайних - в сторону противоположной грани, при этом средние и крайние каналы в обоих стойках соответственно соединены между собой и подсоединены к каналам дл  подвода давлени .A pressure differential sensor is known that contains gauge elements made in one piece with the board in the form of two identical rectangular sections, facing wide longitudinal edges to each other, each of which has four deaf cylindrical channels, located along the wide longitudinal faces of the symmetrically transverse axis of the uprights, the two middle channels of each rack being shifted towards one wide longitudinal face, and the two outermost ones towards the opposite face, while the middle and outermost respectively in both racks are interconnected and connected to the channels for supplying pressure.

Недостатком датчика  вл етс  низка  точность измерени  при измерении быстро- мен ющихс  давлений, так как система под- вод щих каналов и полостей с переменными сечени ми снижает частотные характеристики датчика. Кроме того, сложна  система манометрических элемен- тов снижает точность измерени  и усложн ет технологию изготовлени The disadvantage of the sensor is low measurement accuracy when measuring fast-varying pressures, since the system of supply channels and cavities with variable cross sections reduces the frequency characteristics of the sensor. In addition, the complex system of gauge elements reduces the measurement accuracy and complicates the manufacturing technology.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  датчик давлени , содержащий корпус, упругую мембрану с утолщенным периферийным участком и центральными и периферийными электродами измерительного и эталонного конденсаторов, герморазъем в виде диска с токопроводами и расположенный с зазором относительно мембраны тонкостенный колпачок с вогнутым дном, где рас- положены неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов .The closest to the technical essence of the invention is a pressure sensor comprising a housing, an elastic membrane with a thickened peripheral section and central and peripheral electrodes of the measuring and reference capacitors, a thermal connector in the form of a disk with conductors and a thin-walled cap with a concave bottom located with a gap relative to the membrane, where stationary electrodes of the measuring and reference capacitors are located.

Недостатком известной конструкции  вл етс  низка  точность при измерении избыточного давлени  в услови х измерени  атмосферного давлени , так как нет св зи атмосферы с упругими элементами.A disadvantage of the known construction is the low accuracy in measuring the overpressure under the conditions of measuring atmospheric pressure, since there is no connection between the atmosphere and elastic elements.

Цель изобретени  - увеличение точности за счет коррекции от изменений атмосферного давлени .The purpose of the invention is to increase accuracy by correcting for changes in atmospheric pressure.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчик давлени , содержащий корпус, уп- ругую мембрану с утолщенным периферий- ным участком и изолированными центральным и периферийным электродами измерительного и опорного конденсаторов , расположенный с зазором относительно мембраны колпачок с зеркально-симметричными изолированными неподвижными электродами измерительного и эталонного конденсаторов на внешней поверхности его дна со стороны мембраны и установленный внутри колпачка герморазьем в форме диска с токо подвода ми, введены штуцер и два кольца, одно из которых размещено на внешней, а другое - на внутренней част х утолщенного периферийного участка мембраны , колпачок своим дном установлен и закреплен на кольцах, с внутренней стороны дна колпачка выполнена проточка, образующа  тонкостенный кольцевой участок и жесткий центр, диаметр которого равен рабочему диаметру мембраны, а на тон костенном кольцевом участке размещен введенный кольцеобразный подвижный электрод дополнительного измерительного конденсатора, введений зеркально-симметричный неподвижный электрод которого размещен на утолщенном периферийном участке мембраны, причем жесткость тонкостенного кольцевого участка равна жесткости мембраны, а в диске смонтирован штуцер, сообщенный с атмосферой.The goal is achieved by the fact that the pressure sensor, comprising a housing, an elastic membrane with a thickened peripheral section and isolated central and peripheral electrodes of the measuring and reference capacitors, is located with a gap relative to the membrane, a cap with mirror-like isolated and fixed stationary electrodes of the measuring and reference capacitors on the outer surface of its bottom on the membrane side and inserted inside the cap of the pressure-sealed enclosure in the form of a disk with current leads; p and two rings, one of which is placed on the outside, and the other on the inside of the thickened peripheral section of the membrane, a cap with its bottom installed and fixed on the rings, a groove forming a thin-walled ring section and a hard center, diameter on the inside of the bottom of the cap which is equal to the working diameter of the membrane, and the inserted annular movable electrode of the additional measuring capacitor, the introductions of the mirror-symmetric fixed electro D of which is placed on the thickened peripheral section of the membrane, the stiffness of the thin-walled annular section being equal to the stiffness of the membrane, and the nozzle connected to the atmosphere is mounted in the disk.

На фиг.1 показана конструкци  датчика давлени , разрез; на, фиг,2 - разрез А-А на фиг 1; на фиг.З - прогибы упругих элементов датчикаFigure 1 shows the pressure sensor design, section; FIG. 2 is a section A-A in FIG. 1; on fig.Z - deflections of the elastic elements of the sensor

Датчик давлени  включает корпус 1, защемленную мембрану 2 с утолщен ым пе- риферийным участком 3, колпачок 4, установленный и закрепленный на утолщенном периферийном участке 3 с зазором, который обеспечиваетс  внешним кольцом 5 и внутренним кольцом 6. В колпачке 4 с внутренней стороны дна выполнена проточка , образующа  жесткий центр 7 и гибкое кольцо 8, а в верхней части колпачка 4 установлен диск 9, в котором размещен штуцер 10, сообщающийс  с атмосферой. На пла- нарной поверхности мембраны 2 размещен круглый подвижный электрод 11, а на утолщенном периферийном участке 3 - кольцеобразные неподвижные электроды 12 и 10.The pressure sensor includes a housing 1, a clamped membrane 2 with a thickened peripheral section 3, a cap 4 mounted and fixed on the thickened peripheral section 3 with a gap that is provided by the outer ring 5 and the inner ring 6. In the cap 4 on the inner side of the bottom the groove, forming the rigid center 7 and the flexible ring 8, and in the upper part of the cap 4 a disk 9 is installed, in which the nozzle 10 is placed, which communicates with the atmosphere. On the planar surface of the membrane 2 there is a circular movable electrode 11, and on the thickened peripheral area 3 there are ring-shaped stationary electrodes 12 and 10.

На пленарной внешней поверхности дна колпачка 4 на жестком центре 7 выполнен круглый неподвижный электрод 13 и кольцеобразный электрод 15, на гибком кольце 8 - кольцеобразный подвижный электрод 14, электроды 11-15 подсоединены с помощью проводников 18с токовыво- дами 16 герморазьема 17.On the plenary outer surface of the bottom of the cap 4, a rigid fixed electrode 13 and an annular electrode 15 are made on a rigid center 7, an annular movable electrode 14 is mounted on a flexible ring 8, and electrodes 11–15 are connected by means of conductors 16 of a sealed interface 17 with conductors 18c.

Датчик (фиг.1, 2) работает следующим образомThe sensor (1, 2) works as follows

При подаче давлени  Pi через канал корпуса 1, мембрана 2 прогибаетс  на величину Wi В результате этого начальный зазор d0 между электродами 11 и 13When the pressure Pi is applied through the channel of the housing 1, the membrane 2 bends by the amount Wi. As a result, the initial gap d0 between the electrodes 11 and 13

измерительного конденсатора становитс  равным (do - Wi), следовательно, измен етс  емкость измерительного конденсатора Си1 на величину ЛОц, таким образом, емкость измерительного конденсатора определ етс  выражениемthe measuring capacitor becomes (do-Wi), therefore, the capacitance of the measuring capacitor CI is changed by LOC, thus, the capacitance of the measuring capacitor is determined by the expression

Си1 (Pi ) Ui (do + A CHI (do - Wi),Si1 (Pi) Ui (do + A CHI (do - Wi),

где Cm(do) - начальна  емкость измерительного конденсатора (без подачи давлени );where Cm (do) is the initial capacitance of the measuring capacitor (without pressure supply);

Adi () - величина приращени  емкости от изменени  давлени  PLAdi () - capacity increment value due to pressure change PL

Зазор между кольцеобразными электродами 12 и 15 опорного конденсатора от измер емого давлени  Pi не измен етс , так так электрод 12 расположен на периферийном участке мембраны, его емкость (С0), следовательно, практически посто нна и не мен етс  от изменени  измер емого давлени ,  вл  сь опорной емкостью. Изменение давлени  преобразуетс  в выходной сигнал, пропорциональный относительно емкостей опорного к измерительному конденсатору (преобразователь емкости в выходной сигнал в описании не приводитс )The gap between the ring-shaped electrodes 12 and 15 of the reference capacitor from the measured pressure Pi does not change, so the electrode 12 is located in the peripheral section of the membrane, its capacitance (C0), therefore, almost constant and does not change from the change in measured pressure, is Support Capacity. The change in pressure is converted into an output signal proportional with respect to the capacitances of the reference capacitor to the measuring capacitor (the converter of the capacitance into the output signal is not given in the description)

Со г Pi - -С°.( d° Co g Pi - -C °. (D °

1J CM1(do)+ACM1(d0-Wi) 1J CM1 (do) + ACM1 (d0-Wi)

Повышение точности в предложенном датчике обеспечиваетс  тем, что при измерении избыточного давлени  учитываетс  изменение атмосферного давлени  Ра за счет св зи внутренней полости колпачка 4 с атмосферой через штуцер 10 и в результате гибкое кольцо 8 вместе с электродом 14 прогибаетс  на величину Л/2. В результате этого зазор между кольцеобразными электродами 10 и 14 дополнительного измерительного конденсатора Си2 также измен етс , и его емкость определ етс  выражениемThe increase in accuracy in the proposed sensor is ensured by the fact that, when measuring the overpressure, the change in atmospheric pressure Pa is taken into account due to the connection of the internal cavity of the cap 4 with the atmosphere through fitting 10 and as a result, the flexible ring 8 together with electrode 14 bends by L / 2. As a result, the gap between the ring-shaped electrodes 10 and 14 of the additional measuring capacitor Cu2 also changes, and its capacitance is determined by the expression

СИ2(Р2) Cn2(do) + А Си2 (do - W2),SI2 (P2) Cn2 (do) + A Cu2 (do - W2),

где ) - начальна  емкость дополнительного измерительного конденсатора (без изменений атмосферного давлени );where) is the initial capacity of the additional measuring capacitor (without changes in atmospheric pressure);

AGi2 (do-Wa) - величина приращени  емкости от изменени  атмосферного давлени  Р2.AGi2 (do-Wa) is the value of the capacitance increment due to a change in the atmospheric pressure P2.

Зазор между кольцеобразными электродами 12 и 15 того же опорного конденсатора не измен етс  от атмосферного давлени  Р2, так как электрод 15 расположен на недеформируемой части колпачка 4,The gap between the ring-shaped electrodes 12 and 15 of the same reference capacitor does not change from the atmospheric pressure P2, since the electrode 15 is located on the non-deformable part of the cap 4,

следовательно, его емкость Со посто нна и не мен етс  от атмосферного давлени ,  вл  сь опорной емкостью. Изменение атмос- ферного давлени  преобразуетс  в выходной сигнал, пропорциональный отношению емкостей опорного и дополитель- ного измерительного конденсатора.therefore, its capacitance Co is constant and does not vary with atmospheric pressure, being the reference capacitance. The change in atmospheric pressure is converted to an output signal proportional to the ratio of the capacitances of the reference and additional measuring capacitors.

ЈЧР2) г t-изCiЈЧР2) g t-ofCi

Со (do)Co

M2(do)+ACM2(do-Wi)M2 (do) + ACM2 (do-Wi)

Дальнейшее преобразование осуществл етс  как вычитание отношений измери- тельн ого (Adi) и дополнительного измерительного (Ad2) конденсаторов к опорному (Со), и в общем виде выражение приобретает следующий видFurther transformation is carried out as the subtraction of the relationship of the measuring (Adi) and additional measuring (Ad2) capacitors to the reference (Co), and in general, the expression takes the following form

Pi-P2 2-(Pi)(P2) Pi-P2 2- (Pi) (P2)

Си1 V Си2 V Si1 V Si2 V

Со (do)Co

Cm(do) + CMi(d0-Wi)Cm (do) + CMi (d0-Wi)

Со (d0)Co (d0)

Си2 (do ) + CHI ( do - W2 )C2 (do) + CHI (do - W2)

Учитыва , что конструктивно обеспечи- ваетс  равенство емкостей Cnt(do) Си2(йо), выражение после преобразовани  приобретает следующий видTaking into account that the equality of the capacitances Cnt (do) Cu2 (yo) is constructively ensured, the expression after transformation takes the following form

P1 P2 (Wi-W2P1 P2 (Wi-W2

Таким образом, с выхода датчика снимаетс  сигнал, функционально завис щий от изменени  давлени  измер емой средыThus, a signal is removed from the sensor output, functionally dependent on the change in pressure of the medium being measured.

(Pi) и от атмосферного давлени  (Р2).(Pi) and atmospheric pressure (P2).

Изменение температуры на датчике вызывает равномерные температурные изменени  упругих свойств как мембраны, так и гибкого кольца. Следовательно, чувствительность , а значит и емкости измерительного и опорного конденсаторов измен ютс  от температуры на одинаковую величину, а значит изменение выходного сигнала от температуры не происходит.A change in temperature at the sensor causes uniform temperature changes in the elastic properties of both the membrane and the flexible ring. Consequently, the sensitivity, and hence the capacitances of the measuring and reference capacitors, vary by temperature by the same amount, and therefore the output signal does not change with temperature.

Технико-экономическое преимущество изобретени  заключаетс  в том, что предлагаемый датчик давлени  позвол ет в 1,5-2 раза повысить точность измерени  по сравнению с известным.The technical and economic advantage of the invention lies in the fact that the proposed pressure sensor makes it possible to increase the measurement accuracy by a factor of 1.5-2 compared with the known one.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Датчик давлени , содержащий корпус, упругую мембрану с утолщенным периферийным участком и изолированными центральным и периферийным электродами измерительного и опорного конденсаторов,A pressure sensor, comprising a housing, an elastic membrane with a thickened peripheral section and isolated central and peripheral electrodes of the measuring and reference capacitors, расположенный с зазором относительно мембраны колпачок с зеркально-симметричными изолированными неподвижными электродами измерительного и эталонного конденсатора на внешней поверхности его дна со стороны мембраны и установленный внутри колпачка герморазъем в форме диска с токоподводами, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  избыточного давлени , в него введены штуцер и два кольца, одно из которых размещено на внешней, а другое - на внутренней част х утолщенного периферийного участка мембраны, колпачок своим дном установлен и закреплен на кольцах, с внутренней стороны дна колпачка выполнена проточка , образующа  тонкостенный кольцевой участок и жесткий центр, диаметр которого равен рабочему диаметру мембраны , а на тонкостенном кольцевом участке размещен введенный кольцеобразный подвижный электрод дополнительного измерительного конденсатора, введенный зеркально-симметричный неподвижныйA cap with mirror-symmetric insulated stationary electrodes of the measuring and reference capacitor located on the outer surface of its bottom on the membrane side and located inside the cap is a gap in the form of a disk with current leads, characterized in that, in order to improve the accuracy of measurement of overpressure, it has a fitting and two rings, one of which is placed on the outside and the other on the inside of the thickened peripheral section of the membrane, the cap with its own ohm mounted and fixed on the rings, the inner side of the bottom of the cap has a groove, forming a thin-walled annular portion and a rigid center, a diameter equal to the diameter of the working diaphragm, and a thin-walled annular portion disposed inputted additional annular movable electrode of the measuring capacitor inputted stationary mirror-symmetrical электрод которого размещен на утолщенном периферийном участке мембраны, причем жесткость тонкостенного кольцевого участка равна жесткости мембраны, а а диске смонтирован штуцер, сообщенный с атмосферой .the electrode of which is placed on the thickened peripheral section of the membrane, the stiffness of the thin-walled annular section being equal to the stiffness of the membrane, and the nozzle connected to the atmosphere is mounted on the disk. Фиг. 2FIG. 2 //// (Pi/z3(Pi / z3 ЬB