Емкостный датчик давления

 

мкостный датчик давления относится к изм рительной технике и может быть использован в различных областях науки и яки для измерения давления жидких и бразныхсред. Целы повышение чувсттехн газо вите ьности, помехоустойчивости и точноизмерений. Сущность изобретения: :тный датчик давления содержит корсти емко пус 1, упругий элемент 1 в виде мембраны 2, вь полненной за одно целое с опорным осно займем 3, подвижный электрод 4 измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод 5 эталонного конденсатора , размещенный на опорном основании 3, неподвижные электроды 6 и 7 измерительного и эталонного конденсаторов , расположенные на пластине 8. Отличительной особенностью датчика является то, что в нем мембрана 2 выполнена без жесткого центра, а поверхность пластины 8, на которой расположен неподвижный электрод 6 измерительного конденсатора, удовлетворяет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением , в 1,2-1,5 раза превышающим номинальное давление датчика. Даются математические выражения для формы электродов 4, 6 измерительного конденсатора , удовлетворение которых позволяет минимизировать нелинейность функции преобразования датчика. Положительный эффект: повышение чувствительности в 4 раза, уменьшение влияние паразитных емкостей на точность измерения на 30%. 1 ил. (Л С

СOK)3 COBF1CK11X социллисти fFcKMx

РFСПУГЛИК (я)с G 01 (9/12

ЮЕ ПЛТЕНТНОЕ

CCP ссР) АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 928618/10 (22) 8,04.91 (46) 7,02.93. Бюл. N 5 (71) аучно-исследовательский институт физич ских измерений (72) .В.Апакин (56) атент США ¹ 4562742, кл. G 01 L 9/12, 198 . вторское свидетельство СССР № 2 9786, кл. G 01 L 9/12, 1967. (54) МКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) мкостный датчик давления относится к изм рительной технике и может быть испол зован в различных областях науки и техн ки для измерения давления жидких и газо бразных сред. Цель: повышение чувст-: вите ьности, помехоустойчивости и точности змерений. Сущность изобретения: емк тный датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент 1 в виде мембраны

2, в полненной за одно целое с опорным осно анием 3, подвижный электрод 4 измерите ьного конденсатора, расположенный

„„, 5U„„1793286 А1 на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод 5 эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании 3, неподвижные электроды 6 и? измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине 8, Отличительной особенностью датчика является то, что в нем мембрана 2 выполнена без жесткого центра, а поверхность пластины 8, на которой расположен неподвижный электрод 6 измерительного конденсатора, удовлетворяет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением, в 1,2-1,5 раза превышающим номинальное давление датчика. Даются математические выражения для формы электродов 4, 6 измерительного конденсатора, удовлетворение которых позволяет минимизировать нелинейность функции преобразования датчика, Положительный эффект: h овы ш ение чувствительности в 4 раза, уменьшение влияние параэитных емкостей на точность измерения на 30 . 1 ил.

1793286 чительной массы пластины, присоединен-.. ной к центру мембраны. 20

30 на пластине, соединенной прокладками с упругим элементом по периферии в трех точках, а зазор между электродами выполнен с превы- 3 -1 шением максимального перемещения по-: движного электрода íà 10-20 7.

Недостатком известного емкостного датчика является малая чувствительность к давлению из-за большой цилиндрической 40 жесткости мембраны, имеющей жесткий центр. Другими недостатками известного емкостного датчика являются малая помехоустойчивость и большое влияние паразитных емкостей на точность измерения из-за 45 малых рабочих емкостей.

55

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением статико-динамических давлений жидких и газообразных сред, Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом нэ периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на периферии, зеркально-симметричным электроду упругого элемента..

Недостатком известной конструкции является большая динамическая погрешность при измерении быстропеременных давлений, связанная с низкой собственной частотой упругого элемента вследствие знаИзвестен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенного на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного кондЕйсаторов, расположенные

Изобретение направлено на увеличение чувствительности к давлению, помехоустойчивости и точности, Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем корпус, упругий элемент в виде мембраны, выполненной заодно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пласти5

15 не, соединенной с упругим элементом, мембрана выполнена без жесткого центра, поверхность пластины, на которой расположен неподвижный электрод измерительного конденсатора, удовлетворяет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением Рмакс, в 1,21,5 раза превышающим номинальное давление датчика . в=к,(1 — — ), г г где в — прогиб мембраны под действием давления в точке, удаленной на расстояние

r от центра мембраны;

R — радиус мембраны; и — прогиб в центре мембраны {г = О), Np 16Р кс R Е h (1 — и ), где,и — коэффициент Пуассона материала мембраны;

Š— модуль упругости материала мембраны; . h — толщина мембраны, а электроды измерительного конденсатора имеют такую форму, что их площадь определяется из выражения

4 6

На чертеже изображен датчик в разрезе, Соотношение между размерами межэлектродного зазора и толщинами диэлектрической пленки и электродов для наглядности изменены, Емкостный датчик давления содержит упругий элемент 1 в виде мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхностимембраны. Неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании. Зеркально-симметричные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8. Выводные проводники 9 соединены с контактными площадками электродов и контактами 10 расположенными в отверстиях корпуса 11, Упругий элемент и пластина выполнены из сплава 70НХБМЮ, Для электрической изоляции электродов используется пленки 12 из А1гОз-SiOz-SiO толщиной 3 мкм. Электроды и контактные площадки выполнены из пленки Mo-Ni толщиной 1,5 мкм. Выводные проводники выполнены из ленты 0,05-179НМ, Корпус и контакты выполнены из сплава 29НК. Контакты впаиваются в корпус глазурью СК-7. Зазор между электродами равен 50 мкм. Диаметр мембраны равен 8 мм.

1793286!

Емкостный датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану с внешней стороны. Под воздействием измеряемого давления подвижный э ектрод измерительного конденсатора, расположенный на мембране, перемещается в направлении к неподвижному электроду и мерительного конденсатора, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость опорного конденсаI то ра не зависит от измеряемого давления.

Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов передаются на выводные проводники и далее на нормирующее устройство (на чертеже не показано), котор е формирует выходной сигнал, зависящий от отношения емкости опорного конденсатора к емкости измерительного

t конденсатора, Таким образом, выходной си гнал зависит от измеряемого давления.

В предлагаемом емкостном датчике да вленйя отсутствует жесткий центр на м мбране. Это дает возможность увеличить чу ствительность к измеряемому давлению из-за увеличения прогиба мембраны. ПереI

I

I

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде мембра ны, выполненной за одно целое с опЬрным основанием, подвижный электрод из ерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцево неподвижный электрод эталоннОго конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерйтельного и эт лонного конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной с упругим элементом, отличающийся тем, что, с цеЛью повышения чувствительности, помехоустойчивости и точности измерений, мембр на выполнена без жесткого центра, поверхность пластины, на которой расположе неподвижный электрод измерительного онденсатора, удовлетворяет уравнению по ерхности упругой плоской мембраны, детормированнои давлением Рссссс, в 1,21,5 раза превышающим номинальное давление датчика: мещение центра мембраны беэ жесткого центра больше в 4 раза по сравнению с перемещением центра мембраны с жестким центром.

5 В предлагаемом емкостном датчике давления размер подвижного электрода измерительного конденсатора ограничивается только размерами мембраны. в то время как у известных датчиков размер подвижно10 го электрода измерительного конденсатора ограничивается жестким центром. Это позволяет увеличить площадь электродОв, а значит; и величину начальной емкости измерительного конденсатора не менее чем на

15 30%. Увеличение начальной емкости измерительного конденсатора позволит увеличить помехоустойчивость и уменьшить влияние паразитных емкостей на точность измерейия, 20 Таким образом, йреимуществами заявляемой конструкции емкостного датчика давления являются увеличение чувствительности к давлению в 4 раза, увеличение помехоустойчивости на 30 и уменьшение

25 влияния параэитных емкостей на точность измерения на 30 .

В =в, (1 — — )2, г2

R2 тде в — прогиб мембраны под действием

35 давления в точке, удаленной на расстояние

r от центра мембраны;

R — радиус мембраны; аь — прогиб в центре мембраны (r - О), 40 16 М = Рмакс Е и (1 / ); р — коэффициент Пуассона материала мембраны;

E — модуль упругости материала мембраны

45 h — толщ на мембраны а электроды измерительного конденсаторе имеют форму, удовлетворяющую зависимости их площади S. заключенной в круге ра. диусом г; от этого радиуса, согласно

50 г4 6