Емкостный датчик давления

(5)5 6 01 1 9/12 ЕТЕНИ ИЕИ ОП СВИДЕТЕЛЬСТ ТОРСКО и инсти 42,ство СССР 12, 1989, Ю 85 Р б/8 О 3 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕН (57) Использование: датчик относитс мерительной технике и может быть зован для измерения давления в раз областях народного хозяйства. Це . бретения - создание возможности и ния избыточного давления и отно давлений. Сущность изобретения: в ном датчике давления, содержащем ной упругий элемент 1 в виде мем ИЯ я киз- испольличных ль изо- змерешений емкост- основбраны,1796932 3выполненной 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 датчикам 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 кольце- образный 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 влияния 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 зазороми герметично соединенный по периферии сосновным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны с5 жестким центром и опорным основанием, ис ответными электродами, и выводные проводники, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Недостаткомизвестной конструкции является невозмож 10 ность измерения избыточного давления иразности давлений в связи с необходимостью в этом случае непосредственного контактирования окружающей среды иливторого измеряемого давления с электрода 15 ми конденсаторов и дестабилизирующеговлияния характеристик окружающей средына диэлектрические зазоры,Изобретение направлено на созданиевозможности измерения избыточного дав 20 ления в отношения давлений,Согласно изобретению в емкостномдатчике давления, содержащем основнойупругий элемент в виде мембраны, выполненной за одно целое с опорным ос 25 нованием, центральные и периферийныеэлектроды, размещенные соответственно вцентральной части основного упругогоэлемента и на опорном основании, расположенный с зазором и герметично соеди 30 ненный по периферии с основным упругимэлементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны с жестким центром иопорным основанием и с ответными электродами и выводные проводники, частично35 расположенные в межэлектродном зазоре,периферийный электрод дополнительногоупругого элемента размещен на его мембране, с противоположной стороны на мембране в области размещения периферийного40 электрода выполнено кольцевое утолщение,а жесткий центр дополнительного упругогоэлемента жестко соединен с опорным основанием дополнительного упругого основания при помощи кольца со сквозными45 отверстиями выполненными напротив мем=К,20 С - еСх = 25 30 е к (Вг - В 1)Со Сх Е ,л,Вгиб Ви 2 К В 22 В 12) 50 браны дополнительного упругого элемента,причем размеры элементов конструкциисвязаны соотношением где Ви - радиус центрального электрода размещенного в центральной части основного или дополнительного упругого элемента;В 1 - внутренний радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента; Вг - наружный радиус периферийного электрода основного или дополнительногоупругого элемента;К - 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 какой- либо не кольцевой. Сквозные отверстия, выполненные в кольце напротив мембраны дополнительного упругого элемента обес 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 началь ные значения емкостей соотносились вопределенных пределах, т,е,Учитывая, что емкость измерительногоконденсатора равна: где е - диэлектрическая проницаемостьмежэлектродного зазора; д - величина межэлектродного зазора, Емкость опорного конденсатора равна; Подставив значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов получим-фо :д ( Вг - В 1 ) Проведя необходимые преобразования, получим На чертеже изображен предлагаемый емкостный датчик давления. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами упруих элементов конструкции для наглядности изменены.Емкостный датчик давления содержит осноеной упругий элемент в виде мембраны 1, выполненной за одно целое с опорным основанием 2, электроды 3 и 4, размещенные в центральной части основного упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный 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 6 дополнительного 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 29 Н 26 КХБТЮ, гермопереходник и крышка - из сплава 29 Н К.При Я 2=5 мм В 1=45 ммК=1,1 ВО=2,28 ммЕмкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана основного упругого элемента, а следовательно, и его 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 размеще 10 ется, В случае уменьшения величины атмосферного давления (в случае измерения 15 20 Со,0 вых = К - -рс - ,-х50 30 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 С 0 - емкость опорного конденсатора;Сх - 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 соедийеи с опорным основанием через введенное кольцо со сквозными отверстиями, выполненными напротив мембраны дополнительного упругого элемента, причем размеры электродов связаны соотношением Ви = К(В 2 В 1 ),где Ви - радиус центрального электрода, размещенного в центральной части основного или дополнительного упругого элемента;В 1 - внутренний радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента;В 2 - наружный радиус периферийного электрода основного или дополнительного упругого элемента;К - коэффициент пропорциональности. Составитель В. ВолковТехред М.Моргеитал Редактор Т, Шагова Корректор С.Шекмар Заказ 645 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж,. Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения Емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мембраны, 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 ьи 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.возможнасти измерения избыточного давления и отношения давлений, в нем периферийный электрод дополнительного упругого элемента размещен иа 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 це пей,