Емкостный датчик давления и способ итерактивной оптимизации габаритов датчика давления

Емкостный датчик давления и способ итерактивной оптимизации габаритов датчика давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к емкостному датчику давления, в частности к емкостному керамическому датчику давления, и способу итеративной оптимизации габаритов опорного кольца и развязывающего элемента для датчика давления.

Подобные датчики давления используются в технике измерения процессов, чтобы измерять давление рабочих сред, которые могут представлять собой жидкости, газы или пары. В основном подобные датчики давления включают в себя месдозу из основания и упругой мембраны, в частности из керамического основания и керамической мембраны. В основании выполнена плоская выемка, называемая постелью мембраны и перекрытая ею. В измерительном режиме мембрану нагружают давлением рабочей среды и деформация упругой мембраны, определяемая емкостным или резистивным способом, является мерой давления. Соответствующая месдоза раскрыта в том числе в DE 3901492.

В измерительном режиме месдозу обычно аксиально зажимают между упругим уплотнительным кольцом со стороны среды, которое прилегает к торцевой поверхности датчика со стороны мембраны, и опорным кольцом, аксиально поддерживаемым обращенной от мембраны торцевой поверхностью основания, как это изображено, например, в DE 4213857.

Поскольку деформация мембраны при данном давлении зависит от эффективной жесткости мембраны, требуется поддерживать максимально постоянной жесткость мембраны после калибровки по измерительному диапазону датчика давления. Поэтому особенно важно, чтобы на месдозу действовали минимально возможные радиальные усилия, поскольку действующие радиально внутрь усилия могут уменьшить жесткость мембраны, а действующие радиально наружу усилия - увеличить ее.

В DE 10229703.7 от 02.07.2002 г. заявитель описывает, что осевое зажатие месдозы между уплотнительным и опорным кольцами вызывает упругий прогиб задней торцевой поверхности основания в осевом направлении. Прогиб ведет к радиальным деформациям основания в зоне торцевой поверхности со стороны мембраны, если геометрия опорного кольца не согласована с геометрией месдозы. При этом внутренний диаметр опорного кольца оказывается особенно критической величиной. Если поверхность прилегания опорного кольца слишком велика или внутренний диаметр слишком мал, то осевые зажимные усилия, вводимые через уплотнительное кольцо с диаметром в месдозу или основание, вызывают в месдозе изгибающие моменты, которые приводят к направленной в итоге радиально наружу деформации измерительной мембраны. Аналогичным образом обращенная к уплотнительному кольцу торцевая поверхность упруго деформируется радиально внутрь, если поверхность прилегания опорного кольца слишком мала или внутренний диаметр опорного кольца слишком велик.

Описанные торцевые радиальные деформации были бы, в принципе, приемлемы, если бы их можно было поддерживать постоянными. Однако это непрактично, поскольку радиальные деформации являются функцией осевых зажимных усилий, зависимых, в частности, от старения или термостатирования упругого уплотнительного кольца, через которое вводятся осевые зажимные усилия. Например, осевое зажимное усилие можно необратимо уменьшить с 500 до примерно 400 Н, если датчик давления с заново вставленным уплотнительным кольцом нагреть до 80°С.

Изменений радиальной деформации можно предотвратить практически только за счет такого дизайна, при котором даже при максимальном осевом зажимном усилии не возникает заметных радиальных деформаций.

Решение в DE 10229703.7 основано на том, чтобы для месдозы с заданными габаритами и свойствами материала идентифицировать внутренний диаметр опорного кольца, при котором радиальная деформация месдозы в зоне мест соединения измерительной мембраны в значительной степени устранена, так что изменение жесткости мембраны вследствие изменяющихся осевых зажимных усилий уменьшено до приемлемой остаточной погрешности.

Датчик давления в DE 10229703.7 включает в себя месдозу, в основном, с цилиндрическим основанием первого диаметра и первой толщины, закрепленную на одной торцевой поверхности основания измерительную мембрану второго диаметра и второй толщины, причем месдоза аксиально зажата между упругим уплотнительным кольцом третьего диаметра и третьей толщины, прилегающим к торцевой стороне месдозы со стороны мембраны, и опорным кольцом четвертого наружного диаметра, четвертого внутреннего диаметра и четвертой толщины, причем опорное кольцо поддерживает обращенную от измерительной мембраны заднюю торцевую сторону месдозы, причем далее габариты опорного кольца согласованы с габаритами уплотнительного кольца и месдозы таким образом, что обусловленная осевым зажатием месдозы радиальная деформация торцевой поверхности со стороны мембраны настолько мала, что погрешность натяжения датчика давления вследствие уменьшения осевого зажимного усилия, по меньшей мере, на 10% составляет не более чем примерно 0,02% натяжения.

Погрешность натяжения обозначает в этой связи отклонение возникающей при уменьшенном осевом зажимном усилии разности между измеренным значением при максимальном давлении и измеренным значением без нагружения давлением от соответствующей разности при полном осевом зажимном усилии.

Полное осевое зажимное усилие обозначает, например, осевое зажимное усилие, с которым монтируют датчики давления с новыми уплотнительными кольцами, с тем чтобы и после термостатирования или старения уплотнительного кольца можно было надежно поддерживать соответствующее спецификации давление. Осевое зажимное усилие может составлять, например, 350-550 Н, причем выбранное зажимное усилие в отдельном случае зависит от вида уплотнения и номинального давления или спецификаций датчика давления.

Новейшие экспериментальные исследования показали, что варианты, у которых опорное кольцо прочно соединено с основанием или выполнено за одно целое с ним, являются более оптимальными в отношении погрешности натяжения, т.е. погрешность натяжения принимает любое малое значение и почти не имеет разброса между различными месдозами одного типа.

Результаты в отношении температурного гистерезиса натяжения для этих вариантов, однако, неудовлетворительны, т.е. обусловленная гистерезисом погрешность натяжения слишком велика.

Температурный гистерезис, по современным представлениям, - это следствие недостаточной релаксации на граничных поверхностях между компонентами с разными коэффициентами теплового расширения. Особенно критической в этой связи является граничная поверхность между резьбовым кольцом или зажимным кольцом для зажатия опорного кольца.

Технический результат данного изобретения состоит в том, что обеспечивается ограничение погрешности гистерезиса наряду с погрешностью натяжения благодаря тому, что между зажимным кольцом и опорным кольцом расположен жесткий развязывающий элемент.

Задачей настоящего изобретения является поэтому создание датчика давления, у которого, помимо погрешности натяжения, вследствие изменения осевого зажатия уменьшен также температурный гистерезис.

Эта задача решается согласно изобретению посредством датчика давления по независимому п.1 формулы и способа по независимому п.15.

Датчик давления включает в себя:

- месдозу, в основном, с цилиндрическим основанием первого диаметра и первой толщины, закрепленную на одной торцевой поверхности основания измерительную мембрану второго диаметра и второй толщины;

- упругое уплотнительное кольцо третьего диаметра и третьей толщины;

- опорное кольцо четвертого наружного диаметра, четвертого внутреннего диаметра и четвертой толщины, причем опорное кольцо поддерживает обращенную от измерительной мембраны торцевую сторону месдозы;

- зажимное кольцо с первыми средствами зацепления и

- корпус для размещения месдозы, причем корпус имеет упорную осевую поверхность для уплотнительного кольца и вторые средства зацепления, которые входят в первые средства зацепления,

- причем месдоза посредством зажимного кольца аксиально зажата между упругим уплотнительным кольцом, которое расположено между упорной осевой поверхностью корпуса и торцевой стороной месдозы со стороны мембраны, и опорным кольцом,

- причем далее

- между зажимным и опорным кольцами расположен жесткий развязывающий элемент, и

- габариты опорного кольца и, при необходимости, развязывающего элемента согласованы с габаритами уплотнительного кольца и месдозы таким образом, что обусловленная осевым зажатием месдозы радиальная деформация торцевой поверхности со стороны мембраны настолько мала, что погрешность натяжения датчика давления вследствие уменьшения осевого зажимного усилия, по меньшей мере, на 10% составляет не более чем примерно 0,02%, а температурный гистерезис натяжения - не более чем примерно 0,03%.

Температурный гистерезис можно определить, например, посредством сравнительных измерений до и после температурного цикла, при котором датчик нагревают с комнатной температуры до 50°С, затем охлаждают до -40°С, после чего снова нагревают до комнатной температуры. Таким же образом сначала охлаждение до минимальной температуры может осуществляться также перед нагревом до максимальной температуры.

Преимущественно габариты опорного кольца и, при необходимости, развязывающего элемента оптимизированы настолько, что погрешность натяжения при уменьшении зажимного усилия, по меньшей мере, на 20% составляет не более чем примерно 0,02%. Далее предпочтительно габариты опорного кольца и, при необходимости, развязывающего элемента оптимизированы настолько, что погрешность натяжения при уменьшении зажимного усилия, по меньшей мере, на 10% или, по меньшей мере, на 20% составляет не более чем примерно 0,01%.

К тому же габариты опорного кольца и, при необходимости, развязывающего элемента могут быть оптимизированы настолько, что температурный гистерезис натяжения составляет не более 0,02% и особенно предпочтительно не более 0,01%.

Преимущественно основание и измерительная мембрана изготовлены из одного и того же материала, причем в настоящее время предпочтителен керамический материал, в частности корунд. Измерительная мембрана имеет предпочтительно приблизительно тот же диаметр, что и основание. В частности, у керамических датчиков давления измерительная мембрана может быть закреплена на торцевой стороне основания посредством активного тугоплавкого припоя или стекла. В другой предпочтительной форме выполнения место соединения включает в себя синтетический корунд.

Опорное кольцо изготовлено в предпочтительной форме выполнения из того же материала, что и основание. Это предпочтительно потому, что опорное кольцо имеет тогда тот же коэффициент теплового расширения, что и основание. Опорное кольцо должно быть изготовлено преимущественно из материала, по меньшей мере, такого же жесткого, что и основание. Наружный диаметр опорного кольца не должен быть меньше, а должен быть преимущественно равен диаметру основания. В одной предпочтительной форме выполнения опорное кольцо прочно соединено с основанием. Это может осуществляться, например, активным тугоплавким припоем или клеем. Наконец, опорное кольцо может быть изготовлено за одно целое с основанием. Опорное кольцо имеет предпочтительно, по меньшей мере, толщину основания.

Развязывающий элемент жесткий, поскольку его материал обладает сравнимыми механическими свойствами, как материал опорного кольца. Предпочтительно развязывающий элемент изготовлен из того же материала, что и опорное кольцо.

В настоящее время предпочтительны два варианта развязывающих элементов.

В первом варианте развязывающий элемент включает в себя развязывающее кольцо, имеющее предпочтительно те же внутренний и наружный диаметры, что и опорное кольцо. Далее развязывающее кольцо имеет предпочтительно ту же толщину, что и опорное кольцо. Развязывающее кольцо опирается всей площадью на опорное кольцо. В качестве опции предусмотрены средства для снижения трения между развязывающим и опорными кольцами. Для этого может быть использован полимерный слой или полимерная пленка, например тефлон, гладкий слой твердого вещества, такой как DLC (Diamond Like Carbon), или антиадгезив, такой как дисульфид молибдена.

Во втором варианте развязывающий элемент включает в себя пластину жесткости. Пластина жесткости может свободно прилегать к опорному кольцу, может быть прочно соединена с опорным кольцом или выполнена за одно целое с ним. В отношении уменьшения температурного гистерезиса соединение пластины жесткости с опорным кольцом не оказывает в соответствии с современным опытом никакого влияния. Предпочтительно пластина жесткости имеет тот же диаметр, что и наружный диаметр опорного кольца. В частности, толщина пластины жесткости является параметром, который можно изменять при оптимизации датчика согласно изобретению.

Зажимное кольцо включает в себя преимущественно резьбовое кольцо, причем первые средства зацепления образованы резьбой на боковой поверхности резьбового кольца. Вторые средства зацепления являются соответственно внутренней резьбой в цилиндрическом отрезке корпуса, с тем чтобы через развязывающий элемент и опорное кольцо оказывать на месдозу осевое зажимное усилие.

Предпочтительным является то, что коэффициент трения сцепления между опорным и развязывающим кольцом составляет менее 0,2.

Предусмотрен также способ итеративной оптимизации габаритов опорного кольца и развязывающего элемента для датчика давления, включающий в себя следующие этапы:

(i) - установление геометрической формы опорного кольца и развязывающего элемента;

(ii) - расчет первого изменения натяжения датчика давления под первым осевым зажимным усилием;

(iii) - расчет второго изменения натяжения датчика давления под вторым осевым зажимным усилием;

(iv) - определение погрешности натяжения за счет сравнения первого и второго изменений натяжения;

(v) - оценка погрешности натяжения;

(vi) - определение и оценка температурного гистерезиса натяжения, при необходимости, с условием, что погрешность натяжения достаточно мала;

(vii) - изменение геометрической формы опорного кольца и, при необходимости, развязывающего элемента и повторение этапов (ii)-(vii) до тех пор, пока не будет найдена подходящая геометрическая форма для достаточно малой погрешности натяжения и достаточно малого температурного гистерезиса натяжения.

Изобретение поясняется ниже с помощью примера выполнения, изображенного на прилагаемых чертежах, на которых представляют:

- фиг.1: разрез датчика давления согласно изобретению;

- фиг.2а-с: схематичные виды различных вариантов развязывающего элемента датчика давления согласно изобретению;

- фиг.3а-с: данные метода конечных элементов для деформации месдозы при осевом зажатии.

Изображенный на фиг.1 датчик давления включает в себя месдозу 6, содержащую основание и измерительную мембрану из корунда, закрепленную на передней торцевой поверхности основания активным тугоплавким припоем. Опорное кольцо 2 из корунда, наружный диаметр которого равен диаметру Ф₁ основания, закреплено на его задней торцевой поверхности активным тугоплавким припоем. Месдоза 6 и опорное кольцо 2 расположены в корпусе из высококачественной стали, содержащем цилиндрическую камеру 1 для месдозы и присоединительный фланец 7, расположенный на торцевом отверстии камеры 1. Присоединительный фланец 7 проходит радиально внутрь от цилиндрической стенки камеры 1 и образует упорную осевую поверхность, в которой выполнена кольцевая канавка 71 для размещения упругого уплотнительного кольца 8. Месдоза 6 аксиально прижата к уплотнительному кольцу 8 торцевой поверхностью со стороны мембраны.

Зажимное усилие определяется сжатием уплотнительного кольца 8 и его упругими свойствами. Сжатие уплотнительного кольца устанавливают при монтаже датчика давления через положение резьбового кольца 5, которое задней стороной через развязывающий элемент, здесь развязывающую пластину 4, действует на опорное кольцо 2. Упругие свойства уплотнительного кольца 8 изменяются за счет его старения или термостатирования при сжатии. У описанного примера выполнения начальное зажимное усилие составляет 500 Н. После термостатирования уплотнительного кольца, которое может осуществляться при работе, например, посредством очистительных циклов датчика водяным паром, зажимное усилие уменьшается до 400 Н.

Примеры зажимных элементов подробно показаны на фиг.2а-с.

На фиг.2а в качестве развязывающего элемента использовано развязывающее кольцо 41, которое имеет те же габариты, что и опорное кольцо 2. Между развязывающим 41 и опорным 2 кольцами расположен тефлоновый слой. Температурный гистерезис натяжения был уменьшен за счет использования опорного кольца 2 с 0,15 до примерно 0,01%.

На фиг.2b и 2 с показан вариант, у которого развязывающий элемент выполнен в виде развязывающей пластины. На фиг.2b развязывающая пластина 42 выполнена за одно целое с опорным кольцом 2. На фиг.2 с развязывающая пластина 4 свободно прилегает к опорному кольцу. В отношении уменьшения погрешности натяжения и температурного гистерезиса погрешности натяжения вид соединения 43 развязывающей пластины с опорным кольцом не играет роли, т.е. гистерезис может быть значительно уменьшен за счет выполненных за одно целое с опорным кольцом развязывающих пластин, свободно прилегающих развязывающих пластин или, например, развязывающих пластин, прочно соединенных с опорным кольцом посредством тугоплавкого припоя.

С толщиной развязывающей пластины, составляющей одну десятую толщины опорного кольца, температурный гистерезис натяжения был уменьшен с 0,15 до 0,03%. С развязывающей пластиной такой же толщины, что и опорное кольцо, температурный гистерезис натяжения был уменьшен до 0,01%. Погрешность натяжения вследствие изменения осевых зажимных усилий на 20% составила при этом 0,02%.

Идентификация оптимального внутреннего диаметра опорного кольца поясняется ниже для одного примера выполнения. Заданные габариты: диаметр основания Ф₁=32,4 мм, толщина основания D₁=5 мм, толщина мембраны 160 мкм, толщина слоя активного припоя 55 мкм.

Методом конечных элементов сначала определяли деформацию месдозы для различных внутренних диаметров опорного кольца при осевых зажимных усилиях 500 и 400 Н, а вытекающее из этого натяжение при нагружении номинальным давлением (170 мбар для использовавшейся месдозы) вычисляли также методом конечных элементов. Погрешность натяжения возникает за счет сравнения натяжений при зажимных усилиях 500 и 400 Н. Для сокращения времени расчета опорное кольцо принимали сначала как небесконечно жесткое, т.е. деформации опорного кольца и развязывающей пластины при этом сначала не учитывались.

На фиг.3а-с изображен вектор деформации месдозы вследствие осевого зажимного усилия для фрагмента вокруг внутренней кромки места соединения между основанием и измерительной мембраной для различных внутренних диаметров Ф₂ опорного кольца.

На фиг.3а внутренний диаметр составляет 23,2 мм. Это значение почти идеальное. Изображенное векторное поле при зажимном усилии 500 Н почти не показывает в зоне места соединения мембраны радиальное смещение, которое могло бы изменить жесткость мембраны. Изменение натяжения по сравнению с незажатой месдозой составляет около -0,01%. При зажимном усилии 400 Н изменение натяжения уменьшается примерно до -0,008%. Погрешность натяжения составляет тем самым +0,002%.

На фиг.3b внутренний диаметр составляет 10,0 мм. Этот внутренний диаметр слишком маленький. Изображенное векторное поле при зажимном усилии 500 Н показывает направленное радиально наружу смещение, которое повышает жесткость мембраны. Натяжение, следовательно, уменьшается. Изменение натяжения по сравнению с незажатой месдозой составляет около -0,1%. При зажимном усилии 400 Н изменение натяжения уменьшается примерно до -0,08%. Погрешность натяжения составляет тем самым +0,02%.

На фиг.3 с внутренний диаметр составляет 27,8 мм. Этот внутренний диаметр слишком большой. Изображенное векторное поле при зажимном усилии 500 Н показывает направленное радиально внутрь смещение, которое уменьшает жесткость мембраны. Натяжение, следовательно, возрастает. Изменение натяжения по сравнению с незажатой месдозой составляет около +0,8%. При зажимном усилии 400 Н изменение натяжения уменьшается примерно до +0,64%. Погрешность натяжения составляет тем самым -0,16%.

Таким образом, для данных габаритах месдозы найден внутренний диаметр опорного кольца, который в значительной степени устраняет радиальную деформацию месдозы вследствие осевых зажимных усилий. При практическом применении опорное кольцо имеет преимущественно толщину, которая не меньше толщины месдозы, с тем чтобы предложение достаточно жесткой осевой опоры отвечало требованиям.

Методом конечных элементов с помощью предварительно полученных данных опорного кольца в качестве отправной точки определялась деформация всех компонентов датчика давления для осевых зажимных усилий 500 и 400 Н. При этом для развязывающей пластины и опорного кольца предполагался тот же модуль упругости, что и для основания и мембраны месдозы, а именно модуль упругости корунда. Для корпуса применялась нержавеющая сталь марки VA, а для зажимного кольца - латунь. Вытекающее из деформации натяжение при нагружении номинальным давлением вычислялось также методом конечных элементов. Погрешность натяжения возникала, как и прежде, за счет сравнения натяжений при зажимных усилиях 500 и 400 Н. Была получена погрешность натяжения менее 0,02%.

Методом конечных элементов определялась также деформация компонентов во время температурного цикла (комнатная температура ≥ -40°С ≥ 150°С ≥ комнатная температура) для определения температурного гистерезиса натяжения. За счет изменения толщины развязывающей пластины удалось идентифицировать геометрию, при которой температурный гистерезис натяжения лежит ниже желаемого предельного значения 0,03%. За счет дальнейших итераций с изменениями геометрии опорного кольца и толщины до приемлемого значения следует ожидать дальнейшего улучшения.

1. Датчик давления, содержащий месдозу в основном, с цилиндрическим основанием первого диаметра и первой толщины, закрепленную на одной торцевой поверхности основания измерительную мембрану второго диаметра и второй толщины; упругое уплотнительное кольцо третьего диаметра и третьей толщины; опорное кольцо четвертого наружного диаметра, четвертого внутреннего диаметра и четвертой толщины, причем опорное кольцо прочно соединено с обращенной от измерительной мембраны торцевой стороной месдозы; зажимное кольцо с первыми средствами зацепления и корпус для размещения месдозы, причем корпус имеет упорную осевую поверхность для уплотнительного кольца и вторые средства зацепления, которые входят в первые средства зацепления, причем месдоза посредством зажимного кольца аксиально зажата между упругим уплотнительным кольцом, которое расположено между упорной осевой поверхностью корпуса и торцевой стороной месдозы со стороны мембраны, и опорным кольцом, отличающийся тем, что между зажимным и опорным кольцами расположен жесткий развязывающий элемент и габариты опорного кольца и развязывающего элемента согласованы с габаритами уплотнительного кольца и месдозы, причем, что обусловленная осевым зажатием месдозы радиальная деформация торцевой поверхности со стороны мембраны мала, при этом погрешность натяжения датчика давления вследствие уменьшения осевого зажимного усилия, по меньшей мере, на 10% составляет не более чем примерно 0,02%, а температурный гистерезис натяжения - не более чем примерно 0,03%.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр опорного кольца выбран так, что погрешность натяжения при уменьшении зажимного усилия, по меньшей мере, на 20% составляет не более чем примерно 0,02%.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр опорного кольца выбран так, что погрешность натяжения при уменьшении зажимного усилия, по меньшей мере, на 10% или, по меньшей мере, на 20% составляет не более чем примерно 0,01%.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что температурный гистерезис натяжения составляет не более 0,02% и, в частности, предпочтительно не более 0,01%.

5. Датчик по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что основание и измерительная мембрана состоят из одного и того же материала, в частности керамического материала.

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что опорное кольцо и/или развязывающий элемент состоят из того же материала, что и основание.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что опорное кольцо имеет, по меньшей мере, толщину основания.

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что развязывающий элемент содержит развязывающую пластину.

9. Датчик по п.8, отличающийся тем, что развязывающая пластина имеет диаметр, равный наружному диаметру опорного кольца.

10. Датчик по п.8 или 9, отличающийся тем, что развязывающая пластина соединена с опорным кольцом непрочно.

11. Датчик по п.1, отличающийся тем, что развязывающий элемент содержит развязывающее кольцо.

12. Датчик по п.11, отличающийся тем, что развязывающее кольцо имеет приблизительно те же габариты, что и опорное кольцо.

13. Датчик по одному из п.11 или 12, отличающийся тем, что между опорным и развязывающим кольцами предусмотрены средства для снижения трения.

14. Датчик по п.11, отличающийся тем, что коэффициент трения сцепления между опорным и развязывающим кольцами составляет менее 0,2.

15. Способ итеративной оптимизации габаритов опорного кольца и развязывающего элемента для датчика давления по одному из предыдущих пунктов, включающий в себя следующие этапы:

(i) установление геометрической формы опорного кольца и развязывающего

элемента;

(ii) расчет первого изменения натяжения датчика давления под первым осевым зажимным усилием;

(iii) расчет второго изменения натяжения датчика давления под вторым осевым зажимным усилием;

(iv) определение погрешности натяжения за счет сравнения первого и второго изменений натяжения;

(v) оценка погрешности натяжения;

(vi) определение и оценка температурного гистерезиса натяжения, при необходимости с условием, что погрешность натяжения достаточно мала;

(vii) изменение геометрической формы опорного кольца и, при необходимости, развязывающего элемента и повторение этапов (ii)-(vii) до тех пор, пока не будет найдена подходящая геометрическая форма для достаточно малой погрешности натяжения и достаточно малого температурного гистерезиса натяжения.