SU1719941A1

SU1719941A1 - Pressure pickup

Info

Publication number: SU1719941A1
Application number: SU904783101A
Authority: SU
Inventors: Виктор Александрович Зиновьев; Анатолий Иванович Русских; Виктор Яковлевич Дуркин; Вячеслав Борисович Акимов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1990-01-16
Filing date: 1990-01-16
Publication date: 1992-03-15

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к емкостным датчикам давлени . Цель изобретени - повышение точности измерени за счет уменьшени нелинейности и повышени чувствительности. Датчик содержит мембрану 1, выполненную заподлицо в торце цилиндрического основани , диск 3, крышку 2 в виде стакана. На пленарной стороне мембраны 1 и диске 3 в зеркально отображенном виде размещены центральные 7 и периферийные 8 электроды. В днище крышки 2 установлены упорные винты 6, расположенные напротив жесткой кольцевой части диска, через центральное отверстие в днище крышки пропущена закрепленна в центре диска шпилька 4, на другой конец которой навинчена гайка 5. При подаче давлени мембрана шрогибаетс и измен етс емкость центрального конденсатора, по которой суд т о давлении. Предусматриваетс регулировка нелинейности градуировочной характеристики в зависимости от характера изменени чувствительности ослаблением или усилением нат га гайки 5, а также в зависимости от величины чувствительности при предельном давлении перемещение диска 3 либо к мембране 1, либо от мембраны равномерным регулированием нат га винтов 6 и гайки 5. 2 ил.This invention relates to a measurement technique, namely, capacitive pressure sensors. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy by reducing the nonlinearity and increasing the sensitivity. The sensor contains a membrane 1, which is made flush at the end of the cylindrical base, a disk 3, a cover 2 in the form of a glass. On the plenary side of the membrane 1 and disk 3 in a mirror-image are placed the central 7 and peripheral 8 electrodes. In the bottom of the cover 2, stop screws 6 are installed opposite the rigid annular disk part, a pin 4 fixed in the center of the disk is passed through the central hole in the bottom of the cover, the nut 5 is screwed to the other end of the disk. When the pressure is applied, the membrane of the central condenser on which to judge about pressure. Adjustment of the nonlinearity of the calibration characteristic is provided depending on the nature of the sensitivity change by loosening or increasing the nut tension 5, as well as depending on the magnitude of the sensitivity at the limiting pressure, moving the disc 3 either to the membrane 1 or from the membrane by uniformly adjusting the tension of screws 6 and nut 5. 2 Il.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления, и может быть использовано для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред.The invention relates to measuring equipment, in particular to pressure sensors, and can be used to measure the static and dynamic pressures of liquid and gaseous media.

Известны емкостный датчик и способ его изготовления, заключающийся в формировании двух диэлектрических оснований, вакуумировании диэлектрических оснований до более глубокого, по сравнению с рабочим, вакуума, нагревании диэлектрического основания до температуры, превышающей максимальную рабочую температуру, выдерживании диэлектрического основания при этой температуре в вакууме, снижении температуры до расчетной величины, а затем нанесении электродов при этой температуре.A capacitive sensor and a method for its manufacture are known, which consists in forming two dielectric bases, evacuating the dielectric bases to a deeper vacuum compared to the working one, heating the dielectric base to a temperature exceeding the maximum working temperature, keeping the dielectric base at this temperature in vacuum, reducing temperature to the calculated value, and then applying the electrodes at this temperature.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является емкостный датчик давления, содержащий прогибающую мембрану и плоский диск. На мембране установлены два кольцеобразных электрода: первый является чувствительным элементом, второй - эталонным. Диск обращен а сторону прогибаемой поверхности мембраны, содержит кольцеобразный электрод, который вместе с электродом образует чувствительную к измерительному параметру емкость датчика. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и диском, поддерживает постоянным расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны. Диск закрывается корпусом, который по периметру соединяется с мембраной. На крышке установлен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует кольцеобразному эталонному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонную емкость датчика.The closest in technical essence to the proposed is a capacitive pressure sensor containing a deflection membrane and a flat disk. Two ring-shaped electrodes are installed on the membrane: the first is a sensitive element, the second is a reference. The disk faces the deflected surface of the membrane and contains an annular electrode, which together with the electrode forms a sensor capacitance sensitive to the measurement parameter. A mechanical spacer installed in the central part of the space between the membrane and the disk maintains a constant distance between them, without interfering with the deflection of the membrane. The disk is closed by a housing, which is connected to the membrane along the perimeter. A reference ring-shaped electrode is installed on the lid, the position of which corresponds to a ring-shaped reference electrode on the membrane. These two ring-shaped electrodes form the reference capacitance of the sensor.

Недостатками известного датчика являются значительная нелинейность характеристики и малая чувствительность, обусловленные тем, что нет механизма выставки зазора между электродами, в результате чего снижается точность измерения.The disadvantages of the known sensor are significant non-linearity of the characteristics and low sensitivity, due to the fact that there is no mechanism for exhibiting the gap between the electrodes, resulting in reduced measurement accuracy.

Цель изобретения - повышение точности за счет уменьшения нелинейности и повышение чувствительности.The purpose of the invention is to increase accuracy by reducing non-linearity and increasing sensitivity.

Поставленная цель достигается тем, что датчик давления, содержащий мембрану, выполненную заподлицо в торце цилиндрического основания, диск, установленный с зазором напротив мембраны, крышку в виде стакана, закрепленную по периферии торца основания, круглые электроды, размещенные на диске и мембране, и кольцевые электроды, размещенные на диске_и торцовой поверхности основания, снабжен резьбовой шпилькой с гайкой и упорными винтами, а диск выполнен с утонченной упругой центральной частью, диаметр которой равен диаметру мембраны, и жесткой кольцевой частью, причем в днище крышки выполнены сквозное центральное отверстие и резьбовые отверстия, расположенные напротив жесткой кольцевой части диска, при этом в центре диска закреплен один конец ^jшпильки, пропущенной через центральное отверстие днища крышки, на другом конце, которой навинчена гайка, а упорные винтып установлены в резьбовых отверстиях.This goal is achieved by the fact that a pressure sensor containing a membrane flush at the end of the cylindrical base, a disk mounted with a gap opposite the membrane, a cup-shaped lid mounted on the periphery of the base end, round electrodes placed on the disk and the membrane, and ring electrodes located on the disk_and the end surface of the base, is equipped with a threaded rod with a nut and thrust screws, and the disk is made with a refined elastic central part, the diameter of which is equal to the diameter of the membrane, and rigid the annular portion, wherein the bottom cover are made through the central hole and threaded holes located opposite rigid annular portion of the disc, while in the center of the disk is secured one end of the ^j rods passed through the central opening of the cover bottom at the other end, which is screwed a nut, and the ball bearings Screws are installed in threaded holes.

Положительный эффект, заключа ющийся в увеличении точности, достигается за счет точности выставки величины зазора и придания профильной формы диска вместе „ с электродом измерительной емкости.The positive effect of increasing the accuracy is achieved due to the accuracy of exhibiting the gap value and shaping the disk shape together with the electrode of the measuring capacitance.

Нафиг. 1 показаны конструкция датчика давления и топология электродов на поверхности мембраны; на фиг. 2 - профильность (вогнутость) диска по отношению к мембране.Haha. 1 shows the design of the pressure sensor and the topology of the electrodes on the surface of the membrane; in FIG. 2 - profile (concavity) of the disk in relation to the membrane.

Датчик давления включает мембрану 1, крышку 2, диск 3, закрепленный в крышке 2 с помощью резьбовой шпильки 4 и гайки 5. Последняя служит для поджатия диска 3 до упора к винтам 6, которые установлены по периферии корпуса 2. На планарной стороне мембраны 1 и диске 3 в зеркально отображенном виде размещены центральные 7 и периферийные 8 электроды.The pressure sensor includes a membrane 1, cover 2, disk 3, mounted in cover 2 with a threaded rod 4 and nut 5. The latter serves to press the disk 3 against the stop to the screws 6, which are installed on the periphery of the housing 2. On the planar side of the membrane 1 and disk 3 in a mirrored form placed central 7 and peripheral 8 electrodes.

Датчик давления работает следующим образом.The pressure sensor operates as follows.

При подаче измеряемого давления Р_х на мембрану 1 происходит ее прогиб, и при давлении (0,4-0,6) Рн по профилю она приобретает точно Такую же форму, как и диск 3, т. е. происходит относительное перемещение центрального электрода 7, расположенного в центре мембраны 1, в результате чего изменяется (увеличивается) емкость центрального конденсатора на величину Сх и становится равнойWhen the measured pressure P _{x is} applied to the membrane 1, it deflects, and at a pressure of (0.4-0.6) pH along the profile it acquires exactly the same shape as disk 3, i.e., the relative movement of the central electrode 7 located in the center of the membrane 1, as a result of which the capacity of the central capacitor changes (increases) by the value of Cx and becomes equal to

Сц=С₀+Сх, где Сц - емкость центрального конденсатора, состоящего из электродов 7;SC = C ₀ + CX, where SC is the capacitance of the central capacitor, consisting of electrodes 7;

Со - емкость центрального конденсатора на самом низком уровне измеряемого давления;Co is the capacitance of the central capacitor at the lowest measured pressure level;

Сх - величина приращения емкости от уменьшения зазора за счет выпуклости мембраны.Cx is the value of the increment of the capacitance from reducing the gap due to the convexity of the membrane.

Учитывая, что при воздействии давления зазор между периферийными электродами 8, образующими эталонный конденсатор, не меняется, а также то, что площади электродов 7 и 8 равны между собой, емкость Сэ остается постоянной при любом давлении и равна СоGiven that under the influence of pressure, the gap between the peripheral electrodes 8 forming the reference capacitor does not change, and also that the areas of the electrodes 7 and 8 are equal to each other, the capacitance Ce remains constant at any pressure and is equal to Co

Сэ⁼Со, где С_э ~ величина емкости эталонного конденсатора, состоящего из периферийных электродов 8.Ce ⁼ Co, where C _e ~ is the capacitance of a reference capacitor consisting of peripheral electrodes 8.

Таким образом, при воздействии давления Рх емкость измерительного конденсатора Сц, состоящего из электродов 7, увеличивается на величину Сх, а емкость эталонного конденсатора Сэ, состоящего из периферийных электродов 8,· не изменяется.Thus, when exposed to pressure Px, the capacitance of the measuring capacitor Cs consisting of electrodes 7 increases by a value Cx, and the capacity of the reference capacitor Cs consisting of peripheral electrodes 8 does not change.

В преобразователе емкости в напряжение выходной сигнал изменяется пропорционально величине отношение емкостей измерительного конденсатора к эталонноС f р Ί му ^х< . Величина эТого отношения соотСз ( Рх )In the capacitor-to-voltage converter, the output signal changes in proportion to the ratio of the capacitances of the measuring capacitor to the reference C f p Ί ^{x x} <. The magnitude of this ratio is respectively (Px)

Сц / η \ Со + Сх ветствует значению ( Рх ) =---~,Sc / η \ Co + Cx corresponds to the value (Px) = --- ~,

Сэ Со т, е. выходной сигнал изменяется пропорционально изменению давления Р_х.Се Сot, i.e., the output signal changes in proportion to the change in pressure P _x .

Повышение чувствительности в датчике’ обеспечивается минимизацией до предельно возможной величины зазора между мембраной 1 и диском 3, а следовательно, между..электродами 7 и 8 конденсаторов за счет резьбового штока 4 и установленной на нем гайки 5, с помощью которой поджимают диск 3 до упора к винтам 6. Величину зазора устанавливают в соответствии с требованиями величины емкости и ее девиации от предельного давления, т. е. обеспечивают максимальную чувствительность, которая возможна при заданной поверхности электродов. При помощи поджатия гайки 5 и уменьшения сечения за счет проточки на диске 3 обеспечивается профилирование (вогнутость) электрода 7, аналогичного по профилю (выпуклости) мембраны 1 при (0,40,6) Рн (фиг. 2); Рн - предельно допустимое давление.Increasing the sensitivity in the sensor 'is ensured by minimizing to the maximum possible value the gap between the membrane 1 and the disk 3, and therefore between the .. electrodes 7 and 8 of the capacitors due to the threaded rod 4 and the nut 5 installed on it, with which the disk 3 is pressed against the stop to screws 6. The size of the gap is set in accordance with the requirements of the size of the capacitance and its deviation from the limiting pressure, that is, they provide the maximum sensitivity that is possible with a given surface of the electrodes. By tightening the nut 5 and reducing the cross section due to the groove on the disk 3, the profiling (concavity) of the electrode 7 is provided, which is similar in profile (convexity) to the membrane 1 at (0.40.6) pH (Fig. 2); PH - maximum permissible pressure.

Таким образом, вогнутый профиль поверхности диска 3 позволяет более равномерно осуществлять сближение между электродами 7, в результате чего повышает ся чувствительность и снижается нелинейность градуировочной характеристики.Thus, the concave profile of the surface of the disk 3 makes it possible to more evenly approach each other between the electrodes 7, as a result of which the sensitivity increases and the nonlinearity of the calibration characteristic decreases.

В таблице приведены характерные статические данные для емкостных датчиков давления, разработанных по прототипу (№ 1-5) и по изобретению (№ 6-10).The table shows the characteristic static data for capacitive pressure sensors developed according to the prototype (No. 1-5) and according to the invention (No. 6-10).

Из таблицы видно, что нелинейность уменьшается практически на порядок, а условный показатель чувствительности Сц/Сэ (Рн)в предлагаемой конструкции датчика, возрастает в два раза, причем во всех датчиках имеет одинаковую величину.The table shows that the non-linearity decreases by almost an order of magnitude, and the conditional sensitivity indicator Sc / Ce (Rn) in the proposed sensor design doubles, moreover, it has the same value in all sensors.

Кроме того, в предлагаемом датчике ' уменьшается основная погрешность у₀ в 2-In addition, in the proposed sensor 'decreases the basic error at ₀ in 2-

2,5 раза, что свидетельствует о повышении точности датчика по сравнению с известной конструкцией.2.5 times, which indicates an increase in the accuracy of the sensor compared to the known design.

Предлагаемый датчик и способ его настройки выгодно отличаются от прототипа повышенной в 2-2,5 раза точностью при более технологическом уровне изготовления.The proposed sensor and the method of its adjustment compares favorably with the prototype in 2-2.5 times higher accuracy at a more technological level of manufacture.

Claims

Claim

A pressure sensor containing a membrane. flush at the end of the cylindrical base, a disk mounted with a gap opposite the membrane, a cup-shaped lid fixed on the periphery of the base end, circular electrodes placed on the disk and membrane, th ring electrodes placed on the disk and the butt surface of the base, distinguishing in order to increase accuracy by reducing non-linearity and increasing sensitivity, it is equipped with a threaded rod with a nut and thrust screws, and the disk is made with a thinned (elastic central part, cat diameter the swarm is equal to the diameter of the membrane and the rigid annular part, moreover, a through center hole and threaded holes located opposite the rigid annular part of the disk are made in the bottom of the lid, with one end of the pin passing through the central hole of the lid bottom on the other at the end of which a nut is screwed, and the stop screws are installed in the threaded holes.

Sensor No. Execution option Nonlinearity, Un,% Sensitivity, --- (P _n ) V3 Error Y <e ·% 1 According to the prototype +0.42 3.2 0.13 2 +0.41 3.1 0.24. 3 +0.32 3.7 0.36 4 +0.28 4.0 0.24 5 +0.35 3.0 0.17 6 According to the invention +0.09 6.1 0.10 7 -0.10 6.0 0.08 8 -0.07 6.2 0,07 9 +0.04 6.1 0.02 10 -0.12 6.0 0.04

ϊ