Дифференциальный емкостный датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 765733 А 5115 0 01ЕТНИЯ й 1: ГОСУДАРСТВЕЙЙЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ(56) Авторское свидетельство СССРг 1. 1045024, кл, О 01 1 9/12, 1983," Авторское свидетельство СССРМ 1150500, кл. О 01 Ь 9/12, 1985,Патент СШАМ. 3618390, кл. 0 019/12, 1971, ".(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ 257) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дифференциальным емкостным датчикам давления. Целью изобретения является повышение чувствительности, В корпусе 1 размещены две мембраны 5 и 6, между которыми на стерж-не 7 закреплены пластины 8, образующие одйн электрод конденсатора, Второй электрод образуют пластины 9, жестко закрепленные на корпусе и размещенные между пластинами 8 со смещением от среднего положения на 1/4 расстояния между плаСтинами. При создании перепада давлений на мембранах 5 и 6 изменяется первоначальнаяемкость кондейСатора; по которой и судят об измеряемом перейаде давлений, 1 ил,Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дифференциальным датчикам давления, и может бытьиспользовано в расходомерах для определения расхода воды и газа в городском коммунальном хозяйстве, в гидротехнике имелиорации.В известных емкостных датчиках давления обычно в качестве преобразователя перемещения мембраны в электрический 10сигнал используется конденсатор, емкостькоторого изменяется пропорциональноприложенному к мембране давлению. Так,например, известен емкостный датчик давления, содержащий изолированные друг от 15друга чувствительную к давлению мембрану, жестко закрепленную по периферии, иэлектрод, выполненный в виде диска, прилегающего к мембране со стороны, противололожной избыточному давлению, и скрепленного 20с ней в центральной точке ее поверхности.Недостатком этой конструкции емкостного датчика является его малая чувствительность к изменению давления,Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является емкостный датчик давления;содержащий два подвижных электрода,между которыми с зазором расположен неподвижный электрод, причем подвижные 30электроды выполнены в виде плоских упругих мембран, которые по контуру скрепленымежду собой, а неподвижный электрод выполнен в виде диска, установленного междумембранами и снабженного изоляционными шайбами, снаружи каждой мембраны установлена жесткая перфорированнаяпластина (авт.св. СССР М 1150500,кл, 0 01 9/12, 1985),Однако и эта конструкция имеет ряд 40недостатков, основной из которых - малая.чувствительность, ограниченная площадьюэлектродов.Действительно, величина емкости плоского конденсатора определяется формулой 50где Я - площадь поверхности пластины,ео - диэлектрическая проницаемостьвакуума;е - диэлектрическая проницаемостьсреды; 55б - расстояние между пластинами.Для увеличения емкости конденсатора(а значит, и чувствительности емкостногодатчика) необходимо увеличивать площадь пластин (мембран), Другой путь увеличения чувствительности-уменьшение расстояния между подвижной и неподвижной пластинами, однако последнее ведет к сужению диапазона измерений и технологическим трудностям.В случае дифференциального датчика обычно используются три электрода-пластины, образующие два конденсатора с одной общей обкладкой, В случае воздействия давления на такой преобразователь емкость одного из конденсаторов увеличивается, а второго - уменьшается, что вызывает соответствующую реакцию измерительной схемы. При изменении направления давления конденсаторы как бы меняются местами, Однако и в этом случае все недостатки емкостного преобразователя остаются, кроме того, конструкция такого датчика существенно усложняется.Цель изобретения - повышение чувствительности емкостного дифференциального датчика давления, .Цель достигается тем, что в нем силопередающий элемент выполнен в виде стержня, соединяющего центры мембран, подвижный электрод выполнен в виде пер. вых электрических соединенных параллельных металлических пластин, закрепленных на стержне с равными зазорами относительно друг друга, а неподвижный электрод выполнен в виде вторых электрически соединенных параллельных металлических пластин, размещенных несимметрично в зазорах между первыми пластинами и закрепленных в корпусе, причем меньшее расстояние между каждой первой и соответствующей ей второй пластиной равно четверти зазора между первыми пластинами.На чертеже представлена принципиальная схема датчика, который состоит из корпуса 1 с камерами 2 и 3 давления, отделенными от полости 4 емкостного преобразователя мембранами 5 и 6, к центрам которых жестко подсоединена подвижная часть, состоящая из стержня 7 и прикрепленных к нему с определенным шагом плоских металлических пластин 8, в зазорах между которыми расположены плоские металлические пластины 9 неподвижной части, которые крепятся к стержню 10, Последний через изоляторы 11 жестко крепится к корпусу 1, Выводы от неподвижной и подвижной частей через гермовводы подсоединены к мосту переменного тока, состоящему из трансформатора 12, конденсатора 13 переменной емкости, измерительная диагональ которого подключена к фазочувствительному измерителю 14, а диагональ питания - к генератору 15 переменного тока, В полость 4, где размещен емкостный преобразователь, залита кремнийорганическая жидкость, Для первоначальной тарировки и выставки пластин 8 и 9 Относительно друг друга в состав датчикавключены два устройства выставки, состоящиейз цйлийдрическйх"йружин 16, винтов 17, стопорных гаек 18 и кронштейнов 19.Датчик работает следующим образом. Вследствие того, что подвижная и неподвижная части емкостного преобразователя состоят из и чиСла пластин 8 и 9, расположенныхдруг против друга, то и ем- кость конденсатора, образованного этими пластинами, увеличится в п раз, а при перемещении их относительно друг друга вследствие разности давлений Р 1 и Р 2 на мембраны 5 и 6 общее изменение емкости увеличится в и раз, что и приведет к увеличению чувствительности в п раз,Однако, если каждая подвижная пластина 8 будет располагаться симметрично относительно двух соседних неподвижных пластин 9 при отсутствии разности давлений (в начальном положении), то в случае перемещения подвижной части при появлении разности давлений в ту или иную сторону от точки симметрии общая емкость этой ситемы будет увеличиваться в любом случае и разбаланс моста будет происходить в одну сторону, что создаст неопределенность в показаниях фазочувствительного измерителя 14. Он покажет амплитуду воздействия, но не определит знак разности давлений. Если же каждая подвижная пластина будет располагаться несимметрично в зазоре относительно неподвижных пластин, а именно на 1/4 зазора от одной неподвижной и на 3/4 зазора от другой из пластин, то при действии разности давлений и соответственном перемещении подвижных пластин в одну сторону общая емкость преобразователя увеличится, а при движении в другую - уменьшится относительно значения, которые она имела при первоначальном расположении подвижных пластин и относительно конденсатора 13, при помощи которого устанавливается баланс моста в начальном положении. В этом случае фазочувствительный измеритель определит не только величину разности давлений, но и ее знак. Для того, чтобы мембраны 5 и 6 не деформировались от абсолютных давлений, полооть 4 между ними заполняется кремнийорганической непроводящей жидкостью, ко 1 орая; кром"е того, выполняет функцию демпфирующей, что важно для сглаживания"импульсных йомех."," "Начальная тарировка датчика и выставка подвижных пластин относительйойепод неподвижный электрод выполнен в виде вторых электрически соединенных парал 55 лельныхметаллическйх пластин, размещенных в зазорах между первыми пластинами и закрепленйых в корпусе, причем меньшеерасстояние Между каждой первой и соответствующей ей второй пластиной равно четверти зазора между первыми пластинами. 5 10152025 30 35404550 вижных производится устройствами выставки (15-19). Вращая гайки 18 в ту или иную сторону, изменяют натяг пружин 16 таким образом, чтобы подвижные пластины заняли требуемое положение относительно неподвижйых. В предлагаемой конструкции жесткость измерительных мембран 5 и 6 дополняется жесткостью пружин 16 и может изменяться плавно натягом этих пружин с помощью винтов 17, чем обеспечивается укладка шкалы датчика в заданный диапазон давлений. Ступенчатое изменение диапазонов"йзмерейий может осуществляться сменой пружин с заданной жесткостью, что легко осуществляется без нарушения герметичНостиполостиемкостного преобразователя.Использование предлагаемого датчикадавления в расходомерах воды и газа и других устройствах, функционирующих на принципах измерения разности давлений, позволит создать простые и надежные устройства с высокой чувствительностью и широким диапазоном измерений.Как показали испытания экспериментального образца, его выходной сигнал простирался от 0,5 мВ до 3 В при питании измерительной части моста переменным током с напряжением 5 В, С ростом напряжения и частоты питающего тока крутизна измерительной характеристики датчика пропорционально увеличится, Легкость тарировки и смены диапазонов измерения позволит использовать один и тот же базовый датчик давления в широком ряду измерительных устройств, что экономически выгодно, так как позволит отказаться от ряда специализированных датчиков,Формула изобретенияДифференциальный емкостный датчик давления, содержащий корпус, две мембраны, размещенные в межмембранной полости силопередающий элемент и подвижный и неподвижный электроды, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем силопередающий элемент выполнен в виде стержня, соединяющего центры мембран, подвижный электрод выполнен в виде первых электрически соединенных параллельных металлическихпластин, закрепленных на стержне, с равными зазорами относительно друг друга, а17657332Составитель И.Шушпанов Редактор Т.Лошкарева Техред М,Моргентал Корректор А.Ворович Заказ 3381 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101