CN1119637C - 电容式差压检测器 - Google Patents

Abstract

电容式差压检测器，其固定电极的绝缘板(1)上覆盖有导电金膜(2)包括：中心孔(1a)的整个内部区域(2a)，将与导电板(12)相对的绝缘板平面上的中心孔(1a)围绕起来的正方形环形区域(2b)，以及自环形区域沿离心方向延伸至外边缘的带状区域(2c)。导电膜(2)在整个内部区域(2a)的端部和导电板之间及在带状区域(2c)的端部和铝膜之间是电导通的。减小了环形区域(2b)和带状区域(2c)的总面积，从而改善了静态压力范围特性。

Description

电容式差压检测器

本发明涉及一种电容式差压检测器，其中，形状和大小完全相同的固定电极安装在隔板的彼此相对两侧。当存在差压时，隔板产生变形。从而根据隔板和每个电极之间的电容测出差压。更为具体地说，本发明涉及改善静态压力范围特性的电容式差压检测器。

下面参照图5和6对一个实例进行解释。图5为一差压检测器的剖视图，图6为装有该检测器的一差压检测装置的剖视图。在图5中，检测器50的形状和大小完全相同的两固定电极15分别安装在隔板10的左右两侧。每个固定电极15为三层式组合体，它包括：一圆盘形导电板12，它和隔板10面对；一正方形中央绝缘板13以及同样形状的导电板14。这几块板依次叠置并粘贴在一起。上述三层式组合体由一中心通道25穿过。中心通道的内表面由导电膜27覆盖，该导电膜27电连接导电板12和导电板14。这两个固定电极15以如下方式在其周边结合，即，导电板12在隔板10相对侧上彼此相对，在导电板12和隔板10之间存在间隙29，而且电极15通过通过玻璃体结合部11和环形支承体21绝缘地结合到隔板10上，环形支承体21可由导电材料制成，或可由绝缘材料制成。环形支承体21和导电板12的外边缘由环形槽23径向向外隔开，并位于隔板10两侧上的隔板周边处。。在本例中，隔板10、导电板12、14和支承体21均由硅制成，而绝缘板13由陶瓷制成。压力P₁和P₂由左、右固定电极15的压力引入通道25引入，当差压(＝P₁-P₂)存在时，隔板10发生变形(即隔板的中央部发生挠曲)。用于测量由隔板10与左/右固定电极15形成的电容器的电容C₁和C₂的电连接分别由引脚C、A和引脚C、B形成。附图标记31，32和33代表蒸气沉积铝薄膜(用作引脚A、B和C的端子)。

既然总电容C₁和C₂随差压(＝P₁-P₂)的变化而变化，利用熟知的电路就可获得和差压成比例的输出量F，这里F＝(C₁-C₂)/(C₁+C₂)。

由图6可看出，检测器50装入一容器内，该容器主要由装有密封隔膜59的一端封闭的圆筒51、一连接板55和也装有密封隔膜58的盖子构成。圆筒51的右端面有一密封隔膜59，它和所述表面构成了一压力室62，压力室62通过中心通道60和圆筒51的内腔52连通。检测器50装于内腔52内部。用密封端子63使检测器50的引脚A、B、C绝缘，且引脚穿过圆筒51的外壁。在检测器50的左侧(图5中导电板14的左侧面)，金属管54经过一绝缘体(正方形板件)并在左端边缘焊接于连接板55上。将连接板55插入圆筒51左侧部内的槽内，并与其焊接，以靠近圆筒51的左端。盖子56上具有一中心通道57，它和受压室61连通，受压室限定在隔膜58和盖子56之间。在密封隔膜58和59之间的全部内部空间，诸如受压室61，62和内腔52等，均充有硅油，它为不可压缩流体，且它将作用在密封隔膜58上的压力P₁传递至检测器50的隔板10的左侧，将作用在密封隔膜59上的压力P₂传递至隔板10的右侧，见图5。

在这一已有技术的实例中，不足之处是静态压力偏差特性较差。一般地，若将静态压力作为一特征参数，当差压在0-100％的范围内变化时，检测器的输出特性曲线应大致为一过原点的直线。相对于零静态压力下的基准输出特性曲线，在某一静态压力下的输出特性曲线会稍微向上或向下偏离，这种偏离的程度称为“静态压力范围特性”(static pressure spancharacteristic)。这种可以认为是由静态压力造成的范围误差的静态压力范围特性是由下面的事实导致的，即由于静态压力的变化，检测器内的漂移电容，检测器和容纳该检测器的容器之间的漂移电容，以及硅油的相对介电常数都发生变化。假设这个静态压力范围特性为ε，它可由方程式(1)表示。

现在请参看图5，其中示出了区域A和B，在作为电容区域的剖面图附近中，其中C₀表示零静态压力时隔板10和左/右导电板12的间的电容，用C_S1表示导电板12和支承体21间的电容。图6中等效示出了区域C，即用C_S2表示右固定电极的导电板14和圆筒51的底部之间的共有电容，或表示左固定电极的导电板14和连接板右侧之间共有电容。等式(1)中使用了上述参数。另外，以零静态压力作为基准值，用β表示在静态压力P下硅油的相对介电常数的变化值。应当注意，P的单位是100bar，电容的单位是PF。

方程式(1)：

ε＝-[(C_S1+C_S2)β/C₀(1+βP/100)]P……(1)

设P＝100bar  β＝0.013          C₀＝50PF

C_S1＝2PF    C_S2＝1.7PF

则ε＝-[(2+1.7)]1.3×10^-2/50(1+1.3·1·10^-4)]·1

    ＝-0.096(％)

由等式(1)可知，采用下面的措施(1)-(3)可以改善即减小静态压力范围特性ε

(1)减小C_S1+C_S2

(2)充填较小β值的液体

(3)增加C₀。

但是，在措施(1)中，为减小C_S1，必须减小导电板12的直径，这同时降低了C₀值，因而措施(1)和(3)相矛盾，而且，从信噪比的角度看，这样也不利。从实用性和成本角度考虑，用其它充填液来替代硅油也是不实际的。通过增加导电板12的面积或减小隔板10和导电板12间的间隙，可使措施(3)得以实现，但由于检测器的尺寸限制，这实际上是做不到的。剩下的措施是减小C_S2。

本发明的目的是解决现有技术的实例中所遇到的上述问题，从而提供一种具有改进的静态压力范围特性的电容式差压检测器。

在根据本发明第一方面中，提供了一种一种根据隔板和各固定电极间的电容测量差压的电容式差压检测器，每个固定电极的形状和尺寸完全相同，固定电极通过间隔物以绝缘方式固定在所述隔板的两侧，有差压存在时，隔板产生变形，其中，每一所述固定电极包括：一绝缘板，其具有一第一压力引入通道且固定在相应的其中一个所述间隔物上，从而使所述绝缘板和所述隔板相对于所述间隔物相对置放；一导电板，其固定在所述绝缘板上，所述导电板和所述隔板面对，并由所述相应的间隔物与其隔开一间隙包绕，所述导电板上具有一第二压力引入通道；导电膜，它整体沉积在所述绝缘板上，所述导电膜包括：覆盖所述第一压力引入通道的整个内部周向表面且在所述第一压力引入通道的一个端部和所述导电板电连接的一个第一部分；将所述第一压力引入通道的另一端包绕起来的且形成于所述绝缘板的远离导电板的表面上的一个第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述绝缘板的外边缘处、用于减小电容的一个第三部分，在此外边缘处，所述第三部分和用于引出电容的端子电连接。根据本发明的第二方面，提供了一种根据隔板和各固定电极间的电容测量差压的电容式差压检测器，每个固定电极的形状和尺寸完全相同，固定电极安装在的所述隔板的两侧，有差压存在时，隔板产生变形，其中，所述隔板的每一侧都形成一个槽部，该槽部由所述隔板的边缘部分围住；每一所述固定电极包括：一绝缘板，它具有第一压力引入通道且固定在所述隔板的所述外边缘部的端面上；一导电膜，它整体沉积在所述绝缘板上，所述导电膜包括：覆盖所述第一压力引入通道的整个内部周向表面的一个第一部分；将所述第一压力引入通道的一端包绕起来的且形成于所述绝缘板的远离导电板的表面上的一个第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述绝缘板外边缘处的一个第三部分，在此外边缘处，所述第三部分和用于引出电容的端子电连接；面对隔板上的所述槽部的一个第四部分。

优选地是，(1)在和隔板5相对的绝缘板表面的外边棱处和带状区域相对应的位置上倒有斜角；(2)所述隔板和导电板均由单晶硅制成，而所述绝缘板由热膨胀系数接近于单晶硅的材料制成，如堇青石或硼硅玻璃；(3)导电膜由阴极溅射镀膜工艺形成，所述绝缘板上的引入压力的通道为一梯形锥孔，该孔在绝缘板一侧平面处和导电板上的通道相连，并向着和导电板相对的平面伸展，绝缘板上的用于引入压力的通道也可以由两个同轴梯形锥状区域组成，每个区域分别自绝缘板两端的平面向内逐渐收缩而互连。

在第一个实施例中，沉积在固定电极上的和隔板远离的表面上的导电膜面积(覆盖环形区域并自环形区域伸至外边缘的带状区域的区域)减小了，因而措施(1)中的C_S1+C_S2的值减小，改善了静态压力范围特性。在第二个实施例中，不存在C_S1，C_S2也同样小，因而C_S1+C_S2的值变得更小，改善了静态压力范围特性。

在本发明的结构特征(1)中，由于在与隔板相对的绝缘板平面的外棱处将导电膜的带状区域倒有斜角，确保了用于测量电容的蒸镀铝膜(和每一引脚A、B、C连接)和带状导电膜区域的导通。在结构特征(2)中，固定电极因环境温度的变化而产生的热变形受到抑制，故产生的热应力也受到抑制，这保证了差压的线性特性，改善了温度特性。在结构特征(3)中，由于导电膜便于由阴极溅射镀膜工艺形成，可确保导电膜有均匀的厚度，提高了导电膜的质量。

附图中：

图1是本发明的第一实施例的剖视图；

图2是本发明的第一实施例的侧视图；

图3是本发明的第二实施例的剖视图；

图4a为当从和隔板相对的一侧看去时，第二实施例中的固定电极的侧视图；图4b为从隔板看去时该固定电极的侧视图；

图5为传统电容式差压检测器的剖视图；以及

图6为内装有图5所示的传统检测器的一差压检测器装置的剖视图。

下面请参照附图，对本发明的第一、二实施例进行解释。图1和2示出的是第一实施例，图3和4示出的是第二实施例。

在如图1所示的第一实施例中，形状和大小完全相同的固定电极布置在隔板10相对两侧并和隔板以间隙29隔开，隔板10根据压差而发生偏移。每个固定电极包括：带引入压力的中心通道1a的绝缘板1，导电板12，环形支承板21和导电金膜。绝缘板1的中心通道1a为梯形锥孔，其自外表面向内逐渐收缩并和导电板12的中心通道是连通的。环形支承件21设置在绝缘板1面对隔板10的表面的边缘，并围绕通过环形槽23与其分隔开的导电板12。导电膜2包括一个整体的部分2a(整个内部区域部分)，部分(环形区域部分)2b和部分(带状区域部分)2c，其中部分2a覆盖中心通道1a的整个内部表面，部分2b覆盖绝缘板1相对导电板12的表面的正方形区域且具有中央圆形空腔部分的环形区域，以便围绕中心通道1a，部分2c将自环形区域径向向外延伸到外边缘处的带状区域覆盖(见图2)。顺便说一下，规则的正方形形状的部分2b和用于装入容器内的绝缘体53(见图6)相吻合。用阴极溅射镀膜工艺形成的导电金膜2在部分2a的内端和相应的导电板12电连接，且在相应的带状区域2c的外端和用作测量电容的铝膜31、32电连接。

由图1和2可以看出，每个隔板10在与绝缘板1和隔板10相对的表面的外周边缘处的带状区域2c相对应的位置上倒有斜角1b。隔板10和导电板12分别由单晶硅制成，每个绝缘板1则由热膨胀系数近似于单晶硅的材料制成，比如堇青石。更准确地说，是其中含有一定比例的堇青石和莫来石的陶瓷。单晶硅的线性热膨胀系数是3.1×10^-6/℃，堇青石则为1.1×10^-6/℃。

可以使与隔板10相对的每个固定电极表面上沉积的导电膜2的部分2b和部分2c的总面积小于图5所示的现有技术实例中所述的导电板14的面积，这样对应于图6中的C_S2的电容值降低，也就减小了措施(1)中的C_S1+C_S2的值，从而改善了静态压力范围特性。

若其它条件不变，只是部分2b和部分2c的总面积是图5所示的现有技术实例中所述的导电板14的面积的一半，则因

C_S2＝1.7/2＝0.85(PF)

ε＝-[(2+0.85)1.3×10^-2/50(1+1.3·1·10^-4)]·1

  ＝-0.074(％)

按照第一实施例，可将现有技术中的静态压力范围特性提高约23％。

由于绝缘板1的中心通道1a为梯形锥孔，可在很容易地在其中溅镀导电膜2，从而可确保厚度均匀。另外，由于在绝缘板1中倒有倒角1b，用蒸气沉积工艺形成的铝膜1局部覆盖带状区域部分2c的上端，从而确保了上端部之间的电导通。而且，由于绝缘板1由如下的材料制成，该材料热膨胀系数和单晶硅接近，即堇青石，使得环境温度变化造成的固定电极的热变形的风险最小化，因而抑制了热应力的产生，并改善了温度特性。

图3是第二实施例的剖面图，图4a和4b示出了第二实施例中的固定电极。具体地说，图4a为当从和隔板相对的一侧看去时，固定电极的侧视图，图4b为从隔板看去时固定电极的侧视图。图3所示的第二实施例中，形状和大小完全相同的固定电极3、4在隔板5相对两侧上彼此相对布置并和隔板5每一侧以间隙29隔开，在使用中，当存在差压时，隔板10产生偏移。隔板5在其相对的表面上具有居中设置的圆形平槽，且隔板的带凹槽的周边接合在相对的固定电极之间。每个固定电极包括一具有引入压力的中心通道3a的绝缘板3和导电金膜4。导电金膜4在绝缘板3面对隔板5的表面上包括一体的中央圆形区域部分4d(和第一实施例中的导电板12对应)，中心通道3a的整个内表面部分4a，正方形区域部分4b以及带状区域部分4c，其中部分4b围绕隔板5一侧的绝缘板3的表面上的中心通道，部分4c从正方形区域部分4b沿径向方向一直延伸至外边缘(见图4)。和第一实施例一样，呈规则正方形的部分4b和用于装入容器内的绝缘体53(见图6)相吻合。用溅镀工艺形成的导电金膜4。在部分4c的外端部和用作测量电容的铝膜31、32电连接。由图3和图4a可以看出，在和隔板5远离的绝缘板表面的外周边缘和带状区域部分2c相对应的位置上倒有斜角3b。隔板5由单晶硅制成，绝缘板3由热膨胀系数与单晶硅接近的硼硅玻璃制成。应当注意，隔板5和绝缘板3之间为阳极偶合。

那么，措施(1)中的C_S1不复存在，沉积在和隔板5相对的固定电极表面上的导电膜4的部分4b和部分4c的总面积可以做的和第一实施例一样小，从而可进一步减小措施(1)中的C_S1+C_S2的值，进一步改善了静态压力范围特性。

若C_S1不存在，其它条件不变，只是部分4b和部分4c的总面积是图5所示的现有技术实例中的导电板14的面积的一半，则如果其他条件相同，因C_S1＝0，

C_S2＝1.7/2＝0.85(PF)

ε＝-[(2+0.85)1.3×10^-2/50(1+1.3·1·10^-4)]·1

  ＝-0.022(％)

按照第二实施例，静态压力范围特性较原来提高了约77％。

在第一实施例中，由于绝缘板1的中心通道3a为两侧开口的梯形锥孔，用溅镀方法在其上形成导电膜4是方便的；通过在绝缘板3上形成倒角1b，便于保证铝膜31，32的导电性；还有一个好处是，硼硅玻璃制成的绝缘板1的热膨胀系数和由单晶硅材料制成的隔板5接近。

本发明具有如下有益效果：

(1)根据第一实施例，可以减小沉积在固定电极上和隔板远离的表面上导电膜的面积(覆盖正方形区域并自正方形区域伸至外边缘的带状区域的部分)，因而，和现有技术相比，采用第一实施例，措施(1)中的C_S1+C_S2的值得以减小，使得静态压力范围特性提高23％。根据第二实施例，C_S1不存在，C_S2同上，进一步减小了措施(1)中的C_S1+C_S2的值，和现有技术相比，采用第二实施例，静态压力范围特性提高77％。

(2)另外，由于绝缘板平面上的外周边缘部分上倒有斜角，因而可以确保由蒸汽沉积工艺制成的用于测量电容的铝膜(分别和引脚A、B、C连接)和带状导电膜区域部之间的导电性，从而有助于精确测量电容和测量差压。

(3)由于制成绝缘板1的材料的热膨胀系数和隔板或导电板接近，固定电极因环境温度变化而出现的热变形受到抑制，因而抑制了热应力的产生，改善了温度特性。

(4)由于绝缘板1的中心通道1a为向内收缩的梯形锥孔，便于采用阴极溅射镀膜工艺形成导电膜，从而可保证厚度均匀，提高导电膜的质量。

Claims (8)

1.一种根据隔板和各固定电极间的电容测量差压的电容式差压检测器，每个固定电极的形状和尺寸完全相同，固定电极通过间隔物以绝缘方式固定在所述隔板的两侧，有差压存在时，隔板产生变形，其特征在于：每一所述固定电极包括：

一绝缘板，其具有穿过它的用于引入压力的第一通道且固定在相应的其中一个所述间隔物上，从而使所述绝缘板和所述隔板相对于所述间隔物相对置放；

一导电板，其固定在所述绝缘板上，所述导电板和所述隔板面对，并由所述相应的间隔物与其隔开一间隙包绕，所述导电板上具有穿过它的用于引入压力的第二通道；

导电膜，它整体沉积在所述绝缘板上，所述导电膜包括：覆盖所述第一压力引入通道的整个内部周向表面且在所述第一压力引入通道的一个端部和所述导电板电连接的一个第一部分；将所述第一压力引入通道的外端包绕起来的且形成于所述绝缘板的远离导电板的表面上的一个第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述绝缘板的外边缘处、用于减小电容的一个第三部分，在此外边缘处，所述第三部分和用于引出电容的端子电连接。

2.一种根据隔板和各固定电极间的电容测量差压的电容式差压检测器，每个固定电极的形状和尺寸完全相同，固定电极安装在的所述隔板的两侧，有差压存在时，隔板产生变形，其特征在于：

所述隔板的每一侧都形成一个槽部，该槽部由所述隔板的边缘部分围住；

每一所述固定电极包括：一绝缘板，它具有第一压力引入通道且固定在所述隔板的所述外边缘部的端面上；一导电膜，它整体沉积在所述绝缘板上，所述导电膜包括：

覆盖所述第一压力引入通道的整个内部周向表面的一个第一部分；将所述第一压力引入通道的一端包绕起来的且形成于所述绝缘板的远离导电板的表面上的一个第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述绝缘板外边缘处的一个第三部分，在此外边缘处，所述第三部分和用于引出电容的端子电连接；面对隔板上的所述槽部的一个第四部分。

3.如权利要求1或2所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述绝缘板的外边缘上和所述第三部分所对应的部分上倒有倒角。

4.如权利要求1所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述隔板和所述导电板均由单晶硅制成，所述绝缘板由热膨胀系数和单晶硅接近的材料制成。

5.如权利要求2所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述隔板由单晶硅制成，所述绝缘板由热膨胀系数和单晶硅接近的材料制成。

6.如权利要求1所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述导电膜由阴极溅射镀膜工艺形成，所述第一压力引入通道和所述第二压力引入通道邻接并且为截顶锥状，其朝向所述第二压力引入通道方向直径逐渐减小。

7.如权利要求2所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述导电膜由阴极溅射镀膜工艺形成，所述通道包括两个互相连通的同轴截顶锥状区域组成，这两个区域的直径彼此沿朝向对方的方向减小。

8.如权利要求1所述的电容式差压检测器，其特征在于，每一个所述间隔物为环形。

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