Емкостный датчик давления и устройство формирования его выходного сигнала

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХеспуБлик(9) 1)5 6 01 2 АТЕ,НТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС ГОСПАТЕНТ ССС НИЕ ИЗО ПИСА СК СВИДЕТЕЛ ЬСТВ А ерительзовано в ния давдного хоым, Эталонная орону прогибаеы, также содервыполненный в ктрода, который браны образует еская распорка,ной части проой и эталонной остоянное расж давления, мбрану и мембране х электроьным эле 1(71) Научно-исследовательскйй институт физических измерений(56) 1, Патент США М 4562742, кл. 0 01 19/12, 1986,2. Авторское свидетельство СССР .М.1622788, кл. 6 01 . 9/12, 1989,(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ИУСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЕГО ВЫХОДНОГО СИГНАЛА(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано вдатчиках, применяемых для измерения давления в различных областях, Цель: уменьшение габаритных размеров, повышениетехнологичности и чувствительности емкостного датчика, Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит дведиэлектрические втулки 10 и 14 и металлическую втулку 11, выполненную за одно целое с диском 4, жестко соединенным сцентром мембраны 2; два электрода 5 и 7 изразных пар и дополнительно введенныйэлектрод 9 выполнены в виде цилиндричеИзобретение относится к изной технике и может быть исполдатчиках, применяемых для измерления в различных областях нарозяйства.Известен емкостный датчиксодержащий прогибающуюся меплоскую эталонную пластину. Наустановлены два кольцеобразныда, первый является чувствител 1791737 А 1 ских колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки 10, жестко закрепленной на опорном основании концентрично металлической втулке 11, а два других электрода 6 и 8 выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки 14, закрепленной на внешней цйлиндрической поверхности металлической втулки 11. Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика"давления содержит включенный последовательно с усилителем дополнительный усилитель, в цепь обратной связи которого включена первая пара электродов причем к вхоДудо-полнительного усилителя "подклЮчен электрод первой пары. расположенный на второй диэлектрйческой втулке, и к выходу дополнительного усилителя - "электрод первой пары,расположенный на первой диэлектрической втулке, а к входуусилителя подключен электродвторой пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке, и к выходу усилителя - электрод второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке, Дополнительный электрод подключен к выходу опорного генератора, 2 с.п. ф-лы, 6 ил,ментом, второй - эталонн пластина, обращенная в ст мой поверхности мембран ит чуствительный элемент форме кольцеобразного эле вместе с электродом мем емкостный датчик. Механич установленная в централь странства между мембран пластиной, поддерживает истояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны.Эталонная пластина закрывается крышкой, которая па периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует 20 ских процессов формирования планарных электродов, Существеййым недостатком известной конструкции является также сравнительно небльшая чувствительность, связанная со сравнительно небольшим изменением ем кости электрода от измеряемой величины в силу небольшой площади электродов, Известно устройство формйрования выходнога сигнала датчика давления, содержащее задающий генератор, усйлитель, к 30 выходу и в цепь обратной связи которого подключены электроды измерительного иэталаннОго конденсаторов,Недостатком известного устройства яв 35 ляется небольшая чувствительность, связанная с тем, что устройство формирует сигнал, зависящий от отношения неизмей ного значения эталонного конденсатора и зависящего от измеряемого давления зна 40 чения измерительного конденсатора Наиболее близким по техничес сой сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембраны с жестким центром и ци 45 линдрическим периферийным основанием,диск, закрепленный с зазором на мембране при помощи прокладки, и емкостный преоб" разователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, первая из ко 50 торых расположена па центру мембраны и диска, а вторая - на консольной части мембраны и на периферии диска,Недостатком известной конструкции являются сравнительно большие габаритные размеры, связанные со сравнительно большими линейными размерами, необходимыми для обеспечения приемлемых значений емкостей, определяемых плоскостным расположением электродов, Недостатком известной конструкции являэталонному кольцеобразному электроду на мембране, Эти два кольцеабразных электрода образуютэталонный емкостный датчик.;- :Ф"Я 10Недостатком известного датчика являются довольно значительные габаритные размеры, связанные с необходимостью значительных линейных размеров для обеспечения приемлемых значений емкостей. 15 Другим недостатком известного устройства является сравнительно невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью применения сложных технологичеется также сравнительно невысокая технологичность, связанная с необходимостью применения сложных технологических процессов, например, полирования поверхности мембраны и пластины до минимально возможной шероховатости, напыления диэлектрического слоя, напыления электродов, выставление межэлектродного зазора и т,п. 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 многйхотраслей народного хозяйства стоимостью.. Недостатком известного емкостного датчика давления является неудовлетворительная чувствительность, связанная с небольшим изменением емкости .электродов от измеряемого давления в силу небольшой площади электродов,Наиболее блйзким по технической сущности к предлагаемому устройству формированйя выходного сигнала емкостного датчика давления является устройство, содержащее опорный генератор, усилитель, к выходу и в цепь обратной связи которого подключень 1 электроды двух пар электродов,Недостатком известного устройства является сравнительно небольшая чувствительность, связанная с тем, что усилитель формирует сигнал, зависящий только от отношения емкостей двух пар электродов.Изобретение направлено на уменьшение габаритных размеров, повышение технологичности и чувствительностиСогласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем корпус, мембрану с опорным основанием, диск и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, он снабжен двумя диэлектрическими втулками и металлической втулкой, выполненной за одно целое с диском, жестко соединенным с центром мембраны, два электрода из разных пар и дополнительно введенный электрод выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на опорном основании концентрично металлической втулке, а два других электрода выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне диэлектрической втулки, закрепленной на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки, причем размеры элементов конструкции датчика связаныДля обоснованйя заявляемых решений обратимся к фиг.б, В начальном состоянии, когда величина измеряемого давления равна нулю, значения емкостей конденсаторов равны (см, фиг.ба) С 5 - б дд,М - максимальная величина перемеще-гдния металлической втулки под действием 10 элизмеряемого давления;Я - расстояние между электродами, расположенными на одной цилиндрическойвтулке,Кроме того, согласно изобретению в устройстве формирования выходного сигналаемкостного датчика давления, содержащемопорный генератор и усилитель, в цепь обратной связи которого подключены электроды пары электродов, последовательно с 20усилителем введен дополнительный усили. тель, в цепь обратной связи которого вклю. чена первая пара электродов, причем квходу дополнйтельного. усилителя подклю-чен электрод первой пары, расположенный 25. на первой диэлектрической втулке, а к входуусилителя подключен электрод второй парыэлектродов, расположенный на второй диэлектрической втулке и к выходу усилителя -электрод второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке,а дополнительный электрод подключен квь 1 ходу.опорного генератора.Выполнение электродов в виде цилиндрических колец, расположение их на диэлектрических втулках, закрепление однойиз диэлектрических втулок на внешней цилиндрической поверхности металлическойвтулки позволяет уменьшить габаритныеразмеры и повысить технологичность, так 40как цилиндри еская поверхность обеспечивает сочетание максимального значенияплощади электродов при заданных попе-речных линейных размерах с простотой исовершенством обработки, Увеличение площади электродов, расположенных на цилиндрической поверхности, по сравнению сплощадью электродов, расположенных наплоскости, обьясняется существенным повышением площадицилиндрической поверхности по сравнению с площадью плоскойфигуры одинакового диаметра,.Предлагаемое пространственное расположение электродов позволяет повыситьчувствительность, так как по сравнению с 55прототипом дополнительно используетсяизменение емкости конденсаторов С 5-8 иС 8-9, в результате чего выходной сигнал приодном и том же приращении измеряемого .давления изменяется на большую величину,(2) 2 Ляско 0Сб - 9 = - =0В 1 .ивВ 2,. -.л:м:2 ЛЯЕ, Н 2С 7 - 8 =В 1и -ВгПодставляязначения емкостей в выражениедля выходного сигнала, получим, что выходной сигнал в этом случае равен нулю,При воздействии максимального измеряемого давлей 14 я (см. фиг,бб) 2 ЛГЕо 0 С 5 - 8 = -- =О В 1 ив Вг-иВ 2Непосредственно из фиг.бб следует, что Н 5= - М, Это связано с тем, что если Н 5 будет больше М, то неполностью будут иСпользованы возможности изменения емкости кон-. денсатора С 8-9 вследствие непблной ее модуляции измеряемым давлением. Если же Н 5 будет меньше М, то при определен-ном значении измеряемого давления происходит потеря монотонности изменения выходного сигнала от измеряемого давления, связанная с тем, что перемещение электрода 9 вследствие его недостаточной ширины при определенной величине измеряемого давления не будет сопровождаться увеличением емкости С 8-9, что и приводит к отсутствию модуляции изменения "емкости С 8-9 от измеряемого давления), Из анализа фиг.бб можно записать Нз = Н 5+ Я, В случае,соотношениями: Н 1 = М + 5: Н 2 = М: Нз = М +5: Н 4=М+Я,Н 5=М,где Н 1, Н 2 - ширина электродов, расположенных на первой диэлектрической втулке;Нз, Н 4 - ширина электродов, расположенных на второй диэлектрической втулке;Н 5 - ширина дополнительного электроВ 1иВге е ео - относительная и абсолютная диектрические проницаемости; , В 1, В 2 - "радиусы электродов.2 ЛЕЯо 0С 5-8 = =ОВ 1иВ 2если Нз будет больше суммы Н 5 + Я, то неоправданно уменьшится модуляция емкости С 5-б измеряемым давлением, так как изменение будет оканчиваться не с нулевым, а с каким-то большим нуля значением, 5 что приведет или к увеличению размеров, или к уменьшению чувствительности, Если же величина Нз будет меньше суммы Н 5+ Я, то появится немотонность модуляции емкости С 5-5 вследствие того, что после опреде ленного значения измеряемого давления значение емкости С 6-6 не будет зависеть от измеряемого давления, Учитывая; что Н 5 = =М, можно записать Нз = М+ Я, Для обеспечения максимального изменения выходного 15 сигнала, т.е, для обеспечения максимальной чувствительности, необходимо, в частности, чтобы было максимально изменение знаменателя в выражении выходного сигнала, т,е, произведения С 5-5 С 7-в. Известно, что про изведение двух величин максимально в случае их равенства. Приравнивая значения емкостей С 5-6 и С 7-8 и проведя необходимые преобразования, получим Н 2 = Нз - Я; или, учитывая, что Нз = М + Я, Н 2 = М. Из 25 анализа фиг,6 видно, что в силу соображений, высказанных по поводу величины Нз и непосредственно из фиг,ба, следует, что Н 4=. = Н 2 + Я или,учитывая, что Н 2 = М, Н 4 = М + +Я, Для обеспечения максимальной чувст вительности необходимо, чтобы емкость конденсатора С 7-э при.воздействии максимального измеряемого давления была бы равна нулю. Поэтому, приравнивая к нулю выражение для емкости С 7-в, получим: 350 (4)81 и 24 лиНз + Н 4 - Н 1 - Н 5 - Я =О, откудаН 1 = Нз+ Н 4 - Н 5 - Я Подставляя вместо Нз, Н 4, Н 5 их значения, получим 45Н 1=М+Я+ М+Я - М- Я =М+Я. Величина расстояния Я между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке, выбрана одинаковой для обейх втулок в связи с тем, что она определяется 50 технологическими возможностями и не зависит от местонахождения электродов на той или иной втулке. Для обеспечения минимальности габаритных размеров необходимо, чтобы длина металлической втулки была 55 равна см. фиг,1),-в = Н 1+ Я+ Н 2, Подставляя Н 1 = М+ Я, Н 2 = М, получим Ь = 2(М + Я), Если Ь будет больше 2(М+ Я), то неоправданно увеличатся габаритные размеры, а если меньше, то невозможно будет незамещение электродов на втулкеНа фиг.1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления, На фиг,2, 3 - развертки электродов на гибкой диэлектрической основе. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщина электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены, На фиг.4, 5 изображена структурная электрическая и эквивалентная схемы предлагаемого устройства формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, Нэ фиг.6 рассчитана модель определения соо. ношения размера электродов,Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с опорным основанием 3, диск 4, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов 5, 6 и 7, 8, два электрода 5 и 7 из равных пар и дополнительно введенный электрод 9 в виде цилйндрических колец, расположенныхна внешней стороне первой цилиндрической диэлектрической втулки 10, жестко закрепленной на опорном основании, концентрично металлической втулке 11, выполненной за одно целое с центром 12 диска 4, жестко соединенном при помощи штока 13 с центром мембраны. Два других электрода 6 и 8 выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй цилиндрической диэлектрической втулки 14, закрепленной на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки 11, Размерыэлементов конструкции выполнены в соответствии с заявляемыми соотношениями. При максимальной величине перемещения металлической втулки под действием измеряемого давления, равной 400 мкм и расстоянии между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке Я = 100 мкм, Н 1 = 500 мкм, Н 2 = 400 мкм, Нз = Н 4 = 500 мкм, Н 5 = 500 мкм. Корпус выполнен из сплава 29 Н К-ВИ, мембрана выполнена из сплава 36 НХ ПО, Опорное основание, шток и металлическая втулка выполнены из сплава 29 НК-ВИ. Для создания электродов и диэлектрических втулок используется фольгированная полимидная пленка толщиной 20 мкм с толщиной фольги 10 мкм.Изготовление датчика проводят следующим образом, Изготавливают гофрированную мембрану с опорным основанием, Изготовление проводят известными методами механической обработки. На фольгированной полимидной пленке формируют методом фотолитографии электроды, как показано на фиг.2, 3. На цилиндрическуюповерхность металлической втулки наносят слой клея ВСи наматывают на нее вторую диэлектрическую основу с электродами б и 8 Полимеризуют соединение при температуре +160"С в течение 2 ч. Покрывают поверхность электродов фторопластовым лаком ФП. Покрытие лаком позволяет уменьшить трение диэлектрических втулок при их взаимном перемещении иустраняет возможное прилйпание при закреплении первой диэлектрической втулки, После просыхания лака наматывают первую диэлектрическую основу с электродами. При этом целесообразно проводить намотку нескольких витков диэлектрической основы, а первый и последующие витки и место соприкосновения с опорным основанием покрывают клеем ВС. Проводят полимеризацию клея прйтемпературе+160 С в течение 2 ч. Присоединяют выводные до- рожки 15 при помощи сварки или пайки к гермоконтактам 16.Электрическая схема устройства формирования выходного сигнала емкостного датчика давления изображена на фиг,4. а его эквивалентная схема - на фиг,5. Оно содержит опорный генератор 17, дополнительный операционный усилитель 18 тийа 1407 УД 2 и операцйонный усилитель 19 типа1407 УД 2. Выход генератора соединен с электродом 9, В цепь обратной связи дополнительного усилителя 18 включена перваяпара электродов, причем к выходу дополнительного усилителя подключен электрод б первой пары электродов, расположеннйй на второй диэлектрической втулкеа к выходу дополнительного усилителя - электрод 5 первой пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке, К выходу усилителя 19 подключен электрод 8 второй пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулкеа к выходу усилителя - электрод 7 второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке.Емкостный датчик давления работает следующим образом, В начальном состоянии при измеряемом давлении, равном дав. лению внутренней полости датчика, емкость конденсаторов, образованных электродами 5 и б и электродами 7 и 8, максимальна, а емкость конденсатора, образованного электродами 5 и 8 и электродом 6 и 9, минимальна, Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика центр мембраны прогибается. Прогиб центра мембраны при помощи штока передаетсяметаллической втулкой. В результате этого металлическая втулка, а. следовательно, и жестко закрепленная на ней втораядиэлектрическая втулка с электродами 6 и 8 сместится относительно первой диэлектрической втулки с электродами 5, 7 и 9, Вследствие относительного смещения электродов5 емкость конденсаторов, образованных электродами 5 и б и электродамй 7 и 8,уменьшается, а емкость конденсаторов, образованных электродами 5 и 8 и электродами б и 9, увеличивается, При воздействии 10 максимальногоизмеряемого давлейия элек-. троды расположатся таким образом, что емСб - 9 С 5 - в0 вхвхС 7 - в С 5 - б(6) 40 где обозначение С 5-В, Сб-б, С 7-в аналогйчно обозначению Сб В начальном состоянии при измеряемом давлении, равном давлению во внутренней полости датчика, в связи с тем, чтО емкость конденсаторов Сб-б, С 7-в максимальна, а емкость С 5-в, Сбминимальнаи. фактически равна паразитной емкости между электродами 5 и 8, б - 9, выходной сигнал с усилителя 19 будет минимальным и фактически равен нулю (в соответствии с выражениями, приведенными выше), По мере возрастания величины измеряемого давления и связанного с ним увеличения емкости конденсаторов Сб-в, Сби уменьшения емкостей конденсаторов С 5-б и С 7-в выходной сигнал будет монотонно возрастать (в соответствии с выражением для выходного сигнала, приведенными выше), При воздействии кости конденСаторов, образованныхэлектродами 5.и 6 и электродамй 7 и 8, будутминймальйы, аемкость конденсаторов, об 15 разованнйх электродами 5 и 8 и 6 и 9; будет .. максимална (см. фиг.б). Таким образом, измеряя емкости конденсаторов, образованных электродами 5 и 6, 7 и 8, 5 и 8, 6 и 9,можно однозначно судитьо величинеизме 20 ряемогодавления,Устройство формирования рабатаетследующим образом, Задающий генераторформирует синусоидальное найряженйе частотой 200 кГц, которое через конденсатор,25 образованныйэлектродами 6 и 9, поступаетна дополнительный усилитель (см. фиг.4, 5),на выходе которого появляется сйгнал амплитудойСб - 930 О = С (5)где Сб- емкость конденсатора; образо-ванного электродами б и 9, Сигнал с уСйлителя 18 подается через конденсатор,образованный электродами 5 и 8, на усили 35 тель.19, на выходе которого образуется сигнал амплитудой10 20 25 трично металлическойвтулке, адва других 35 40 50 максимального измеряемого давления, когда значение емкости конденсаторов С 5-в и Сбдостигнет максимальной величины, а значение емкостей конденсаторов С 5-5 и С 7-в будет минимально (причем емкость конденсатора С 5-5 будет практйчески равна нулю) выходной сигнал устройства формирования достигает максимальной величины (теоретически он равен бесконечности, а практически ограничивается максимально допустймым сигналом последнего каскада операционного усилителя).Таким образом; при изменении измеряемого давления от нуля до максимально допустимого значения выходной сигнал 1 устройства формированйя монотонно меняется от нуля до максимально допустимого выходного значения.Таким образом, преимуществом заявляемого решения является уменьшение габаритных размеров за счет увеличения площади электродов вследствие их непла-. нарного размещения, Кроме того, заявляемое решение позволяет существенно увеличить значение изменения емкостей электродов, а следовательно, чувствительности вследствие повышения дйэлектрической проницаемости межэлектродного: зазора за счет применения материалов с .диэлектрической проницаемостью, превы шающей диэлектрическую проницаемость вакуума или воздуха, которые в прототйпе используются в качестве межэлектродной среды. Уменьшение габаритов и повышение чувствительности в заявляемой конструкции происходит также за счет использова- ния модуляции от измеряемого давления двух дополнительных конденсаторов, характер изменения емкости от измеряемого. давления совпадает с изменением емкости у йме 1 ощихся конденсаторов, а также за счет выполнения размеров конструкции в соответствии с заявляемыми"сботношениями,Уменьшение габаритов и повышенйе 4 чувствительности в" заявляемых решенияхдостигается также за счет формирования выходного сигнала в виде частного, в числителе которого лроизведение емкостей, увеличивающихся с воздействием давления, а в знаменателе - произведение емкостей, убывающих с увеличением давления, Искл 1 очейие" трудноуправляемых технологических процессов подготовки поверхностей, напыления диэлектрических и электродных 5 слоев, выставление мекэлектродных зазоров, устранение необходимости использования сложного и дорогостоящего оборудования, требующего специальных помещений, позволяет повысить технологичность заявляемого решения, Снижение трудозатрат на изготовление датчиков позволяет их широкое использование в различных отраслях народного хозяйства, особенно там, где нежелательно или невозможно применение сравнительно дорогих датчиков.Формула изобретения 1, Емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану с опорным основанием, диск и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, о т л и ч а ю щ и й с я тем. что, с целью уменьшения габаритов, повышения технологичности и чувствительности, он снабжен двумя диэлектрическими втулками и металлической втулкой, выполненной за одно целое с диском, жестко соединенным с центром мембраны; два электрода из разных пар и дополнительно введенный электрод выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на опорном основании конценэлектрода выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки, закрепленной на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки, причем размеры элементов конструкции датчика связаны соотношениями Н 1 = М + Я; Н 2 = М; Нз = М + , Н 4 = М+ Я; Н 5 = М, где Н 1 и Н 2 - ширина электродов, расположенных на первой диэлектрической втулке; Нз и Н 4 - ширина электродов, расположенных на второй диэлектрической втулке; Н 5 - ширина дополнительного электрода; М - максимальнаявеличина перемещения металлической втулки под действием измеряемого давления; Я- расстояние между электродами, расположенными на одной цилиндр 14 ческой втулке, 2. Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, содержащее опорный генератор и усилитель, в цепь обратной связи которого подключены электроды пары электродов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью уменьшения габаритов и повышения чувствительности, последовательно с усилителем введен дополнительный усилитель, в цепь обратной связи которого включена первая пара электродов, причем к входу дополнительного усилителя подключен электрод первой пары, расположенный на второй диэлектрической втулке, и к выходу дополнительного усилителя - электрод первой пэры, расположенный на первой диэлектрической втулке, а к входу усилителя подключен электродвторой пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке и к выходу усилителя - электрод второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке, а дополнительный электродподключен к выходу опорного генератора.орректор М,Ткач ГКНТ СССР Про ственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарин аказ 148 ВНИИПИ Тиражсударственного комитета и113035, Москва, Л(кровал Подписноеизобретениям иоткрытиям