ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE MEASURING TRANSDUCER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.
Уровень техники
Известны преобразователи давления, содержащие корпус с мембраной и расположенным в нем чувствительным пьезоэлементом (Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под ред. Е.П.Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.).
Недостатком датчика является большая погрешность измерений при измерении медленно изменяющихся давлений.
Известны измерительные преобразователи давления, использующие в качестве промежуточного чувствительного элемента плоские мембраны, которые под действием измеряемого давления подвергаются деформации. Эта деформация преобразуется в электрический сигнал либо с помощью тензорезисторов, наклеиваемых на поверхности мембраны, либо с помощью датчиков перемещения центра мембраны, среди которых обычно применяют индуктивные или конденсаторные датчики (Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006, 588 с.).
Недостатком указанных преобразователей является низкая чувствительность, т.к. в пределах упругой деформации этой мембраны перемещение центра лежит в пределах ее толщины, не превышающий обычно 1 мм.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является преобразователь давления, содержащий чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и в качестве датчика перемещения конденсатор переменной емкости. При этом конденсатор переменой емкости образован двумя плоскими электродами, жестко закрепленными на поверхности мембраны в диаметрально противоположных точках на расстоянии 0,5-0,6 радиуса от ее центра, а плоскости электродов перпендикулярны к плоскости мембраны. Кроме того, в известном преобразователе предусмотрена установка дополнительного неподвижного электрода, закрепленного в центре мембраны на изоляторе и установленного между подвижными электродами (А.с. №669237. Бюл. №23, опубликовано 25.06.79).
Недостатком указанного преобразователя давления является обратно пропорциональная зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления, т.к. с увеличением давления расстояние между подвижными пластинами конденсаторного датчика перемещения возрастает и его емкость уменьшается. Кроме того, подвижные электроды конденсаторного датчика перемещения, закрепленные на мембране, являются механической колебательной системой и под действием пульсаций измеряемого давления могут совершать колебания, искажающие результаты измерений. Так же в известном устройстве предусматривается крепление дополнительного неподвижного электрода конденсаторного датчика перемещения с помощью изолятора в центре мембраны, что влияет на ее свойства как упругого элемента и технически трудно осуществимо.
Раскрытие изобретения.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого измерительного преобразователя давления, сводится к устранению обратно пропорциональной зависимости емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления; искажений результатов измерений, вызванных механическими колебаниями электродов конденсаторного датчика перемещения; влияния на упругие свойства плоской круглой мембраны крепления неподвижного электрода в ее центре.
Технический результат достигается с помощью измерительного преобразователя давления, содержащего помещенные в кожух чувствительный элемент в виде жестко защемленной по периметру плоской круглой мембраны и конденсаторный датчик перемещения, образованный подвижными плоскими электродами, закрепленными на стойках и установленными перпендикулярно на поверхности плоской круглой мембраны на расстоянии 0,5-0,6 от ее радиуса в диаметрально противоположных точках относительно центра плоской круглой мембраны, и неподвижным плоским электродом, расположенным между подвижными плоскими электродами, при этом неподвижный плоский электрод конденсаторного датчика перемещения закреплен через изоляционную втулку в центре дна кожуха, закрывающего конденсаторный датчик перемещения, при этом полость кожуха заполнена диэлектрической жидкостью. Плоскости подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода, установленного под прямым углом к плоскости плоской круглой мембраны, при этом угол не должен превышать максимальный угол наклона стоек при ее деформации, и каждый из подвижных плоских электродов жестко с помощью держателей закреплен на соответствующей стойке, установленной относительно своего подвижного плоского электрода в диаметрально противоположном направлении относительно центра круглой плоской мембраны.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано сечение измерительного преобразователя давления, в ненагруженном состоянии, т.е. при давлении P=0.
На фиг.2 показано сечение измерительного преобразователя давления, в нагруженном состоянии, т.е. при максимальном значении P.
Осуществление изобретения
Измерительный преобразователь давления, состоящий из плоской круглой мембраны 1, жестко защемленной по периметру или выполненной за одно целое с корпусом (на фиг.1 и 2 не обозначен). На стойках 2, закрепленных перпендикулярно к плоскости плоской круглой мембраны 1 и расположенных в диаметрально противоположных точках плоской круглой мембраны 1 на расстоянии 0,5-0,6 радиуса от ее центра, жестко закреплены с помощью держателей 3 подвижные плоские электроды 4. Плоская круглая мембрана 1 закрыта кожухом 5, в центре дна которого вмонтирован через изоляционную втулку 6 неподвижный плоский электрод 7. Полость кожуха 5 заполнена диэлектрической жидкостью 8.
При этом количество диэлектрической жидкости 8 должно обеспечить полное погружение в нее подвижных плоских электродов 4 и неподвижного плоского электрода 7.
Измерительный преобразователь давления с заполненной диэлектрической жидкостью 8 полостью кожуха 5 следует устанавливать на технологическом оборудовании (на фиг.1 и 2 не показано) вертикально и кожухом 5 вниз. При этом подвижные плоские электроды 4 и неподвижный плоский электрод 7 в равной степени погружаются в диэлектрическую жидкость 8.
Подвижные плоские электроды 4 и неподвижный плоский электрод 7 образуют конденсаторный датчик перемещения. Плоскости подвижных плоских электродов 4 конденсаторного датчика перемещения установлены под углом к плоскости плоской круглой мембраны 1 и соответственно к плоскости неподвижного плоского электрода 7.
Измерительный преобразователь давления работает следующим образом.
Под воздействием измеряемого давления P плоская круглая мембрана 1 прогибается, стойки 2 поворачиваются на угол, соответствующий данному прогибу плоской круглой мембраны 1, и перемещают с помощью держателей 3 жестко закрепленные на них подвижные плоские электроды 4, изменяя тем самым емкость конденсаторного датчика перемещения.
При увеличении давления P угол наклона стоек 2 относительно воображаемой оси плоской круглой мембраны 1 возрастает, что сопровождается соответствующим перемещением жестко закрепленных на них с помощью держателей 3 подвижных плоских электродов 4 в сторону их сближения с неподвижным плоским электродом 7 и уменьшением первоначально установленного угла φ (см. фиг.1) между плоскостями подвижных плоских электродов 4 и неподвижным плоским электродом 7. При достижении максимального значения давления P плоскости подвижных плоских электродов 4 устанавливаются между собой параллельно (см. фиг.2), а стойки 2 расходятся на угол φ относительно воображаемой оси плоской круглой мембраны 1.
Следовательно, с увеличением давления расстояние между плоскостями подвижных плоских электродов 4 и неподвижного плоского электрода 7 уменьшается, что сопровождается возрастанием электрической емкости конденсаторного датчика перемещения.
Предлагаемое расположение подвижных плоских электродов 4 делает пропорциональной зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления.
Заполнение полости кожуха 5 диэлектрической жидкостью 8 позволяет снизить механические колебания подвижных плоских электродов 4, и, выбрав диэлектрическую жидкость 8 с необходимой вязкостью, можно полностью устранить эти колебания, искажающие результаты измерений. К примеру, можно использовать в качестве такой диэлектрической жидкости 8 трансформаторное масло.
Диэлектрическая жидкость 8 не только вносит демпфирование возможных колебаний подвижных плоских электродов 4, но дополнительно увеличивает емкость конденсаторного датчика перемещения, т.к. ее диэлектрическая проницаемость в любом случае выше, по меньшей мере в 2 раза, диэлектрической проницаемости воздуха, вытесненного этой жидкостью из полости конденсаторного датчика перемещения. Это дополнительно улучшает метрологические характеристики измерительного преобразователя давления, т.к. с ростом емкости конденсаторного датчика перемещения относительно паразитной емкости входной цепи измерительного прибора (на фиг.1 и 2 не показан) повышается точность измерений.
Крепление дополнительного неподвижного плоского электрода 7 конденсаторного датчика перемещения с помощью изоляционной втулки 6 в центре дна кожуха 5 упрощает сборку измерительного преобразователя давления и сохраняет свойства плоской круглой мембраны 1 как упругого элемента.
Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения избыточного давления различных сред.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- пропорциональная зависимость емкости конденсаторного датчика перемещения от величины измеряемого давления;
- отсутствие механических колебаний подвижных плоских электродов конденсаторного датчика перемещения;
- низкая погрешность при измерении медленно изменяющихся давлений.