RU1812459C - Емкостный датчик давлени и способ его изготовлени и градуировки - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измеритель- . ной технике и может быть использовано дл  измерени  давлени  в широком диапазоне температур. Цель: формирование термозависимого сигнала дл  учета температур электродов преобразовател  перемещений мембраны в услови х воздействи  нестационарных температур на емкостный датчик давлени . Сущность изобретени : в емкостном датчике давлени , содержащем корпус, мембрану с жестким центром, опорным основанием , диск, закрепленный с зазором относительно мембраны, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками , перва  из которых расположена по центру мембраны и диска, а втора  - на опорном основании и периферии диска, 2 электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединённых перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистивных полос из материала, температурный коэффициент сопротивлени  которого не равен нулю, а резистивные полосы размещены концент- рично центру мембраны. В способе изготовлени  и градуировки емкостного датчика давлени , заключающемс  в формировании электродов на мембране, опорном основании и диске, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, измер ют электрическое сопротивление каждого электрода между основной и дополнительной контактными площадками, измер ют емкость каждой пары электродов, подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой до прекращени  изменени  сопротивлени  электродов, воздействуют на датчик градуировочным давлением дл  каждой фиксированной температуры и регистрируют значени  сопротивлений электродов и емкостей каждой пары электродов в виде матриц градуиро- вочных значений давлени  при различных температурах. Положительный эффект: уменьшение температурной погрешности датчика при измерени х в широком диапазоне температур в том числе, при воздействии нестационарной температуры. 2 с.п.: ф-лы, 2 ил. (Л с со го -N с  чэ

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в датчиках дл  измерени  статического и динамического давлени  в широком диапазоне температур.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение температурной погрешности за счет возможности учета температуры мембраны и опорного основани  непосредственно в месте расположени  электродов.

Согласно изобретению в емкостном датчике давлени , содержащем корпус, мембрану с жестким центром и опорным основанием, и преобразователь перемещени  в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, перва  из которых расположена по центру мембраны и диска, а втора  - в опорном основании и периферии диска, электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединенных перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистивных полос из материала, температурный коэффициент сопротивлени  которого не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны .

В способе изготовлени  и градуировки емкостного датчика давлени , заключающемс  в формировании электродов на мембране , опорном основании и диска, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, электроды на мембране и опорном основании формируют в виде тонкопленочных терморезисторов , а при градуировке измер ют электрическое сопротивление каждого электрода и емкость каждой пары электродов , подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур до прекращени  изменени  сопротивлени  электродов, воздействуют на датчик градуировочным давлением дл  каждой фиксированной температуры и регистрируют значени  сопротивлений электродов и емкостей каждого пары электродов в виде матриц градуировочных значений давлени  при различных температурах.

Выполнение электродов, расположенных на мембране и опорном основании в виде последовательно соединенных перемычками между собой и дополнительными контактными площадками резистивных полос , позвол ет повысить сопротивлени  электродов на 1-2 пор дка по сравнению с традиционным выполнением электродов, сопротивление которых не превышает дес тых долей Ома, что не позвол ет измер ть с приемлемой точностью изменени  сопротивлений электродов в реальных услови х эксплуатации. Резистивные полосы выполнены из материала, температурный коэффициент сопротивлени  которого не равен .нулю тик, как в противном случае изменени  сопротивлений электродов от температуры будут также равны нулю. Дл  большей чувствительности к температуре необходимо, чтобы ТКС материала электрода был максимальным . Расположение резистивных полос концентрично центру мембраны

позвол ет получить максимальное значение сопротивлени  электродов при сохранении необходимого значени  их емкости за счет оптимального использовани  площади размещени  электродов. Измерение электри0 ческого сопротивлени  каждого электрода и емкостей каждой пары электродов при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур при отсутствии и воздействии измер емого дав5 лени  позвол ет сформировать матрицу значений емкостей электродов, однозначно св занных с их сопротивлени ми, а, следовательно , и воздействующей температурой. Выдержка при фиксированной температуре

0 до прекращени  изменени  сопротивлени  обеспечивает более точное соответствие между сопротивлением электрода и воздействующей температурой.

На фиг. 1 изображен предлагаемый ем5 костный датчик давлени ; на фиг.,2 - топологи  электродов, размещенных на мембране и опорном основании.

Соотношени  между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и

0 размерами других элементов конструкции дл  нагл дности изменены. Емкостный датчик давлени  содержит корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3 и опорным основанием 4, диск 5, закрепленный с зазором на

5 опорном основании, и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками 6, перва  из которых 7 расположена по центру мембраны и диска; а втора  8 - на опорном

0 основании и периферии диска. Электроды, расположенные на мембране и опорном основании , выполнены в виде последовательно соединенных перемычками 9 между собой и дополнительными контактными

5 площадками 10 резистивных полос 11 из материала, температурный коэффициент сопротивлени  которого,не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны. При небольшой

0 скорости изменени  температуры измер емой среды достаточно выполнение только одного из электродов в риде резистивных полос, например электрода, расположенного на опорном основании. Мембрана, опор5 мое основание и диск выполнены из сплава 70НХБМЮ. На поверхности мембраны с опорным основанием и диска нанесена диэлектрическа  пленка в виде композиции АЬОз-ЗЮа. Электроды выполнены в виде композиции Mo-N((,8 -10 3°C 1).

Способ реализуетс  следующим образом . Методами тонкопленочной технологии Формируют электроды на мембране, опорном основании и диске. Присоедин ют выводные проводники 12 к основным и дополнительным контактным площадкам электродов, Закрепл ют диск на опорном основании, например, при помощи лазерной сварки. Присоедин ют выводные проводники к гермоконтактам 13. Вакуумируют и герметизируют корпус. Измер ют электрическое сопротивление каждого электрода . Сопротивление электрода, расположенного на мембране, измер ют между основной контактной площадкой 6 и дополнительной контактной площадкой 10. Сопротивление электрода, расположенного на опорном основании, измер ют между его основной контактной площадкой 6 и дополнительной контактной площадкой 10 в нормальных климатических услови х (температура равна +25°С). Измер ют емкости электродов каждой пары в нормальных климатических услови х (температура +25°С). Подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур. Рабочий диапазон температур в нашем случае от минус 50 до +400°С. Выбирают фиксированные температуры минус 50°С, 0°С, +50°С, -МОО°С, 150°С, +200°С,+250°С,300°С,350°С,400°С. При каждой фиксированной температуре без воздействи  и при воздействии измер емого давлени  выдерживают датчик до прекращени  изменени  сопротивлени  электродов. Прекращение изменени  сопротивлени  электродов говорит об установившемс  процессе воспри ти  температуры электродом, Регистрируют значени  сопротивлени  электродов и емкость каждой пары электродов. Процесс регистрации и задани  температуры сравнительно просто поддаетс  автоматизации . Регистраци  может проводитьс  как на бумажных, так и не на бумажных носител х . Таким образом, дл  каждого датчика получают матрицу значений сопротивлений и емкостей электродов при различных температурах и давлени х. Име  такую матрицу , потребителю сравнительно несложно учесть температуру реальных условий эксплуатации датчика. При этом могут быть использованы как автоматические, например, при помощи микропроцессоров, так и неавтоматические методы обработки. Дл  устранени  взаимного вли ни  процессов измерений сопротивлений и емкостей возможно применение временной или другой селекции сигналов.

Емкостный датчик давлени  работает следующим образом. Под воздействием из- 5 мер емого давлени  на мембрану датчика, жесткий центр мембраны, а, следовательно, и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод первой пары перемещаетс  в направлении неподвижного

0 электрода, В результате этого межэлектродный зазор этой пары электродов уменьшаетс , а его емкость соответственно увеличиваетс . Емкость второй пары электродов не зависит от измер емого давлени 

5 вследствие сравнительно массивного опорного основани . Сопротивление электродов от давлени  не зависит вследствие расположени  электродов на жестком центре и опорном основании. Значени  емкостей

0 первой и второй пар электродов через контактные площадки, выводные проводники 12 и гермоконтакты 13 передаютс  на нормирующее устройство (фиг. 1, 2 не показано ), которое формирует выходной- сигнал,

5 завис щий от отношени  емкостей второй и первой пар электродов, а,следовательно, и от измер емого давлени .

При воздействии на датчик реальной температуры эксплуатации емкости элект0 родов первой и второй пар электродов ме- н ютс  неодинаково. В силу этого по вл етс  температурна  погрешность. Сопротивление электродов измен етс  в соответствии с их температурой, т.е. темпе5 ратуре электродов соответствует вполне оп- ределенное значение сопротивлени  электродов. Поэтому в за вл емом решении можно учесть температурную погрешность, так как при воздействии реальной темпера0 туры эксплуатации сопротивление электродов однозначно св зано с их температурой. Т.е. по значению сопротивлени  электродов можно оценить их реальную температуру и минимизировать температурную погреш5 ность. Причем по значению сопротивлени  электродов первой и второй пар, расположенных соответственно по центру мембраны и опорном основании, можно определить и разность температур в центре

0 мембраны и на опорном основании, т.е. можно вводить динамическую поправку, учитывающую нестационарную температуру измер емой среды. Под нестационарной температурой понимаетс  температура

5 эксплуатации, мен юща с  в течение времени .

Температурна  погрешность в диапазоне температур от минус 50°С до +400°С емкостного датчика давлени  в соответствии с предлагаемым решением составл ет 2 -10

. Температурна  погрешность в диапазоне температур от минус 50 до +400°С известного емкостного датчика давлени  составл ет 2 . Таким образом, технико-экономическим преимуществом за вл емого решени , по сравнению с прототипом,  вл етс  уменьшение, примерно на пор док, температурной погрешности в широком диапазоне температур за счет учета температуры мембраны и опорного основани  непосредственно в месте расположени  электродов..

Преимуществом за вл емого решени   вл етс  также возможность уменьшени  погрешности от воздействи  нестационарной температуры вследствие учета неравномерности распределени  температур на мембране и опорном основании.

Фор мул а изобретени  1. Ёмкостный датчик давлени , содержащий корпус, мембрану с жестким центром и опорным основанием, диск, закрепленный с зазором на опорном основании , и преобразователь перемещени  в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, перва  из которых расположена по центру мембраны и диска, а втора  - на опорном основании и периферии диска, отличающийс   тем, что, с целью формировани  термозависимого сигнала дл  учета температур электродов преобразовател  перемещений в услови х воздействи  нестационарных температур на датчик, в нем электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединенных перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистив- ных полос из материала, температурный коэффициент сопротивлени  которого не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны.

2. Способ изготовлени  и градуировки

емкостного датчика давлени , заключающийс  в формировании электродов на мембране , опорном основании и диске, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, о тличзющийс  тем, что, с целью уменьшени  температурной погрешности датчика при измерени х в широком диапазоне температур , электроды на мембране и опорном основании формируют в виде тонкопленочныхтерморезисторов , а при градуировке измер ют электрическое сопротивление каждого электрода и емкость каждой пары электродов, подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур до прекращени  изменени  сопротивлени  электродов, воздействуют на датчик градуировочным

давлением дл  каждой фиксированной температуры и регистрируют значени  сопротивлений электродов и емкостей каждой пары электродов в виде матриц градуиро- вочных значений давлени  при различных

температурах.

&HZ.Z