Емкостной датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 51)5 6 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Т В АВТОРСКОМУ С ой а- Р О С ф ъ,(21) 4827369/10(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(54) ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления сповышенной точностью в широком диапазоне температур и возможности одновременного измерения температуры.Поставленная цель достигается тем, что вемкостном датчике давления, содержащем корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3, опорным основанием 4, диск 5, закрепленный с зазором относительно мембраны, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, первая 7 из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая 8 - на опорном основании и периферии диска, Симметрично контактным площадкам размещены электрически соединенные с электродами дополнительные контактные площадки, а электроды выполнены из резистивного материала, характеристики которого удовлетворяют представленному соотношению, Зная с противления электродов первой и второ пар, можно определить и разность темпер тур этих электродов, т.е. можно вводить те модинамическую поправку, учитывающую нестационарность температуры измеряемой среды, 2 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано вдатчиках для измерения статического и динамического давлений в широком диапазоне температур,Известен емкостной датчик давления,содержащий прогибающуюся мембрану иплоскую эталонную пластину, На мембранеустановлены два кольцеобразных электрода; первый является чувствительным элементом, второй эталонным, Эталоннаяпластина, обращенная в сторону пригибаемой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненныйв форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостной датчик. Механическаяраспорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживаетпостоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны, Эталоннаяпластина закрывается крышкой, которая попериметру соединяется с мембраной. Накрышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразномуэлектроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостной датчик.Недостатком известного устройства является довольно значительная температурная погрешность вследствиенеидентичности изменения емкостей измерительного и эталонного конденсаторов оттемпературы,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции являетсяемкостной датчик давления, содержащийкорпус, размещенные в корпусе мембрану сжестким центром и опорным основанием изакрепленный над мембраной с зазоромдиск, причем на жестком центре мембранызакреплен круглый электрод измерительного конденсатора, а на периферийном осно вании мембраны концентрично кругломуэлектроду закреплен кольцевой электродэталонного конденсатора, при этом на диске закреплены ответные аналогичные электроды измерительного и эталонногоконденсатора, причем каждый электрод измерительного и эталонного конденсатораэлектрически соединен с соответствующейосновной контактной площадкой, расположенной соответственно на периферийномосновании мембраны и диска,Недостатком известной конструкции является повышенная температурная погрешность, что объясняется неодинаковой величиной изменения емкостей первой ивторой пары от температуры,Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности и расширение функ 5 циональных возможностей за счетвоэможности учета температуры электродов.Поставленная цель достигается тем, чтов емкостном датчике введены соединенные10 электрически с соответствующим электродом измерительного и эталонного конденсатора дополнительные контактныеплощадки, которые закреплены на периферийном основании и диске и расположены15 симметрично соответствующим основнымконтактным площадкам, причем электродывыполнены из резистивного материала, авеличина удельного поверхностного сопротивления электродов Яз выбрана из соотно 20 шенияпэ аэгде В - удельное поверхностное сопротивление контактных площадок;25 аэ, ак - температурный коэффициентсопротивления электродов и контактныхплощадок соответственно;пз, пк - количество квадратов в электродах и контактных площадках соотаетствен 30 но,На фиг.1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг,2 - топология электродов, размещенных на мембранеи опорном основании.35 Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов,контактных площадок и размерами другихэлементов конструкции для наглядности изменены, Топология электродов диска анало 40 гична топологии электродов мембраны иопорного вскевания и на фиг.2 не показана.Емкостный датчик давления содержиткорпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3и опорным основанием 4, диск 5, закреплен 45 ный с зазором на опорном основании, ипреобразователь деформаций в виде двухпар противолежащих электродов с контактными площадками б, первая из которых (7)расположена по центру мембраны и диска.50 Вторая пара электродов 8 образована электродами 9 и 10, расположенными на опорном основании, и электродами 11 и 12.расположенными на периферии диска.Симметрично контактным площадкам б55 размещены электрически соединенные сэлектродами дополнительные контактныеплощадки 13. Для осуществления возможности присоединения выводных проводников контактные площадки электродоввыполнены существенно более толстыми, по сравнению с толщиной электродов. Электроды выполнены из резистивного материала Х 27 К 50 ТМ (Вэ = 100 Ом/квадрат, пэ = 1 квадрат, аэ = 3,1 10 ОС), контактные площадки выполнены на основе композиции молибден-никель (Як = 0,1 Ом/квадрат, пк= = 6, а = 3,6 10 С. Заявляемое соотношение в этом случае выглядит следующим образом.- з100636 "0 0113110 - зЕмкостный датчик давления работает следующим, образом,Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика жесткий центр мембраны, а следовательно, и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод первой пары перемещается в направлении подвижного электрода, В результате этого межэлектродный зазор этой пары электродов уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается, Емкость второй пары электродов не зависит от измеряемого давления вследствие сравнительно массивного опорного основания. Сопротивление электродов от давления не зависит вследствие расположения электродов на жестком центре и опорном основании. Значения емкостей первой и второй пары электродов через их контактные площадки, выводные проводники 14 и гермоконтакты 15 передаются на нормирующее устройство (не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения емкостей второй и первой пары электродов, а следовательно, и от измеряемого давления. При воздействии на датчик реальной температуры эксплуатации емкости электродов первой и второй пары электродов меняются неодинаково.В силу этого появляется температурная погрешность. Сопротивление электродов изменяется в соответствии с их температурой, т.е. температуре электродов соответствует вполне определенное значение сопротивления электродов. Поэтому в предлагаемой конструкции можно учесть температурную погрешность так, как при воздействии реальной температуры эксплуатации сопротивление электродов одно. - значно связано с их температурой, т.е., зная сопротивление электродов, можно оценить их реальную температуру и минимизировать температурную погрешность. Причем, зная, сопротивления электродов первой и второй пары, можно определить и разность температур этих электродов, т.е. можно вводить термодинамическую поправку, учитывающую нестационарность температуры измеряемой среды,5 Дополнительные контактные площадки, электрически соединенные с электродами, необходимы для возможности измерения сопротивлений электродов. Выполнение электродов из резистивного мате риала позволяет значительно на два-трипорядка увеличить сопротивление электродов, по сравнению с традиционным выполнением электродов,когда их сопротивление не превышает десятых долей ома, что не 15 позволяет измерить с приемлемой точностью изменение сопротивлений электродов в реальных условиях эксплуатации. Обоснование предлагаемого соотношения проведем исходя из следующих соображений.20 Для определенности рассмотрим электрод7 (фиг.2), Сопротивление электрода, измеренное между контактными площадками 6 и 13, при нормальной температуре будет равно сумме сопротивлений, непосредственно 25 электрода и сопротивления контактных площадок, т,е.0 Эо + оПри некоторой температуре 1, отличающейся от нормальной30В = Вэс+ йк 1,где йм = Вэ, 1 + аэ (с - со); в, =к,1+ а (т-со),или, учитывая, что эо = зэ пэ,а ВЬ=й; пк 40 можно записать В, = йп, 1 + а, (т - Ь) В,= й, п(1+ а(с- то).Для того, чобы изменение сопротивления45 между контактными площадками наиболееточно отражало изменение температурыименно электрода, необходимо, чтобы изменение сопротивления между контактнымиплощадками в основном определялось из 50 менением сопротивления непосредственноэлектрода, а изменение сопротивления контактных площадок играло как можно меньшую роль, т.е. изменение сопротивленияэлектродов от температуры должно быть55 больше изменения сопротивления контактных площадок от температуры, Учитывая,что изменение сопротивления электродовот температуры равно:ЛВ=Кпэа,(т-Ь), 1739225а изменение сопротивления контактныхплощадок от температуры равноЬ Вк = Я. пк ак (т - о),можно записатьЯзэ пэ аэ с - 10) ЯЗВ( пк Озс (1 - тО),Проведя необходимые преобразования и учитывая возможное отрицательное значение ТКС материала электрода или контактных площадок, получим предлагаемое соотношение.Технико-экономическим и реимуществом предлагаемого датчика по сравнению с известным является уменьшение более, чем на порядок, температурной погрешности в широком диапазоне температур за счет воэможности учета температуры электродов, Преимуществом предлагаемого решения является также возможность уменьшения погрешности от воздействия нестационарной температуры вследствие учета распределения температур отдельных электродов,Преимуществом предлагаемой конструкции является также расширение функциональных возможностей за счет возможности измерения в одной точке давления и температуры,Формула изобретения Емкостной датчик давления, содержащий корпус, размещенные в корпусе мембрану с жестким центром и утолщенным периферийным основанием и закрепленный над мембраной с зазором диск, причем на жестком центре мембраны закреплен круглый электрод измерительного конденсатора, а на периферийном основании мембраны концентрично круглому электроду закреплен кольцевой электрод эталонного конденсатора, при этом на диске закреплены ответные аналогичные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, 5 причем каждый электрод измерительного иэталонного конденсаторов электрически соединен с соответствующей основной контактной площадкой, расположенной соответственно на периферийном основа ниимембраныидиска,отличающийсятем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности в широком диапазоне температур и расширения функциональных возможностей за счет 15 дополнительного измерения температуры,в него введены соединенные электрически с соответствующим электродом измерительного и эталонного конденсаторов дополнительные контактные площадки, 20 которые закреплены на периферийном основании и диске и расположены симметрично соответствующим основным контактным площадкам, причем электроды выполнены из резистивного материала, а величина 25 удельного поверхностного сопротивленияэлектродов Кээ выбрана из соотношения пэ аэ30 где й - удельное поверхностное сопротивление контактных площадок;аэ, а - соответственно температурный коэффициент сопротивления электродов и контактных площадок;пэ, пк - безразмерные величины, численноравные количеству квадратов в электродах и контактных площадках соответственно,1739225 10 Составитель Е,БелозубовРедактор Е.Папп Техред М.Моргентал Корректор А,Ос изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 1996 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета 113035, Москва, ЖПодписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ ССС