Датчик перепада давлений с силовой элекгросгатичсской компенсацией

Конструкции и принцип работы датчика

На рис. 5.2.1.1 в качестве еще одного примера устройства, в каюром ЭП активирует (перемещает) мембрану показан дифференциальный датчик перепада давлений. Принцип его работы основан на изменении положения мембраны под действием перепада пневматических давлений и, как следствие, изменении значений емкостей, образуемых мембраной с электродами, между которыми она находится. Таким образом, мембрана играет роль одной из обкладок конденсатора. I Сказанная на рис. 5.2.1.1 конструкция предположительно позволяет фиксировать очень незначительные изменения давления (единицы Па) на фоне большого давления (например, десятки МПа).

Рис. 5.2.1.1. Емкостной датчик перепада давлений с силовой компенсацией, т — расстояние между центром мембраны и тянущим нрашвоалекгродом. у/ - расстояние между мембраной и тянущим противоэлектродом на расстоянии г от се центра, Ь — радиус мембраны, Ь/ внутренний радиус тянущего противоэлектрода, Ь: — внешний радиус тянущего противоэлектрода, /‘-текущая координата, отсчитываемая от центра мембраны, dr — приращение текущей координаты, 1 — стягивающие шпильки, 2- металлические полукольца, скрепляющие левую и правую половины датчика, а также осущссттяющие тальванический контакт е мембраной, 3- диэлектрические основания, 4- электроды (напыленный металлический слой). 5- герметизирущий материал, 6- пневматические вводы, 7- отверстия в пневматических вводах, 8- металлическая мембрана.

(алюминий). 9- диэлектрический слой (оксид алюминия).

Это достигается благодаря использованию пондеромоторных сил ЭП и применению принципа обратной связи: допустим, давления р/ и р2 примерно составляют 10 МПа, но pi меньше р; всего на 10 Па. Тогда под действием разности давлений статически почти не напряженная (вялая) мембрана начнет перемещаться вправо (рис. 5.2.1.1), что приведет к изменению емкости, образуемой мембраной 2 с правым электродом 4. Регистрируемое изменение емкости преобразуется специальным электронным устройством в электрическое напряжение, подаваемое на левый электрод 4. Возникающее в левой половине конструкции ЭП приведет к появлению пондеромоторных сил, смещающих мембрану влево до тех пор, пока емкость его правой половины примет исходное значение. Таким образом, мембрана будет оставаться, практически, неподвижной и в ней не будет возникать упругих сил. Это позволяет предположить, что данная конструкция будет обладать высокой надежностью, т.к. изменение параметров мембраны не должно существенно сказываться на ее работе. Об измеряемой разности давлений можно судить по величине созданного ЭП, т. е. по показаниям вольтметра.

Расчет пондеромоторного давления, компенсирующего разность пневматических давлений pi и р", для показанной на рис. 5.2.1.1 конструкции приводит к выражению.

где Л = ?_}d₂ + ?₂Уо > ?]- относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (?,=1), е₀- электрическая постоянная гг, — диэлектрическая проницаемость слоя оксида алюминия на поверхности мембраны, U — электрическое напряжение, прикладываемое к левой части структуры, показанной на рис. 5.2.1.1 Расчеты показывают, что при разумных размерах конструкции возникающее пондеромоторное давление составляет единицы — тысячи Па при напряжениях единицы — сотни Вольт. Это позволяет на основе использования ЭП управлять смещением мембраны, а фактически, поддерживать ее в рассматриваемой конструкции в недеформированном состоянии.

На рис. 5.2.1.2 показана более компактная конструкция разработанного датчика. Ее преимуществом по сравнению с конструкцией, рассмотренной выше.

является то, что пневматические вводы (штуцера 7) соединены с корпусом, заземлены и нет необходимости при подаче пневматического давления принимать меры по их 1дльванической развязке. Кроме того, паразитная емкость такой конструкции меньше.

Рис. 5.2.1 .^Датчик электростатический. 1 — корпус (металл), 2 — прокладки — кольца (вакуум ретина), 3 — изолирующая шайба (оргстекло). 4 — гайка, 5 — электрод (металл), 6 — изолятор электрода от корпуса

(оргстекло), 7 — штуцер, 8 — мембрана.

Внешний вид разработанного датчика в сборе показан на рис. 5.2.1.3, а его детали — на рис. 5.2.1.4.

Рис. 52.1.3. Внешний вид в сборе экспериментального образца датчика перепада давлений с силовой электростатической компенсацией. 1- две половины корпуса, 2- вингы для стягивания половин, между которыми находится мембрана, 3 — входные штуцера, 4- гайка для фиксации цротивоэлектрода (расстояние между противоэлектродом и мембраной выставляется путем подбора подгоночных прокладок между внутренней стороной корпуса и противоэлектродом), 5- диэлектрическая фигурная.

шайба для изоляции противоэлектрода.

Рис. 5.2.1.4. Детали дапшка перепада давлений. 1 — отверстия иод вит ы для сшивания двух по. товин датчика (между половинами находится слабо натянутая мембрана), 2 входы для воздуха в каждую из половин, 3 — противоэлекгроды (плоскость противоэлекгродов отделена от плоскости мембраны зазором в несколько десятков микрометров), 4- диэлектрик (оргстекло), изолирующий противоэлекгроды от внешнего корпуса, 5 — один из двух входных штуцеров.

Для экспериментального определения чувствительности датчика к перепаду давлений использовалась схема, показанная на рис. 5.2.1.5.

Рис. 5.2.1.5. 1 — шприц; 2- шкала; 3- теплоизолированный стеклянный баллон объемом V> = 10 л;

4 — тянущий противоэлектрод датчика; 5 — канал выхода в атмосферу; 6 — измерительный противоэлекгрод датчика; 7 — статически почта ненапряженная («вялая») лавсановая

металлизированная мембрана (металлизация обращена в сторону измерительного электрода); Квходний канал; 9 — выходной штуцер баллона; 10 — входной штуцер баллона; РИП — регулируемый источник электрического питания, ИЁ — измеритель емкости.

Перед началом эксперимента следует измерить емкость правой половины датчика и запомнить ее. В процессе подсоединения шприца из-за высокой чувствительности датчика даже к небольшим изменениям давления это значение изменится и с помощью поршня шприца надо восстановить исходное значение емкости. Очевидно, в этом случае в обеих половинах датчика будет одинаковое давление, равное атмосферному.

Затем производилось контролируемое изменение объема газа, подключенного к левой половине датчика на величину AV, фиксируемую по шкале шприца. В баллоне (в адиабатическом приближении) и левой половине датчика возрастает давление на величину.

где у = 1,4- коэффициент Пуассона для воздуха, /V атмосферное давление. Деформированное положение мембраны показано пунктиром.

Происходящие изменения видны по возрастанию показаний измерителя емкости. О возникшем перепаде давлений судят по значению электрического напряжения, которое надо подать на правую половину датчика с тем, чтобы возникшее пондеромоторное давление скомпенсировало пневматическую разность давлений, указанную формулой (5.2.1.2). Момент компенсации фиксируют по значению емкости, которое должно приобрести исходное (запомненное) значение. Учитывая, что в этом случае левая половина датчика представляет собой плоский двухслойный конденсатор, с учетом (2.2.12), получим связь между измеряемым перепадом давлений и подаваемым электрическим напряжением U:

где б_г =3,3 и с!₂ =12мкм — диэлектрическая проницаемость и толщина лавсановой мембраны, Ь = 3,3с."/- ее радиус, а = 2,7с.и — радиус тянущего электрода, ?₀- элсктричсская постоянная, — диэлектрическая проницаемость газа в датчике.

Расчетные данные хорошо совпадают с экспериментальными. Некоторые результаты показаны на рис. 5.2.1.6. Отметим, что как следует из расчетов и экспериментов, наибольшую чувствительность разработанный датчик имеет как раз при малых значениях АР, что особенно ценно.

Для наибольшей чувствительности датчика его мембрана должна быть по возможности слабо натянута, но ее натяжение должно быть отлично от нуля — в противном случае мембрана не будет возвращаться в положение равновесия.

Рис. 5.2.1.6. Зависимость компенсирующего напряжения от перепада давлений для датчика с силовой электростатической компенсацией при различных толщинах рабочих зазоров.

Для контроля параметров разработанного датчика при отработке его конструкции использовался рассмотренный выше метод волы-фарадных характеристик. Поскольку данный метод уже был подробно рассмотрен на других примерах, ниже приведены только полученные для датчика результаты без подробных комментариев.