Емкостной датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур и возможности одновременного измерения температуры, Поставленная цель достигается тем, что в емкостном датчике давления, содержащем корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3, опорным основанием 4, диск 5, закрепленный с зазором относительно мембраны, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, первая 7 из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая 8 - на опорном основании и периферии диска. Симметрично контактным площадкам размещены электрически соединенные с электродами дополнительные контактные площадки, а электроды выполнены из резистивного материала, характеристики которого удовлетворяют представленному соотношению. Зная сопротивления электродов первой и второй пар, можно определить и разность температур этих электродов, т.е. можно вводить термодинамическую поправку, учитывающую нестационарность температуры измеряемой среды. 2 ил, (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 9/ l2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Л

C 4 (л)

О

Ю

Ы

Фр

7 7

2 д

Фиа1 (21) 4827369/10 (22) 21.05,90 (46) 07.06.92, Бюл. N 21 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.М. Белозубов (53) 531.787 (088.8) (56) Патент США № 4562742, кл. G 01 1 9/12, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1622788, кл. G 01 L 9/12, 1989, (54) ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур и возможности одновременного измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостном датчике давления, содержащем,» SU „, 1739225A1 корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3, опорным основанием 4, диск 5, закрепленный с зазором относительно мембраны, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, первая 7 из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая 8 — на опорном основании и периферии диска, Симметрично контактным площадкам размещены электрически соединенные с электродами дополнительные контактные площадки, а электроды выполнены из резистивного материала, характеристики которого удовлетворяют представленному соотношению, Зная сопротивления электродов первой и второй пар, можно определить и разность температур этих электродов, т.е. можно вводить термодинамическую поправку, учитывающую нестационарность температуры измеряемой среды. 2 ил, 1739225

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давлений в широком диапазоне температур, Известен емкостной датчик давления, содержащий прогибающуюся мембрану и плоскую эталонную пластину, На мембране установлены два кольцеобразных электрода; первый является чувствительным элементом, второй эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону пригибаемой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостной датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны, Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостной датчик.

Недостатком известного устройства является довольно значительная температурная погрешность вследствие неидентичности изменения емкостей измерительного и эталонного конденсаторов от температуры, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостной датчик давления, содержащий корпус, размещенные в корпусе мембрану с жестким центром и опорным основанием и закрепленный над мембраной с зазором диск, причем на жестком центре мембраны закреплен круглый электрод измерительного конденсатора, а на периферийном осно вании мембраны концентрично круглому электроду закреплен кольцевой электрод эталонного конденсатора, при этом на диске закреплены ответные аналогичные электроды измерительного и эталонного конденсатора, причем каждый электрод измерительного и эталонного конденсатора электрически соединен с соответствующей основной контактной площадкой, расположенной соответственно на периферийном основании мембраны и диска.

Недостатком известной конструкции является повышенная температурная погрешность, что объясняется неодинаковой

55 величиной изменения емкостей первой и второй пары от температуры, Цель изобретения — уменьшение температурной погрешности и расширение функциональных возможностей за счет воэможности учета температуры электродов.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостном датчике введены соединенные электрически с соответствующим электродом измерительного и эталонного конденсатора дополнительные контактные площадки, которые закреплены на периферийном основании и диске и расположены симметрично соответствующим основным контактным площадкам, причем электроды выполнены из резистивного материала, а величина удельного поверхностного сопротивления электродов R» выбрана из соотношения пэ аэ где R — удельное поверхностное сопротивление контактных площадок; аэ, ак — температурный коэффициент сопротивления электродов и контактных площадок соответственно; пз, пк — количество квадратов в электродах и контактных площадках соответственно.

На фиг.1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг,2 — топология электродов, размещенных на мембране и опорном основании.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, контактных площадок и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены, Топология электродов диска аналогична топологии электродов мембраны и опорного вскевания и на фиг.2 не показана.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3 и опорным основанием 4, диск 5, закрепленный с зазором на опорном основании, и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками 6, первая из которых (7) расположена по центру мембраны и диска.

Вторая пара электродов 8 образована электродами 9 и 10, расположенными на опорном основании, и электродами 11 и 12. расположенными на периферии диска.

Симметрично контактным площадкам 6 размещены электрически соединенные с электродами дополнительные контактные площадки 13. Для осуществления возможности присоединения выводных проводников контактные площадки электродов

1739225 выполнены существенно более толстыми, по сравнению с толщиной электродов. Электроды выполнены из резистивного материала Х27К50ТМ (Rss = 100 Ом/квадрат, ns = 1 квадрат, аэ = 3,1 10 оС), контактные площадки выполнены на основе композиции молибден-никель (Я„=0,1 Ом/квадрат, nK=

= 6, cq< = 3,6 10 С. Заявляемое соотношение в этом случае выглядит следующим образом. — з

1100 I >I 6 36 "o 011

1-3,1 -10

Емкостный датчик давления работает следующим образом, Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика жесткий центр мембраны, а следовательно, и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод первой пары перемещается в направлении подвижного электрода. В результате этого межэлектродный зазор этой пары электродов уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается. Емкость второй пары электродов не зависит от измеряемого давления вследствие сравнительно массивного опорного основания. Сопротивление электродов от давления не зависит вследствие расположения электродов на жестком центре и опорном основании. Значения емкостей первой и второй пары электродов через их контактные площадки, выводные проводники 14 и гермоконтакты 15 передаются на нормирующее устройство (не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения емкостей второй и первой пары электродов, а следовательно, и от измеряемого давления. При воздействии на датчик реальной температуры эксплуатации емкости электродов первой и второй пары электродов меняются неодинаково.

В силу этого появляется температурная погрешность. Сопротивление электродов изменяется в соответствии с их температурой, т.е. температуре электродов соответствует вполне определенное значение сопротивления электродов. Поэтому в предлагаемой конструкции можно учесть температурную погрешность так, как при воздействии реальной температуры эксплуатации сопротивление электродов одно.— значно связано с их температурой, т.е., зная сопротивление электродов, можно оценить их реальную температуру и минимизировать температурную погрешность. Причем, зная, сопротивления электродов первой и второй пары, можно определить и разность температур этих электродов, т.е. можно вводить термодинамическую поправку, учитывающую нестационарность температуры измеряемой среды, 5 Дополнительные контактные площадки, электрически соединенные с электродами, необходимы для возможности измерения сопротивлений электродов. Выполнение электродов из резистивного мате10 риала позволяет значительно на два-три порядка увеличить сопротивление электродов, по сравнению с традиционным выполнением электродов, когда их сопротивление не превышает десятых долей ома, что не

15 позволяет измерить с приемлемой точностью изменение сопротивлений электродов в реальных условиях эксплуатации. Обоснование предлагаемого соотношения проведем исходя из следующих соображений.

20 Для определенности рассмотрим электрод

7 (фиг.2). Сопротивление электрода, измеренное между контактными площадками 6 и

13, при нормальной температуре будет равно сумме сопротивлений, непосредственно

25 электрода и сопротивления контактных площадок, т,е.

Rsî + о

При некоторой температуре t, отличающейся от нормальной

Rt = Rs< + Вкь где Rs = Rs (1+ а (t- to));

Вк1= Кко(1+ аК (-СО)), или, учитывая, что

Rso Rss пэ а о = 1э "к

40 можно записать

Rst — — Я„п, (1 + а, (t - to)) Rk,= Rk пк(1+ Q< (t- to)).

Для того, чобы изменение сопротивления

45 между контактными площадками наиболее точно отражало изменение температуры именно электрода, необходимо, чтобы изменение сопротивления между контактными площадками в основном определялось из50 менением сопротивления непосредственно электрода, а изменение сопротивления контактных площадок играло как можно меньшую роль, т.е. изменение сопротивления электродов от температуры должно быть

55 больше изменения сопротивления контактных площадок от температуры. Учитывая, что изменение сопротивления электродов от температуры равно:

Л В„=К., и, а,(т - tp), 1739225 а изменение сопротивления контактных площадок от температуры равно

Л%,=, пкQk (t — to). можно записать

Язэ пэ аэ (t — tp) Rgb пк асс (t - tp), Проведя необходимые преобразования и учитывая возможное отрицательное значение ТКС материала электрода или контактных площадок, получим предлагаемое соотношение.

Технико-экономическим и реимуществом предлагаемого датчика по сравнению с известным является уменьшение более, чем на порядок, температурной погрешности в широком диапазоне температур за счет воэможности учета температуры электродов, Преимуществом предлагаемого решения является также возможность уменьшения погрешности от воздействия нестационарной температуры вследствие учета распределения температур отдельных электродов.

Преимуществом предлагаемой конструкции является также расширение функциональных возможностей за счет возможности измерения в одной точке давления и температуры, Формула изобретения

Емкостной датчик давления, содержащий корпус, размещенные в корпусе мембрану с жестким центром и утолщенным периферийным основанием и закрепленный над мембраной с зазором диск, причем на жестком центре мембраны закреплен круглый электрод измерительного конденсатора, а на периферийном основании мембраны концентрично круглому электроду закреплен кольцевой электрод эталонного конденсатора, при этом на диске закреплены ответные аналогичные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, 5 причем каждый электрод измерительного и эталонного конденсаторов электрически соединен с соответствующей основной контактной площадкой, расположенной соответственно на периферийном основа10 нии мембраны идиска,отл ича ю щийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности в широком диапазоне температур и расширения функциональных возможностей за счет

15 дополнительного измерения температуры, в него введены соединенные электрически с соответствующим электродом измерительного и эталонного конденсаторов дополнительные контактные площадки, 20 которые закреплены на периферийном основании и диске и расположены симметрично соответствующим основным контактным площадкам, причем электроды выполнены из резистивного материала, а величина

25 удельного поверхностного сопротивления электродов Rsz выбрана из соотношения пэ аэ

З0 где R> — удельное поверхностное сопротивление контактных площадок; аэ, а — соответственно температурный коэффициент сопротивления электродов и контактных площадок; пэ, nK — безразмерные величины, численно равные количеству квадратов в электродах и контактных площадках соответственно, 1739225

Составитель Е.Белозубов

Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко

Редактор Е.Папп

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1996 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5