ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА
LIQUID AND GAS PRESSURE SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей или газов.
Известен датчик давления жидкости или газа [Ж. Аш с соавторами. Датчики измерительных систем. Т.2, М.: Мир, 1992, с.215], в котором сила давления на поршень, находящийся в цилиндре, уравновешивается подвижной массой, находящейся на коромысле весов.
Недостатками данного датчика давления являются большие вес и габариты.
Также известен датчик давления жидкости или газа с уравновешиванием сил [1, с.214], в котором давление через штуцер подается в сильфон, это вызывает поворот коромысла, другой конец которого несет сердечник индуктивного датчика перемещений, использующегося в качестве указателя нулевого положения, сигнал датчика усиливается усилителем и демодулируется демодулятором, затем сигнал передается на электродинамический двигатель, он создает силу, восстанавливающую коромысло в положение равновесия.
Однако этот датчик давления имеет большой вес и габариты.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик давления жидкости или газа (патент РФ RU №2356020, кл. G01L 9/12), принятый за прототип, содержащий чувствительный элемент и устройство для уравновешивания силы давления, при этом чувствительный элемент представляет собой диафрагму, одновременно являющуюся подвижным электродом, который с изолятором, отделяющим его от неподвижного электрода, образует плоский электрический конденсатор, являющийся устройством для уравновешивания силы давления, пространство между электродами которого используется для подачи через штуцер избыточного давления жидкости или газа, при этом к плоскому электрическому конденсатору присоединен источник напряжения, разность потенциалов с которого прикладывается для компенсации прогиба диафрагмы, при этом компенсирующее напряжение однозначно связано с давлением жидкости или газа.
Недостатком прототипа является отсутствие информации о величинах прогиба чувствительного электрода (диафрагмы), что не позволяет использовать его в системах автоматического контроля и измерения давлений, а также при необходимости выполнения дистанционных измерений.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей датчика для использования его в системах автоматического контроля и измерения давления жидкости или газа, а также при выполнении дистанционных измерений.
Поставленная задача решена в предлагаемом датчике давления жидкости или газа, содержащем чувствительный элемент и устройство для уравновешивания силы давления, причем чувствительный элемент представляет собой диафрагму, одновременно являющуюся подвижным электродом, который с изолятором, отделяющим его от неподвижного электрода, образует плоский электрический конденсатор, являющийся устройством для уравновешивания силы давления, пространство между электродами которого используется для подачи через штуцер избыточного давления жидкости или газа, причем к плоскому электрическому конденсатору присоединен источник напряжения, разность потенциалов с которого прикладывается для компенсации прогиба диафрагмы, при этом компенсирующее напряжение однозначно связано с давлением жидкости или газа, а предлагаемый датчик дополнительно снабжен индуктивным датчиком перемещений, сердечник которого закреплен на наружной поверхности диафрагмы, одновременно являющейся подвижным электродом, и петлей отрицательной обратной связи, состоящей из последовательно соединенных усилителя переменного тока и преобразователя переменного тока в напряжение постоянного тока, причем вход усилителя соединен с выходом индуктивного датчика перемещений, а выход преобразователя в напряжение постоянного тока подключен к плоскому конденсатору, образованному подвижным и неподвижным электродами, разделенными изолятором.
На чертеже представлена схема датчика давления жидкости и газа.
Датчик, содержащий чувствительный элемент в виде диафрагмы (подвижный электрод) 1, отделенный изолятором 2 от неподвижного электрода 3, расположенного на изолирующей подложке 4, образует плоский электрический конденсатор, являющийся устройством для уравновешивания силы давления, пространство между электродами которого используется для подачи давления в полость 5 через штуцер 6 и дополнительно снабжен индуктивным датчиком перемещений 7, сердечник 8 которого закреплен на наружной поверхности диафрагмы 1, при этом датчик перемещения 7 подключен к цепочке, состоящей из последовательно соединенных усилителя переменного тока 9 и преобразователя переменного тока в напряжение постоянного тока 10, причем вход усилителя 9 соединен с выходом индуктивного датчика перемещений 7, а выход преобразователя 10 подключен к плоскому конденсатору, образованному подвижным 1 и неподвижным 3 электродами, разделенными изолятором 2.
Датчик давления жидкости и газа работает следующим образом.
изб
вых
вых
При действии избыточного давления (P>0) в полости 5 диафрагма 1 выгибается наружу. К плоскому электрическому конденсатору подается напряжение U с преобразователя 10 в напряжение постоянного тока. Напряжение U компенсирует прогиб диафрагмы 1, возвращая ее в исходное состояние (с погрешностью, определяемой статической ошибкой следящей системы). Петля отрицательной обратной связи состоит из последовательно соединенных усилителя переменного тока 9 и преобразователя переменного напряжения в постоянный ток 10.
вых
1
2
Связь между давлением Р и разностью потенциалов U может быть определена в результате приравнивания сил, действующих на диафрагму, при наличии давления жидкости или газа F и электрической силы F:
1
F=P·S,
где S - площадь диафрагмы.
,
где С - емкость конденсатора, образованного подвижным 1 и неподвижным 3 электродами; h - расстояние между подвижным 1 и неподвижным 3 электродами.
Отсюда:
,
следовательно,
.
изб
При избыточном давлении жидкости или газа, равном нулю (Р=0), выходной сигнал индукционного датчика (или какого-либо другого применяемого) также равен нулю.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности датчика давления жидкости или газа и использовать его в системах автоматического контроля и измерения, а также при выполнении дистанционных измерений. Погрешность работы предлагаемого датчика оценивается статической ошибкой следящей системы автоматического управления, которая обратно пропорциональна коэффициенту усиления следящей системы.