Емкостный датчик давления

ф СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУ 6 ЛИК 5 6 01 1 9/1 СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТОР 6 Л ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(72) Е.А,Мокров и Е,М.Белозубов (56) Патент США М 4562742, кл. 0 01 9/12, 1985.Авторское свидетельство СССР К. 1622788, кл. С 01 1 9/12, 23,02,89. (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть и.Ы1779958 пользовано в устройствах, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства. Цель - расширение области применения, повышение технологичности и чувствительности. Сущность изобретения: в емкостный датчик давления, содержащий корпус 1, первую мембрану 2 с жестким центром и опорным периферийным основанием 3, расположенный на мембране диск 4 и емкостный преобразователь деформаций, введена вторая мембрана 5, идентичная первой и расположенная зеркально симметрично ей, диэлек1779958 трическая втулка 10 и две упругих втулки 11, 12; диск 4 закреплен между жесткими центрами мембран, а емкостный преобразователь деформаций выполнен в виде трех цилиндрических электродов 7, 8 и 9, первый (7) из которых своей срединной частью соединен с диском 4 по его периферии и электрически изолирован от него, а второй 8 и третий 9 электроды выполнены в виде одинаковых колец, расположенных с зазором относительно друг друга на диэлектрической втулке 10, закрепленной кон центрично Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства. 5Известен емкостный датчик давления, содержащий прогибающуюся мембрану и плоскую эталонную пластинку, На мембране установлены два кольцеобразных электрода, первый является чувствительным 10 элементом, второй-эталонным, Эталонная пластина, обращенная в сторону прогибаемой поверхности мембраны, также содер- . жит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, кото рый вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает 20 постоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны, Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с м ем б ра н ной. На крышке укреплен эталонный кольцеобраз ный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразные электрода образуют эталонный емкостный датчик. 30 Недостатком известного устройства являются довольно значительные габаритные размеры, связанные с необходимостью значительных линейных размеров для.обеспе чения приемлемых значений емкостей. Другим недостатком этого устройства является сравнительно невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью применения сложных технологиче первому электроду на упругих втулках 11 и 12, жестко соединенных с периферийными основаниями мембран, причем внутренний диаметр диэлектрической втулки 10 равен наружному диаметру первого цилиндрического электрода, срединная часть которого расположена напротив промекутка 13 между вторым и третьим электродами. Положительный эффект: воэможность измерения избыточного давления и разности давлений, повышение технологичности и чувствительности. 3 ил. ских процессов формирования планарных электродов,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким и цилиндрическим периферийный основанием, диск, закрепленный с зазором на мембране при помощи прокладки, и емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, первая из которых расположена по центру мембраны. и диска, а вторая - на консольной части мембраны и на периферии диска, Недостатком известной конструкции является сравнительно невысокая технологичность, связанная с необходимостью применения сложных технологических процессов, например полирования поверхности мембраны и пластины до минимально возмокной шероховатости, напыления диэлектрического слоя, напыления электродов, выставпение межэлектродного зазора и т. и. Для выполнения этих операций необходимо сложное и дорогое технологическое оборудование, которое требует специальных технологических помещений с контролируемой и регулируемой окружающей средой (микроклиматом). Все это не позволяет производить емкостные датчики с приемлемой для многих отраслей народного хозяйства стоимостью.Недостатком известной конструкции являются неширокие функциональные возможности, связанные с тем, что известный датчик не может измерять давление относительно имеющегося атмосферного давления окружающей среды (т. е, избыточное давление), а также абсолютное давление (т. е. давление относительно вакуума или дав 1779958ление относительно постоянного давленияопределенной величины). Это связано стем, что известная конструкция требует,чтобы во внутренней области датчика былвакуум или нейтральный газ постоянногодавления, Попытки заполнения внутреннейполости датчика нейтральной жидкостью,воспринимающей изменяющееся атмосферное давление окружающей среды, приводят как к серьезному ухудшениютехнологичности конструкции вследствиезаполнения, так и ухудшению чувствительности и метрологических характеристикдатчика вследствие влияния жидкости.Недостатком известной конструкцииявляется также сравнительно небольшаячувствительность, вызванная сравнительнонебольшой величиной изменения емкостипод воздействием измеряемого давления,связанная как с небольшой величиной начальной емкости электродов, так и со сравнительно небольшой величиной еемодуляции измеряемым давлением,Согласно изобретению в емкостныйдатчик давления, содержащий корпус, новую мембрану с жестким центром и опорным периферийным основанием,расположенный на мембране диск и емкостный преобразователь деформации, введена вторая мембрана, идентичная первойи расположенная зеркально симметричноей, диэлектрическая втулка и две упругихвтулки, диск закреплен между жесткимицентрами мембран, а емкостный преобразователь деформации выполнен в виде трехцилиндрических электродов, первый из которых своей срединной частью жестко соединен с диском по его периферии иэлектрически изолирован от него, а второйи третий электроды выполнены в виде одинаковых колец, расположенных с зазоромотносительно друг друга на диэлектрической втулке, закрепленной концентричнопервому на упругих втулках, жестко соединенных с периферийными основаниями,причем внутренний диаметр диэлектрической втулки равен наружномудиаметрупервого цилиндрического электрода,срединная часть которого расположена напротив зазора между вторым и третьимэлектродами, при этом геометрические размеры электродов связаны следующими соотношениями:Н 1 = Н 2,3+ 3, Н 2,3 = 2 М,где Н 1 - ширина первого цилиндрическогоэлектрода;Н 2,з - ширина второго и третьего электродов;Я - величина зазора между вторым итретьим электродами;5 10 15 202530 35 40 45 50 зазора. Расположение середины токоп роводящей втулки против середины промежутка между электродами диэлектрической втулки позволяет отслеживать разностороннее перемещение токопроводящей втулки,М - максимальная величина перемещения первого электрода при максимальном давлении,Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей, повышение технологичности и чувствительности.Введение дополнительной мембраны с дополнительным периферийным основанием, расположенных зеркально симметрично мембране и опорному основанию расширяет функциональные воэможности, так как позволяет измерять заявляемым датчиком как избыточное давление, так и разность давлений. Выполнение двух электродов в виде жестко соединенной с диском по его периферии цилиндрической токопроводящей втулки. расположенной концентрично периферийным основаниям и электрически изолированной от них, и выполнение двух других электродов в виде цилиндрическихколец, расположенных на внешней стороне диэлектрической втулки, закрепленной концентрично токопроводящей втулке, позволяет повысить технологичность и чувствительность в связи с воэможностьюисключения трудноуправляемых операций полировки, вакуумного напыления изоляционных и электродных слоев и выставления межэлектродных зазоров, требующих дорогого и сложного оборудования, а также в связи с увеличением как начальной емкости электродов, так и величины их модуляции измеряел 1 ым давлением вследствие существенного превышения диэлектрической проницаемости диэлектрической втулки по сравнению с диэлектрической проницаемостью воздуха или вакуума, используемого в качестве диэлектрика в прототипе, Закрепление диэлектрической втулки на краях упругих втулок позволяет обеспечить минимальный воздушный зазор между диэлектрической и токопроводящей втулками,Это достигается за счет того, что при наматывании гибкого диэлектрика, из которого изготавливается диэлектрическая втулка, за счет упругости упругих втулок диэлектрическая втулка точно воспринимает форму и размеры токопроводящей втулки. Внутренний диаметр диэлектрической втулки равен наружному диаметру токопроводящей втулки как для обеспечения максимального значения начальной емкости электродов, так и величины изменения емкостей от измеряемых давлений за счет максимального исключения воздушногот, е, учитывать различное сочетание давлений, воздейстэующих на основную и дополнительную мембраны. Соотношения между размерами элементов конструкции подтверждается следующими соображениями, Из анализа фиг. 4 б, в, видно, что Нв = Н+ Я, так как в случае, если ширина втулки будет больше суммы электрода диэлектрической втулки и промежутка между электродами, то будет не полная модуляция емкости конденсатора С 7 -.д при воздействии ма ксимального превышения давления, воздействующего на основную мембрану, или неполная модуляция емкости конденсатора С 7 - 8 при воздействии максимального превышения давления со стороны дополнительной мембраны, так как при воздействии соответствующих максимальных разностей давлений эти емкости не будут равны нулю. Если же ширина токопроводящей втулки и промежутка между электродами, то появится не- монотонность и неоднозначность изменения емкостей, связанная с тем, что, например, при повышении давления со стороны основной мембраны при некоторой его величине наступает такой момент, когда дальнейшее превышение давления со стороны основной мембраны на приводит к уменьшению емкости конденсатора С 7 - д в связи с ограниченной шириной токопроводящей втулки. Аналогичные явления происходят и в случае превышения давления со стороны дополнительной мембраны. Из анализа фиг,4 а видно, чтоМ=Н+ ---Я в2 2Подставляя в это выражение Нв = Н+ 3 и приведя необходимые преобразования, получим Н = 2 М,На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостныйдатчикдавления; на фиг,2 - разрез А - А на фиг, 1; на фиг. 3 - возможное положение токопроводящей втулки и электродов при равенстве давлений, воздействующих на основную и дополнительнук мембрану (фиг. 3 а), при максимальном превышении давления, воздействующего на основную мембрану, давления воздействующего на дополнительную мембрану(фиг, 3 б), и при максимальном превышении давления, воздействующего на дополнительную мембрану, давления, воздействующего на основную мембрану(фиг. 3 в).Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с периферийным основанием 3, диск 4, закрепленный на мембране, и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, Дополнительная мембрана 5, жестко соеди 510 15 с недеформированной частью периферийных оснований, Внутренний диаметр диэ 20 25 30 50 55 35 40 45 ненная с диском, с дополнительным основанием 6 расположены зеркально симметрично мембране и опорному основанию. Два электрода выполнены в виде жестко соединенной с диском по его периферии цилиндрической токопроводящей втулки 7, расположенной концентрично периферийным основаниям и электрически изолированной от них. Два другие электрода 8 и 9 выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне диэлектрической втулки 10, закрепленной концентрично токопроводящей втулке на краях упругих втулок 11 и 12, жестко соединенных лектрической втулки равен наружному диаметру токопроводящей втулки, Середина токопроводящей втулки расположена против середины промежутка 13 между электрОдами диэлектрической втулки. Элементы конструкции выполнены в соответствии с заявляемыми соотношениями. При максимальной величине перемещения токо- проводящей втулки М = 1 мм; 3 = 0,1 мм; Н = 2 мм; Нв = 2,1 мм, Для уменьшения жесткости на краях упругих втулок 11 и 12 вдоль их образующих выполнены равномерно размещенные прорезы (не показаны).Выполнение диска из любого диэлектрического материала, например керамики, кварца, поликора, позволяет осуществить. электрическую изоляцию токопроводящей втулки от периферийных оснований способами, например, при помощи пайки, диффузионной сварки и т. и. Корпус датчика выполнен из сплава 12 Х 12 Н 10 Т; мембраны, опорные основания выполнены из сплава 36 НХТЮ, Токопроводящая втулка выполнена из сплава 29 НК, Кольцевые электроды 8 и 9 выполнены фотолитографией фольгированной полиамидной пленки толщиной 20 мкм. Толщина никелевой фольги 10 мкм, Периферийные основания частично выполнены в виде сильфонов 14, а основная и дополнительная мембраны выполнены за одно целое с диском.Емкостный датчик давления работает следующим образом.В начальном состоянии, при измеряемом давлении, воздействующем на основную мембрану, равном давлению, воздействующему на дополнительную емкость конденсаторов, образованных электродами 7 и 8 (С 7 - в), а также и 9 (С 7 - д), вследствие выбранного их взаимного положения будут равны между собой С 7 - в = С 7 - д (фиг. 3 а), В случае превышения измеряемого давления, воздействующего на основную мембрану, давления, воздействующего надополнител ьнуго мембрану, в результате деформации мембран и периферийных оснований токопроводящая втулка переместится таким образом, что емкость конденсатора С 7 - в увеличится, 3 емкость конденсатора С 7 - 9 уменьшится. При воздействии максимальной разницы давлений, воздействующих на основную мембрану и дополнительную мембрану, токопроводящая втулка примет положение, изображенное на флг, 3 б, При этом емкость конденсатора С 7 - 8 будет максимальна, а .емкость конденсатора С 7- 9 минимальна и равна О. Б случае превышения давления, действующего на дополнительную мембрану, в результате деформаций мембраны и периферийных оснований токопроводящая втулка переместится таким образом, что емкость конденсатора С 7 - 8 уменьшится, а емкость конденсатора С 7 - 9 увеличится. При максимальном превышении давления, воздействуюгцего на дополнительную мембрану, давления, воздействующего на основную мембрану., токопроводящзя втулка примет полокение,изображенное на фиг, 3 в. При этом емкость конденсатора С 7 - 8 будет минимальная, а емкость конденсатора С 7 - 9 максимальная и равна О. Электроды конденсаторов электрически связаны с контактами 14 гермоколодки 15. Измерял значения емкостей конденсаторов С 7 - 8 и С 7- 9, ожно однозначно судить о соотношениях давлений, воздействующих на основную и дополнительнуго мембраны,Таким образом, з зависимости от соотношений давлений, действу;ощих на основную и дополнительную мембраны, емкость конденсаторов С 7 - 8 и С 7 - 9 монотонно меняется от О до максимальных значений, что, во-первых, говорит об однозначном соответствии величин емкости измеряемым давлениям, а во - вторых, о 100 модуляции величин емкостей конденсаторов измеряемым давлением. В связи с тег, что в качестве давления, воздействующего на дополнительную мембрану, мокет выступать как давление окружающей датчлк атмосферы, так и любое другое давление, изолированное от давления, воздействующего на основную мембрану, заявляемый датчик может измерять как лзбыточное давление, так и разность давлений, Причем вазможность измерения избыточного давления или разности давления в заявляемой конструкции достигается без применения дополнительной нейтральной жидкости со всеми присущими ей недостатками, связанными со сложностью заполнения и герметизацли заполненных жидкостью полостей, а также уменьшением чувствительности и ухудше нием точности, вызванных неидентичностью характеристик этой жидкости Другим преимуществом заявляемой конструкции является повышение технологичности за счет исключения трудноуправляемых технологических процессов подготовки поверхностей, напыления диэлектрических и электродных слоев, выставления межэлектродных зазоров, устранения необходимости использования сложного и дорогого оборудования. Преимуществом заявляемой конструкции является также повышение чувствительности вследствие увеличения емкости за счет увеличения площади электродов иэ - за их непланарного размещения и за счет увеличения емкости электродов вследствие повышения диэлектрической проницаемости мекэлектродных зазоров, вследствие применения материалов с диэлектрической проницаемостью, превышающей диэлектрическую проницаемость вакуума или воздуха, которые в прототипе применяются в качестве межэлектродной среды.Формула изобретения Емкостный датчик давления, содержащий корпус, первую мембрану с жестким центром и опорным периферийным основанием, располокенный на мембране диск и емкостный преобразователь деформации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения, повышения технологичности и чувствительности, в него введены вторая мембрана, идентичная первой и расположенная зеркально сил метрично ей, диэлектрическая втулка и две упругие втулки, диск закреплен глежду жесткими центрами мембран, а емкостный преобразователь деформации вывел ен в виде трех цилиндрических электродов, первый из которых своей срединной частью жестко соединен с диском по его периферии и электрически изолирован от него, з второй и третий электроды выполнены в виде од; - наковых колец, расположенных с зазором относительно друг друга на диэлектрической втулке, закрепленной концентрично первому электроду на упругих втулках, жестко соединенных с периферийными основаниями мембран, причем внутренний диаметр диэлектрической вулки равен наружному диаметру первого цилиндрического электрода, срединная часть когорого расположена напротив зазора между вторым и третьлм электродами, при этом геометрические размеры электродов связаны следующими соотношениями: 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 Н 1=Нг,з+Я, Н 2,з=2 М,1779958 12 Я - величина зазора между вторым итретьим электродами;М - максимальная величина перемещения первого электрода при максимальном 5 давлении,г. 2Составитель В,ВолковТехред М,Моргентал дакт ректор В.Петр Заказ 44 ВНИТиражосударственного комитета по изоб113035, Москва, Ж, Ра льский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 иэводственно где Н 1 - ширина первого цилиндрического электрода;Н 2, з - ширина второго и третьего электродов; А-А Подписноетениям и открытиям при ГКНТ ССС кая наб., 4/5