RU1779958C - Емкостный датчик давлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к измерительной технике и может быть ис; s пользовано в устройствах, примен емых дл  измерени  давлени  в различных област х народного хоз йства. Цель - расширение области применени , повышение технологичности и чувствительности. Сущность изобретени : в емкостный датчик давлени , содержащий корпус 1, первую мембрану 2 с жестким центром и опорным периферийным основанием 3, расположенный на мембране диск 4 и емкостный преобразователь деформаций, введена втора  мембрана 5, идентична  первой и расположенна  зеркально симметрично ей, диэлек6 П фиг.1

Description

трическа  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 концентрично

первому электроду на упругих втулках 11 и 12, жестко соединенных с периферийными основани ми мембран, причем внутренний диаметр диэлектрической втулки 10 равен наружному диаметру первого цилиндрического электрода, срединна  часть которого расположена напротив промежутка 13 между вторым и третьим электродами. Положительный эффект: возможность измерени  избыточного давлени  и разности давлений, повышение технологичности и чувствительности . 3 ил.

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, примен емых дл  измерени  давлени  в различных област х народного хоз йства .

Известен емкостный датчик давлени , содержащий прогибающуюс  мембрану и плоскую эталонную пластинку. На мембране установлены два кольцеобразных электрода , первый  вл етс  чувствительным элементом, второй-эталонным. Эталонна  пластина, обращенна  в сторону прогибаемой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическа  распорка, установленна  в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает посто нное рассто ние между ними, не преп тству  прогибу мембраны. Эталонна  пластина закрываетс  крышкой, котора  по периметру соедин етс  с мембранной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразные электрода образуют эталонный емкостный датчик.

Недостатком известного устройства  вл ютс  довольно значительные габаритные размеры, св занные с необходимостью значительных линейных размеров дл  обеспечени  приемлемых значений емкостей. Другим недостатком этого устройства  вл етс  сравнительно невысокий уровень технологичности, объ сн емый необходимостью применени  сложных технологических процессов формировани  пленарных электродов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции  вл етс 

емкостный датчик давлени , 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, перва  из которых расположена по центру мембраны и диска, а втора  - на консольной части мембраны и на периферии диска, Недостатком известной конструкции  вл етс  сравнительно невысока  технологичность, св занна  с необходимостью применени  сложных технологических процессов, например полировани  поверхности мембраны и пластины до минимально возможной шероховатости, напылени  диэлектрического сло , напылени  электродов, выставление межэлектродного зазора и т. п. Дл  выполнени  этих операций необходимо

сложное и дорогое технологическое оборудование , которое требует специальных технологических помещений с контролируемой и регулируемой окружающей средой (микроклиматом ). Все это не позвол ет производить емкостные датчики с приемлемой дл  многих отраслей народного хоз йства стоимостью .

Недостатком известной конструкции  вл ютс  неширокие функциональные возможности , св занные с тем, что известный датчик не может измер ть давление относительно имеющегос  атмосферного давлени  окружающей среды (т. е. избыточное давление), а также абсолютное давление (т.

е. давление относительно вакуума или давление относительно посто нного давлени  определенной величины). Это св зано с тем, что известна  конструкци  требует, чтобы во внутренней области датчика был вакуум или нейтральный газ посто нного давлени . Попытки заполнени  внутренней полости датчика нейтральной жидкостью, воспринимающей измен ющеес  атмосферное давление окружающей среды, привод т как к серьезному ухудшению технологичности конструкции вследствие заполнени , так и ухудшению чувствительности и метрологических характеристик датчика вследствие вли ни  жидкости.

Недостатком известной конструкции  вл етс  также сравнительно небольша  чувствительность, вызванна  сравнительно небольшой величиной изменени  емкости под воздействием измер емого давлени , св занна  как с небольшой величиной начальной емкости электродов, так и со сравнительно небольшой величиной ее модул ции измер емым давлением.

Согласно изобретению в емкостный датчик давлени , содержащий корпус, новую мембрану с жестким центром и опорным периферийным основанием, расположенный на мембране диск и емкостный преобразователь деформации, введена втора  мембрана, идентична  первой и расположенна  зеркально симметрично ей, диэлектрическа  втулка и две упругих втулки, диск закреплен между жесткими центрами мембран, а емкостный преобразователь деформации выполнен в виде трех цилиндрических электродов, первый из которых своей срединной частью жестко соединен с диском по его периферии и электрически изолирован от него, а второй и третий электроды выполнены в виде одинаковых колец, расположенных с зазором относительно друг друга на диэлектрической втулке, закрепленной концентрично первому на упругих втулках, жестко соединенных с периферийными основани ми, причем внутренний диаметр диэлектрической втулки равен наружному диаметру первого цилиндрического электрода, срединна  часть которого расположена напротив зазора между вторым и третьим электродами, при этом геометрические размеры электродов св заны следующими соотношени ми:

Hi H2,3 + S, N2,3 2М, где Hi - ширина первого цилиндрического электрода;

Н2,з - ширина второго и третьего электродов;

S - величина зазора между вторым и третьим электродами;

М - максимальна  величина перемещени  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

0 мембране и опорному основанию расшир ет функциональные возможности, так как позвол ет измер ть за вл емым датчиком как избыточное давление, так и разность давлений. Выполнение двух электродов в

5 виде жестко соединенной с диском по его периферии цилиндрической токопровод - щей втулки, расположенной концентрично периферийным основани м и электрически изолированной от них, и выполнение двух

0 других электродов в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне диэлектрической втулки, закрепленной концентрично токопровод щей втулке, позвол ет повысить технологичность и

5 чувствительность в св зи с возможностью исключени  трудноуправл емых операций полировки, вакуумного напылени  изол ционных и электродных слоев и выставлени  межэлектродных зазоров, требующих доро0 того и сложного оборудовани , а также в св зи с увеличением как начальной емкости электродов, так и величины их модул ции измер емым давлением вследствие существенного превышени  диэлектрической про5 ницаемости диэлектрической втулки по сравнению с диэлектрической проницаемостью воздуха или вакуума, используемого в качестве диэлектрика в прототипе. Закрепление диэлектрической втулки на кра х уп0 ругих втулок позвол ет обеспечить минимальный воздушный зазор между диэлектрической и токопровод щей втулками, Это достигаетс  за счет того, что при наматывании гибкого диэлектрика, из кото5 рого изготавливаетс  диэлектрическа  втулка , за счет упругости упругих втулок диэлектрическа  втулка точно воспринимает форму и размеры токопровод щей втулки . Внутренний диаметр диэлектрической

0 втулки равен наружному диаметру токопровод щей втулки как дл  обеспечени  максимального значени  начальной емкости электродов, так и величины изменени  емкостей от измер емых давлений за счет мак5 симального исключени  воздушного зазора. Расположение середины токопровод щей втулки против середины промежутка между электродами диэлектрической втулки позвол ет отслеживать разностороннее перемещение токопровод щей втулки,

т. е, учитывать различное сочетание давлений , воздействующих на основную и дополнительную мембраны. Соотношени  между размерами элементов конструкции подтверждаетс  следующими соображени ми. Из анализа фиг. 4 б, в, видно, что Н8 Н + S, так как в случае, если ширина втулки будет больше суммы электрода диэлектрической втулки и промежутка между электродами, то будет не полна  модул ци  емкости конденсатора при воздействии максимального превышени  давлени , воздействующего на основную мембрану, или неполна  модул ци  емкости конденсатора С - 8 при воздействии максимального превышени  давлени  со стороны дополнительной мембраны , так как при воздействии соответствующих максимальных разностей давлений эти емкости не будут равны нулю. Если же ширина токопровод щей втулки и промежутка между электродами, то по витс  немонотонность и неоднозначность изменени  емкостей, св занна  с тем, что, например, при повышении давлени  со стороны основной мембраны при некоторой его величине наступает такой момент, когда дальнейшее превышение давлени  со стороны основной мембраны на приводит к уменьшению емкости конденсатора С - 9 в св зи с ограниченной шириной токопровод щей втулки. Аналогичные  влени  происход т и в случае превышени  давлени  со стороны дополнительной мембраны. Из анализа фиг.4 а видно, что

М Н+ f Подставл   в это выражение Нв Н + S и привед  необходимые преобразовани , получим Н 2 М.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давлени ; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - возможное положение токопровод щей втулки и электродов при равенстве давлений, воздействующих на основную и дополнительную мембрану (фиг. 3 а), при максимальном превышении давлени , воздействующего на основную мембрану, давлени  воздействующего на дополнительную мембрану (фиг. 3 б), и при максимальном превышении давлени , воздействующего на дополнительную мембрану , давлени , воздействующего на основную мембрану (фиг. 3 в).

Емкостный датчик давлени  содержит корпус 1, мембрану 2 с периферийным основанием 3, диск 4, закрепленный на мембране , и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов. Дополнительна  мембрана 5, жестко соединенна  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 токопровод щей втулки 7, расположенной концентрично периферийным основани м и электрически изолированной от них. Два другие электрода 8 и 9

0 выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне диэлектрической втулки 10, закрепленной концентрично токопровод щей втулке на кра х упругих втулок 11 и 12, жестко соединенных

5 с недеформированной частью периферийных оснований. Внутренний диаметр диэлектрической втулки равен наружному диаметру токопровод щей втулки. Середина токопровод щей втулки расположена

0 против середины промежутка 13 между электродами диэлектрической втулки. Элементы конструкции выполнены в соответствии с за вл емыми соотношени ми. При максимальной величине перемещени  токо5 провод щей втулки М 1мм; 5 0,1мм; Н 2 мм; Нв 2,1 мм. Дл  уменьшени  жесткости на кра х упругих втулок 11 и 12 вдоль их образующих выполнены равномерно размещенные прорезы (не показаны).

0 Выполнение диска из любого диэлектрического материала, например керамики, кварца, поликора, позвол ет осуществить электрическую изол цию токопровод щей втулки от периферийных оснований спосо5 бами, например, при помощи пайки, диффузионной сварки и т. п. Корпус датчика выполнен из сплава 12Х12Н10Т; мембраны, опорные основани  выполнены из сплава 36НХТЮ. Токопровод ща  втулка выполне0 на из сплава 29НК. Кольцевые электроды 8 и 9 выполнены фотолитографией фольгиро- ванной полиамидной пленки толщиной 20 мкм. Толщина никелевой фольги 10 мкм. Периферийные основани  частично выполие5 ны в виде сильфонов 14, а основна  и дополнительна  мембраны выполнены за одно целое с диском.

Емкостный датчик давлени  работает следующим образом.

0 В начальном состо нии, при измер емом давлении, воздействующем на основную мембрану, равном давлению, воздействующему на дополнительную емкость конденсаторов, образованных элект5 родами 7 и 8 (С - в), а также и 9 (Су - 9), вследствие выбранного их взаимного положени  будут равны между собой С - 8 С - 9 (фиг. 3 а). В случае превышени  измер емого давлени , воздействующего на основную мембрану, давлени , воздействующего на

дополнительную мембрану, в результате деформации мембран и периферийных оснований токопровод ща  втулка переместитс  таким образом, что емкость конденсатора С - о увеличитс , а емкость конденсатора С - 9 уменьшитс . При воздействии максимальной разницы давлений, воздействующих на основную мембрану и дополнительную мембрану, токопровод ща  втулка примет положение, изображенное на фиг. 3 б. При этом емкость конденсатора С - 8 будет максимальна, а .емкость конденсатора С - 9 минимальна и равна 0. В случае превышени  давлени , действующего на дополнительную мембрану , в результате деформаций мембраны и периферийных оснований токопровод ща  втулка переместитс  таким образом, что емкость конденсатора С - 8 уменьшитс , а емкость конденсатора С - 9 увеличитс . При максимальном превышении давлени , воздействующего на дополнительную мембрану , давлени , воздействующего нэ основную мембрану, токопровод ща  втулка примет положение,изображенное на фиг. 3 в. При этом емкость конденсатора С - 8 будет минимальна , а емкость конденсатора С - 9 максимальна  и равна 0. Электроды конденсаторов электрически св заны с контактами 14 гермоколодки 15. Измер   значени  емкостей конденсаторов С - 8 и С - 9, можно однозначно судить о соотношени х давлений , воздействующих на основную и допол- нительную мембраны.

Таким образом, а зависимости от соотношений давлений, действующих на основную и дополнительную мембраны, емкость конденсаторов С - 8 и Су - 9 монотонно мен етс  от 0 до максимальных значений, что, no-первых, говорит об однозначном соответствии величин емкости измер емым давлени м, а во-вторых, о 100% модул ции величин емкостей конденсаторов измер емым давлением. В св зи с тем, что в качестве давлени , воздействующего на дополнительную мембрану, может выступать как давление окружающей датчик атмосферы , так и любое другое давление, изолированное от давлени , воздействующего на основную мембрану, за вл емый датчик может измер ть как избыточное давление , так и разность давлений, Причем возможность измерени  избыточного давлени  или разности давлени  в за вл емой конструкции достигаетс  без применени  дополнительной нейтральной жидкости со всеми присущими ей недостатками, св занными со сложностью заполнени  и герметизации заполненных жидкостью полостей, а также уменьшением чувствительности и ухудшением точности, вызванных неидентичностью характеристик этой жидкости.Другим преимуществом за вл емой конструкции  вл етс  повышение технологичности за счет исключени  трудноуправл емых технологических процессов подготовки поверхностей , напылени  диэлектрических и электродных слоев, выставлени  межэлектродных зазоров, устранени  неооходимости использовани  сложного и дорогого оборудовани . Преимуществом за вл емой конструкции  вл етс  также повышение чувствительности вследствие увеличени  емкости за счет увеличени  площади электродов из-за их непланарного размещени  и за счет увеличени  емкости электродов вследствие повышени  диэлектрической проницаемости межэлектродных зазоров, вследствие1 применени  материалов с диэлектрической проницаемостью, превышающей диэлектрическую проницаемость вакуума или воздуха, которые в прототипе примен ютс  в качестве межэлектродной среды.

Claims (1)

1. Формула изобретен и  

   Емкостный датчик давлени , содержащий корпус, первую мембрану с жестким центром и опорным периферийным основанием , расположенный на мембране диск и

   емкостный преобразователь деформации, отличающийс  тем, что, с целью расширени  области применени , повышени  технологичности и чувствительности, в него введены втора  мембрана, идентична 

   первой и расположенна  зеркально симметрично ей, диэлектрическа  втулка и две упругие втулки, диск закреплен между жесткими центрами мембран, а емкостный преобразователь деформации выполнен в

   виде трех цилиндрических электродов, первый из которых своей срединной частью жестко соединен с диском по его периферии и электрически изолирован от него, а второй и третий электроды выполнены D виде одипаковых колец, расположенных с зазором относительно друг друга на диэлектрической втулке, закрепленной концентрично первому электроду на упругих втулках, жестко соединенных с периферийными основани ми мембран, причем внутренний диаметр диэлектрической втулки равен наружному диаметру первого цилиндрического электрода, срединна  часть которого расположена напротив зазора между вторым и третьим электродами, при этом геометрические размеры электродов св заны следующими соотношени ми:

   H1 H2.3+S, Н2,3 2 М,

   где Hi - ширина первого цилиндрического электрода:

   Н2, з ширина второго и третьего электродов;д

   /

   Xfx

   S - величина зазора между вторым и третьим электродами;

   М - максимальна  величина перемещени  первого электрода при максимальном давлении.

   /У

   фиг. 2

   7