датчик давления

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 _вне pавен темпеpатуpному коэффициенту линейного pасшиpения (ТКЛР) матеpиала мембpаны _у , высота L_в втулки и толщина h_к консольного участка мембpаны опpеделены из соотношений

L_в= ;

h_к ;

h_к ;

где A= - ;

B_н= ;

B_B= ;

d₀ - толщина установочной прокладки;

_п - ТКЛР материала установочной прокладки;

- температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) материала мембраны;

_к - коэффициент Пуассона материала мембраны;

t - 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.

Описание изобретения к патенту

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 _в не равен температурному коэффициенту линейного расширения материала мембраны _у, высота L_в втулки и толщина h_к консольного участка мембраны определены из соотношений:

L_в= ,

h_к ,

h_к , где

A= - ;

B_H= ;

B_B= ;

d_o - толщина установочной прокладки;

_n - ТКЛР материала установочной прокладки;

- температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) материала мембраны;

_к - коэффициент Пуассона материала мембраны;

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= _o , (4) где r_о - радиус электрода измерительного конденсатора;

r₂, r₁ - наружный и внутренний радиусы электрода эталонного конденсатора;

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= _o , (9)

C_xpt= , (10) где _o, _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

_o= A_po , (11)

_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;

_o, _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)

d²_o(1+_nt+_вd_o(_в-_y)t-A_poL_в(_в-_y)t

- A_po d_o(1+_nt) = d²_o(1+_nt)+L_вd_o(_в-_y)t-d_o

A_po (18)

_в= , (19)

_в= (20)

После преобразований получаем

_в= (21)

При выполнении прокладок из материала, аналогичного материалу мембраны, т. е. когда _n= _y и при t1, можно пользоваться упрощенным соотношением:

_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)

_rн= B_Н , (23)

_rв= B_В (24)

Здесь коэффициенты

B_B= , (25)

B_B= , (26) где Е_к - модуль упругости консольного участка;

h_к - толщина консольного участка;

R_к - радиус консольного участка;

_ок - прогиб консольного участка,

C_к=

r_ок - радиус опорного основания

Учитывая, что прогиб консольного участка равен

_ok= A , (27) где A= - - , (28)

- усилие, действующее на консольный участок.

Можно записать напряжения в консольном участке в виде

_rн= ; _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.

_в0,01_rн;

_в0,01_rв, напряжения во втулке равны

_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, _у = 1310^{-6 о}С^-1, = -30010^{6 о}С^-1, _в = 1810^{-6 о}С^-1, _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.