Емкостный датчик давления

 

Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован для измерения давления в различных областях народного хозяйства. Цель изобретения - создание возможности измерения избыточного давления и отношений давлений. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем основной упругий элемент 1 в виде мембраны,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 1 9/12

ГОСУДАРСТВЕН-ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

16 1 5 9Я 8 118 ll

13

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4916463/10 (22) 04.03.91 (46) 23.02.93, Бюл. М 7 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.М, Белозубов (56) Патент США М 4562742, кл. G 01 1 9/12, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N 1702197, кл. G 01 L 9/12, 1989, „„!Ж„„1796932 А1 (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован для измерения давления в различных областях народного хозяйства. Цель изобретения — создание возможности измерения избыточного давления и отношений давлений. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем основной упругий элемент 1 в виде мембраны, 1796932

3 выполненной за одно целое с опорным основанием 2, центральный 3 и периферийный 4 электроды, дополнительный упругий элемент 5 в аиде мембраны с жестким центром 6 и опорным основанием 7 и с ответными электродами 8 и 9, и выводные проводники

10, в соответствии с изобретением периферийный электрод 9 упругого дополнительного элемента размещена его мембрана, с противоположной сторонй на мембране в области размещения периферийного электрода выполнено кольцевое утолщение 11, а жесткий центр 6 дополнительного упругого элемента жестко соединен с опорным основанием 7 через введенное кольцо 12 со сквозными отверстиями 13, выполненными напротив мембраны дополнительного упругого элемента, причем размеры электродов связаны определенным математическим соотношением. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике в частности к емкостным датчи-! кам давления предназначенным для использования в различных областях науки, техники и народногО хозяйства.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогнутую мембрану и плоскую металлическую пластину, На мембране установлены два кольцеобразных электрода; первый является измерительным, второй— эталонным, Эталонная пластина, обращенная в сторону прогнутой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части йространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между ними, не.препятствуя прогибу мембраны. Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик. Недостатком известного устройства является невозможность измерения избыточного давления и разности давле- ний в связи с необходимостью в этом случае . контактирования окружающей среды или второго измеряемого давления с электродами конденсаторов и дестабилизирующего вли-. яния характеристик окружающей среды на диэлектрические характеристики межзлектродных зазоров..

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, электроды, размещенные в центральной части мембраны и на опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный по периферии с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны с

5 жестким центром и опорным основанием, и с ответными электродами, и выводные проводники, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Недостатком известной конструкции является невозмож10 ность измерения избыточного давления и разности давлений в связи с необходимостью в этом случае непосредственного контактирования окружающей среды или второго измеряемого давления с электрода15 ми конденсаторов и дестабилизирующего влияния характеристик окружающей среды на диэлектрические зазоры, Изобретение направлено на создание возможности измерения избыточного дав20 ления в отношения давлений.

Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем основной упругий элемент в виде мембраны, выполненной за одно целое с опорным ос25 нованием, центральные и периферийные электроды, размещенные соответственно в . центральной части основного упругого элемента и на опорном основании, расположенный с зазором и герметично соеди30 ненный по периферии с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и опорным основанием и с ответными электродами и выводные проводники, частично

35 расположенные в межэлектродном зазоре, периферийный электрод дополнительного упругого элемента размещен на его мембране, с противоположной стороны на мембране в области размещения периферийного

40 электрода выполнено кольцевое утолщение, а жесткий центр дополнительного упругого элемента жестко соединен с опорным основанием дополнительного упругого основания при помощи кольца со сквозными

45 отверстиями выполненными напротив мем1796932

20

30 е к (Вг — В1 )

Со

С, e zc Ви .d

Rè = К(г R1 ).

50 браны дополнительного упругого элемента, причем размеры элементов конструкции связаны соотношением где Ии — радиус центрального электрода размещенного в центральной части основного или дополнительного упругого элемента;

R< — внутренний радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента;

Rz — наружный радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента;

К вЂ” коэффициент пропорциональности.

Размещение периферийного электрода дополнительного упругого элемента на его мембране обеспечивает зависимость емкости опорного конденсатора от атмосферного или второго измерительного давления.

Выполнение кольцевого утолщения в области размещения периферийного электрода, необходимо для плоскопараллельного перемещения периферийного электрода дополнительного упругого элемента относительно периферийного электрода основного упругого элемента. В случае невыполнения кольцевого утолщения в области размещения периферийного электрода дополнительного упругого элемента будет наблюдаться дополнительная нелинейность зависимости емкости опорного конденсатора от величины атмосферного давления или второго измеряемого давления, что приведет к неточности измерения отношений давлений, Жесткий центр дополнительного упругого элемента жестко соединен с опорным основанием дополнительного упругого элемента для обеспечения независимости емкости измерительного конденсатора от атмосферного давления или второго измеряемого давления. В случае отсутствия жесткой связи жесткого центра дополнительного упругого элемента с опорным основанием будет невозможно измерение избыточного или отнощения давлений вследствие синфазности зависимости емкости измерительного и опорного конденсаторов от атмосферного или второго измеряемого давления. Соединение жесткого центра дополнительного упругого элемента проводится при помощи кольца, т.к, оно позволяет обеспечить максимальную жесткость соединения вследствие разгрузки сварных швов, Сварные швы работают на срез, а не на отрыв в случае применения, например, диска. Кольцевое выполнение сварных швов позволяет также обеспечить равномерное распределение усилий по длине сварных швов в отличие, например, от прямоугольной или еще какойлибо не кольцевой. Сквозные отверстия, выполненные в кольце напротив мембраны дополнительного упругого элемента обес5 печивает воздействие атмосферного давления или второго измеряемого давления на мембрану дополнительного упругого элемента, а следовательно, и возможность измерения избыточного давления или перепада давлений. Соотношения между элементами конструкции обеспечиваются следующим образом. Для формирования выходного сигнала, зависящего от отношений ейкостей, необходимо, чтобы началь5 ные значения емкостей соотносились в определенных пределах, т,е, Учитывая, что емкость измерительного конденсатора равна: где е — диэлектрическая проницаемость межэлектродного зазора;

d — величина межэлектродного зазора, Емкость опорного конденсатора равна;

Подставив значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов получим

Проведя необходимые преобразования, получим

На чертеже изображен предлагаемый емкостный датчик давления. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами упру их элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит основной упругий элемент в виде мембраны

1, выполненной за одно целое с опорным основанием 2, электроды 3 и 4, размещенные s центральной части основного упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично со7

1796932 единенный по периферии с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны 5 с жестким центром 6 и опорным основанием 7 и с ответными электродами 8 и 9 и выводные проводники 10, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Периферийный электрод 9 дополнительного упругого элемента размещен на его мембране, и области размещения периферийного электрода выполнено кольцевое утолщение. Жесткий центр 6дополнительного упругого элемента жестко соединен, например, при помощи сварки с опорным основанием дополнительного упругого элемента при помощи кольца 12 со сквозными отверстиями 13, выполненными напротив мембраны дополнительного упругого элемента. Для изоляции электродов на,планарных поверхностях упругих электродов расположена диэлектрическая пленка 14 из композиции окислов алюминия и кремния, Герметичное соединение дополнительного упругого элемента с основными осуществляется через гермопереходник 15 и вспомогательную крышку 16.

Основные и дополнительные упругие элементы выполнены из сплава 29Н26КХБТЮ, гермопереходник и крышка — из сплава

29Н К.

При Rz = 5 мм R> = 4,5 мм

К=1,1 Ro = 2,28 мм

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана основного упругого элемента, а следовательно, и era жесткий центр с электродом, размещенным в центральной части основного упругого элемента прогибается в сторону дополнительного упругого элемента. Вследствие этого емкость измерительного конденсатора, образованного электродами, размещенными в центральной части основного и дополнительного упругого элемента, увеличивается. Емкость опорного конденсатора, образованного электродами, размещенными по периферии основного и дополнительного конденсатора, не зависит от величины измеряемого давления вследствие существенно большей жесткости опорного основания, по сравнению с жесткостью мембраны основного упругого элемента, Атмосферное давление (в случае измерения избыточного давления) или второе измеряемое давление (в случае измерения отношений давлений) воздействует на дополнительный упругий элемент. Вследствие жесткой связи жесткого центра дополнительного упругого элемента с его опорным основанием жесткий центр не перемещается в сторону основного упругого элемента, В связи с размеще10 ется. В случае уменьшения величины атмосферного давления (в случае измерения

20

Со, Овых = K -у, -х

35 нием периферийного электрода дополнительного упругого элемента на его мембране и выполнения в области размещения периферийного электрода кольцевого утолщения, периферийный электрод дополнительного упругого элемента перемещается в сторону периферийного электрода основного упругого элемента. Вследствие этого емкость опорного конденсатора увеличиваизбыточного давления) или второго измеряемого давления (в случае измерения отношения давлений) периферийный электроддополнительного упругого элемента удаляется от периферийного электрода основного упругого элемента, вследствие чего емкость опорного конденсатора уменьшается, Таким образом, емкость опорного конденсатора однозначно отражает величину атмосферного или второго измерительного давления, Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов через выводные проводники передаются на нормирующее устройство(на фиг, 1 не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения измерительной и опорной емкостей, а, следовательно, и от отношения измеряемого и атмосферного давления (т,к, величины емкостей пропорциональны соответствующим давлениям) или от отношения первого измеряемого и второго измеряемого давлений, Обработка значений емкостей может проводиться и по другому алгоритму, например, в виде где С0 — емкость опорного конденсатора;

Cx — емкость измерительного конденсатора, Преимуществом заявляемого решения по сравнению с прототипом является возможность измерения избыточного давления или отношения давлений за счет модуляции величины межэлектродного зазора периферийных электродов основного и дополнительного упругого элемента атмосферным давлением или вторым измеряемым давлением, Преимуществом заявляемого решения является также то, что модуляция проводится от межэлектродного зазора равного по величине межэлектродному зазору измерительного конденсатора, что позволяет повысить точность измерения избыточного давления или отношения давлений.

Кроме того, преимуществом конструкции является также то, что измерение избыточ1796932 ного давления и отношения давлений достигается без применения различных штоковых систем. вносящих дополнительные погрешности особенно при воздействии температуры. Преимуществом заявляемой мещения периферийного электрода выполнено кольцевое утолщение, а жесткий центр дополнительного упругого элемента жестко соедийвн с опорным основанием через введенное кольцо со сквозными отверстиями, выполненными напротив мембраны дополнительного упругого элемента, причем размеры электродов связаны соотношением

Ви = K(R2 — R1 ), где Rv — радиус центрального электрода, размещенного в центральной части основного или дополнительного упругого элемента;

R > — внутренний радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента;

Rz — наружный радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента;

К вЂ” коэффициент пропорциональности.

Составитель В. Волков

Техред M.Mîpãåíòàë

Редактор Т. Шагова

Корректор С.Шекмар

Заказ 645 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35,. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мем. браны, выполненной за одно целое с опорным основанием, центральный и периферийный электроды, размещенные соответственно в центральной части основного упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный по периферии с основным упругим элементам дополнител ьн ый уп ругий элемент-в виде мембраны с жестким центром и опорным основанием и с ответными электродами, и выводные проводники, частично расположенные в межэлектродном зазоре, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью создания возможности измерения избыточного давления и отношения давлений, в нем периферийный электрод дополнительного упругого элемента размещен на его мембране, с противоположной стороны на мембране в области разконструкции является также то, что измерение избыточного давления и отношения давлений может осуществляться беэ введения дополнительных измерительных це5 пей,