ДАТЧИК ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления, и предназначена для измерения разности давления жидкости и газов с помощью упругодеформируемых элементов в качестве чувствительных элементов.
Известна конструкция датчика разности давлений, взятая за аналог (патент РФ №2325623, кл. G01L 13/02, публ. 27.05.2008 г.), в корпусе которого имеются две полости, заполненные электроизоляционной жидкостью, при этом полости загерметизированы воспринимающими давление профилированными мембранами, расположенными с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично закреплены полупроводниковый тензорезистивный чувствительный элемент и мембрана; в каждую полость введены по одному диску и пружины, которые прижимают диски к мембране с двух сторон, причем диск в одной из полостей имеет диаметр, больший, чем диаметр другой полости, а усилие пружины, прижимающей этот диск к мембране, больше, чем усилие пружины, прижимающей другой диск.
Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- конструкция содержит мембрану, которая воспринимает давление,
- конструкция содержит тензорезистивные элементы, которые вырабатывают электрический сигнал пропорционально измеряемому дифференциальному давлению.
Недостатком указанной конструкции является наличие дополнительных мембран, пружин и тензорезистивного чувствительного элемента. Поскольку каждый отдельный элемент системы создает свою погрешность, общая ошибка датчика является суммой ошибок всех элементов, которые воспринимают давление. Все это приводит к недостаточной долговременной стабильности и также ухудшению точности.
Известна конструкция датчика дифференциального давления, взятая за прототип (патент РФ №87521, кл. G01L 9/00, публ. 10.10.2009 г.), в которой первая мембрана, воспринимающая разность давлений первого и второго объема, соединена посредством толкателя со второй мембраной, на которой расположены измерительные тензорезисторы. Датчик отличается тем, что первая и вторая мембраны выполнены в виде дисковых мембран с жестким центром, а площадь первой мембраны больше площади второй мембраны.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- конструкция содержит дисковую мембрану, которая воспринимает разность давлений первого и второго объема,
- конструкция содержит тензорезисторы, которые измеряют величину изгиба мембраны.
Недостатком указанной конструкции является наличие погрешности измерений, которая обусловлена непостоянством во времени свойств измерительных тензорезисторов и мембран. Эти элементы конструкции изменяют свои параметры при колебаниях температуры окружающей среды, а также под действием механических факторов, таких как вибрации и удары. Все это понижает точность измерения давления и требует необходимости проводить периодическую поверку датчика давления.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении точности измерения дифференциального давления, уменьшении влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения, увеличении межповерочного интервала.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении точности измерения дифференциального давления, уменьшении влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения, увеличении межповерочного интервала.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая полезная модель имеет существенные отличительные признаки, отличающие ее от прототипа, которые заключаются в следующем:
- введение в конструкцию датчика нового элемента - опорного источника дифференциального давления,
- изменение функции мембранного чувствительного элемента датчика давления, который производит не измерение, а только сравнение неизвестного измеряемого дифференциального давления с известным дифференциальным давлением, создаваемым опорным источником.
Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.
изм
Датчик давления (фиг. 1) состоит из пяти основных функциональных элементов. Опорный источник дифференциального давления (А) связан с коммутирующим устройством (Б). Коммутирующее устройство имеет два входа (1, 2) для измерения неизвестного внешнего дифференциального давления ΔР. Коммутирующее устройство соединяется с мембранным чувствительным элементом (В). Связи между опорным источником дифференциального давления (А), коммутирующим устройством (Б) и чувствительным элементом (В) осуществляются посредством пар трубок или каналов, по которым передается давление рабочей среды, жидкости или газа. Блок управления (Г) связан электрическими линиями управления и связи (3) с чувствительным элементом (В), коммутирующим устройством (Б), опорным источником дифференциального давления (А) и устройством индикации (Д).
Опорный источник дифференциального давления (А) состоит из микрофлюидного контура (4), по которому за счет работы микронасоса (5) циркулирует рабочая жидкость. Контур включает в себя пятикомпонентную микрофлюидную структуру, которая выполнена в виде системы из пяти микроканалов с постоянным высоким гидравлическим сопротивлением (6), которые соединены между собой посредством полостей с постоянным низким гидравлическим сопротивлением (7). Расположение микроканалов с постоянным высоким гидравлическим сопротивлением аналогично расположению электрических резисторов в измерительном мосте (мосте Уитстона). Все полости сформированы методами фотолитографии и травления в основании из монокристаллического кремния, которое соединяется с крышкой из стекла методом электротермодиффузионной сварки. Входы пятиканальной микрофлюидной структуры (8, 9) соединяются с микрофлюидным контуром циркуляции рабочей жидкости (4). Выходы пятиканальной микрофлюидной структуры (10, 11) является выходом из опорного источника дифференциального давления. Разность давления между входами (8) и (9) пятиканальной микрофлюидной структуры регистрируется датчиком дифференциального давления высокого диапазона (12).
Мембранный чувствительный элемент (В) состоит из корпуса (13), в котором расположена упругая мембрана (14), разделяющая внутренний объем корпуса на две полости (15, 16). Через вводные каналы (17, 18) в полости передается давление рабочей среды, жидкости или газа. На мембране расположены тензорезисторы (19), которые преобразуют механическую деформацию упругой мембраны под действием разности давлений в выходной электрический сигнал.
вх
вх
вых
вх
Устройство работает следующим образом: по управляющей команде блока управления (Г) включается микронасос (5) и начинается циркуляция рабочей жидкости по контуру (4). При этом между входами (8) и (9) пятикомпонентной микрофлюидной структуры создается разность давлений ΔР, которая измеряется датчиком дифференциального давления высокого диапазона (12). Основным свойством пятикомпонентной микрофлюидной структуры является то, что при наличии между входами (8) и (9) разницы давлений ΔР на выходах (10, 11) создается разница давления ΔР, которое в k раз меньше ΔР. Коэффициент k может принимать значения от 1 до 1000, но является постоянным для изготовленной пятикомпонентной микрофлюидной структуры и измеряется один раз на этапе производства.
вых
оп
вых
оп
изм
изм
оп
Сгенерированное дифференциальное давление ΔР является опорным ΔР (ΔР-ΔР) и передается в коммутирующее устройство (Б) на первую пару входов (10, 11). Также во время работы на вторую пару входов (1) и (2) данного элемента подается неизвестное измеряемое дифференциальное давление ΔР. В процессе работы коммутирующее устройство по команде блока управления (Г) попеременно передает через себя на пару входов (17, 18) чувствительного элемента (В) или неизвестное измеряемое дифференциальное давление ΔР, или известное дифференциальное давление ΔР от опорного источника дифференциального давления (А).
1
изм
2
оп
1
2
В чувствительном элементе происходит формирование выходного электрического сигнала α, который однозначно зависит от величины деформации мембраны (12) и, как следствие, от дифференциального давления, которое подается на вход чувствительного элемента. Электрический сигнал с чувствительного элемента подается в блок управления (Г). В блоке управления происходит запоминание значения α выходного сигнала от чувствительного элемента (В). Поскольку работа блока управления синхронизирована с работой коммутационного устройства, то происходит запоминание значений выходного сигнала чувствительного элемента в два момента времени: α(τ), когда на чувствительный элемент подается неизвестное измеряемое внешнее дифференциальное давление ΔР, и α(τ), когда на чувствительный элемент подается известное дифференциальное давление ΔР от опорного источника дифференциального давления. Сравнивая две величины α(τ) и α(τ), можно сделать однозначное заключение о том, какая из этих величин больше.
вх
вых
оп
изм
оп
оп
изм
вх
оп
вых
вх
вх
оп
изм
вх
изм
На основе этого сравнения формируется управляющий сигнал для опорного источника дифференциального давления, который воздействует на микронасос (5), заставляя его увеличивать или уменьшать поток жидкости в контуре (4). При этом соответственно увеличивается или уменьшается дифференциальное давление ΔР и ΔР=ΔР. Действуя таким образом, блок управления добивается того, чтобы выходные сигналы с чувствительного элемента для случая подачи на его вход неизвестного измеряемого давления ΔР и для случая подачи на его вход известного дифференциального давления ΔР от опорного источника будут равны друг другу. Это также будет означать равенство опорного ΔР и измеряемого ΔР дифференциального давления. В этот момент блок управления считывает показания ΔР от датчика дифференциального давления высокого диапазона (12) и, зная k - коэффициент уменьшения давления в пятикомпонентной микрофлюидной структуре, рассчитывает значение опорного дифференциального давления ΔР, равного ΔР, как отношение ΔР/k. Датчик дифференциального давления высокого диапазона (12) производит измерение давления с абсолютной погрешностью ±Р'. Погрешность определения опорного дифференциального давления ΔР и соответственно измеряемого дифференциального давления ΔР будет определяться как ±Р'/к. Т.е. абсолютная погрешность уменьшается в k раз. Рассчитанную величину измеряемого дифференциального давления ΔР блок управления выводит на устройство индикации (Д).
Таким образом, предлагаемая конструкция датчика давления имеет повышенную точность за счет уменьшения в k раз абсолютной погрешности измерения. Уменьшение влияния последствий вибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения достигается за счет того, что мембранный чувствительный элемент не измеряет, а только сравнивает две величины дифференциального давления. При этом время между сравнением неизвестного дифференциального давления и известного давления от опорного источника мало, так что изменения свойств мембраны и тензорезисторов чувствительного элемента пренебрежимо мало. Стабильность выходных параметров опорного источника дифференциального давления обеспечивается свойствами пятикомпонентной микрофлюидной структуры, которая изготовлена из монокристаллического кремния высокоточными методами микросистемной техники.