Емкостный датчик абсолютного давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании датчиков механических величин, в частности емкостных датчиков абсолютного давления, предназначенных для измерения малых значений давления газообразных сред. Целью изобретения является увеличение ресурса, повышение чувствительности, а также повышение устойчивости к механическим воздействиям. Емкостный датчик абсолютного давления содержит соединенный с мембраной 3 штоком 9 диск 10. Причем на диске с одной стороны нанесен подвижный электрод 11 измерительного конденсатора, а с другой стороны - обкладка 12, образующая совместное последним эталонный конденсатор. Прогиб мембраны больше допустимого значения ограничен упором 13, при этом габариты конденсаторов могут быть больше габарита мембраны, что обуславливает достижение цели, 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

союз советских социАлистических

РЕСПУБЛИК (51)5 С 01 1 9/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 л Мэ ° ° Ф (21) 4823722/10 (22) 15,05.90 (46) 07,08.92. Бюл, ¹ 29 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) В.И.Скопич, Н.И.Сивенков, А.В.Чугунов и В.А,Семенов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1221513, кл. G 01 1 9/12, 1981.

Электронная промышленность, ¹ 1, 1984, с. 82. (54) EMKOCTHbll ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании датчиков механических величин, в частности емкостных датчиков абсолютного

„„ Ж „„1 75331 2А1 давления, предназначенных для измерения малых значений давления газообразных сред; Целью изобретения является увеличение ресурса, повышение чувствительности, а также повышение устойчивости к механическим воздействиям, Емкостный датчик абсолютного давления содержит соединенный с мембраной 3 штоком 9 диск 10. Причем на диске с одной стороны нанесен подвижный электрод 11 измерительного конденсатора, а с другой стороны — обкладка 12, образующая совместно с последним эталонный конденсатор. Прогиб мембрань, больше допустимого значения ограничен упором 13, при этом габариты конденсаторов могут быть больше габарита мембраны, что обуславливает достижение цели, 2 с,п. ф-лы, 1 ил.

1753312

10

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании датчиков механических величин, в частности, емкостных датчиков абсолютного давления, предназначенных для измерения малых значений давления газообразных сред.

Известен деформационный преобразователь давления ПДД-1 вакуумметра ВД-1, содержащий размещенную в корпусе. плоская мембрана, с одной стороны которой расположена камера измеряемого давления, а с другой — опорного давления, в котоpoQ размещен керамический диск с двумя электродами — центральным и периферийным, образующими с мембраной измерительный и эталонный конденсаторы, При изменении давления мембрана отклоняется от своего начального положения и изменяются величины емкостей конденсаторов, Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является емкостный датчик давления, содержащий корпус, колпачковую мембрану с жестким центром, разделяющую корпус на две камеры — измерительную и опорную, в последней на диэлектрическом основании сформирован плоский неподвижный электрод.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления емкостного датчика абсолютного давления, по которому в корпусе датчика последовательно размещают и закрепляют мембрану и диэлектрическое основание, с сформированным на нем неподвижным электродом измерительного конденсатора. Далее со стороны основания гермокорпусом ограничивают опорную полость и производят ее вакуумирование, Недостатками известного устройства являются малая чувствительность, малый ресурс и низкая устойчивость к механическим воздействиям, Чувствительность тем выше, чем больше прогиб мембраны и величина емкости измерительного конденсатара и чем меньше рабочий зазор между обкладками. В данном же случае, увеличивая жесткий центр мембраны, емкость конденсатора увеличивается, а прогиб мембраны уменьшается и, наоборот, уменьшая жесткий центр, увеличивается прогиб мембраны, но уменьшается величина емкости измерительного конденсатора. Таким образом, чувствительность датчика имеет предел, выше которого получить увеличение чувствительности невозможно.

При такой конструкции емкостного датчика абсолютного давления ресурс будет существенно занижен, так как при

55 длительном воздействии давлений, многократно превышающих верхний предел измерения (например, атмосферное давление для датчиков с пределом измерения 10 — 20 мм рт.ст. и ниже), появятся остаточные деформации мембраны, величина которых будет соизмерима с величиной рабочего зазора, при этом не только изменится градуировочная характеристика датчика, но и в процессе измерения в верхних точках измерительного диапазона может произойти короткое замыкание обкладок конденсатора, т.е, отказ в работе датчика. А потому как емкостной датчик малых давлений должен иметь мембрану с низкой жесткостью, то при минимальной величине рабочего зазора между обкладками измерительного конденсатора (а при такой конструкции датчика при увеличении измеряемого давления уменьшается рабочий зазор),он будет иметь низкую устойчивость к механическим воздействиям (вибрация, удары и т.д.), так как колебания подвижной обкладки будут соизмеримы с величиной рабочего зазора (а в некоторых случаях будут.и превышать его). что приведет к большим погрешностям измерения, Чтобы уменьшить влияние колебаний подвижной обкладки на результаты измерений, надо увеличить рабочий зазор, а это приведет к снижению чувствительности датчика.

Недостатками известного способа являются то, что данным способом невозможно изготовить емкостный датчик с большим ресурсом, так как мембрана всегда находится в напряженном состоянии, и при длительной эксплуатации это приведет к появлению в ней остаточных деформаций, а также при этом способе изготовления конструкция датчика обладает невысокой чувствительному потому, что невозможно получить малую величину рабочего зазора между мембраной и диэлектрическим основанием, на котором сформирован неподвижный электрод измерительного конденсатора, Цель изобретения — повышение чувствительности, устойчивости к механическим воздействиям, увеличение ресурса, и повышение технологичности.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостный датчик абсолютного давления, содержащий корпус. закрепленную в нем колпачковую мембрану с жестким центром, разделяющую корпус на измерительную и опорную вакуумированную камеры, в последней из которых сформирован на диэлектрическом основании неподвижный электрод измерительного конденсатора, а также содержащий подвижный электрод измерительного конденсатора, введены шток, 1753312

10

15 следующим образом

40

50

55 соединенный одним концом с жестким центром мембраны, упругая опора, закрепленная в корпусе и соединенная с другим концом штока, диск, закрепленный íà штоке с зазором относительно диэлектрического основания, и размещенный в опорной камере ограничительный упор под мембрану, при этом подвижный электрод измерительного конденсатора сформирован на одной стороне Диска со стороны основания, а на другой стороне диска нанесен введенный дополнительный электрод.

Поставленная цель достигается тем, что усовершенствуется способ изготовления емкостного датчика абсолютного давления. включающий закрепление мембраны в rioлом корпусе, с образованием измеритель, ной и опорной камер, формирование на диэлектрическом основании неподвижного электрода измерительного конденсатора и закрепление диэлектрического основания в опорной камере, формирование подвижного электрода измерительного конденсатора и вакуумирование опорной камеры, Подвижный электрод измерительного конденсатора формируют на одной стороне диэлектрического диска, а на другой его стороне формируют дополнительный электрод, при этом до вакуумирования опорной камеры диск закрепляют на прикрепленном к упругой опоре штоке, предварительно поджав диск к диэлектрическому основанию, а затем в измерительную камеру подают давление, соответствующее верхнему пределу измерения, и перемещают введенный в датчик и закрепленный в корпусе упор до касания с жестким центром мембраны, после чего подают в измерительную камеру давление, превышающее атмосферное не менее, чем в 1,5 — 2 раза до образования зазора между диэлектрическим основанием и диском, а затем в измерительную камеру подают давление, превышающее в 1,2 — 1.5 раза верхний предел измерения, и отводят упор от мембраны на величину ее рабочего хода.

На чертеже показана конструкция предлагаемого емкостного датчика абсолютного давления, Емкостный датчик содержит корпус 1, подушку 2, мембрану 3, гермокорпус 4, опорную камеру 5,диэлектрическое основание 6, неподвижный электрод 7 измерительного конденсатора Сх, упругую опору 8(типа балки), шток 9, диск 10, подвижный электрод 11 измерительного конденсатора С>, дополнительный электрод 12 эталонного конденсатора Сэ, ограничительный упор 13, электровыводы 14, измерительную камеру

15.

Датчик абсолютного давления содержит корпус 1, подушку 2, закрепленную между ними мембрану 3, которая совместно с гермокорпусом 4 образует опорную камеру 5. При этом в последней расположены диэлектрическое основание 6 со сформированным на нем неподвижным электродом 7, упругая опора 8, жестко связанная с мембраной 3 штоком 9, на котором закреплен диск 10, Причем на диске со стороны основания 6 нанесен подвижный электрод 11

i измерительного конденсатора Сх, а с другой стороны дополнительный электрод 12, образунйций совместно с последним эталонный конденсатор Сэ. Ограничительный упор

13 препятствует прогибу мембраны больше допустимого значения при давлении, большем верхнего уровня диапазона измерения

Способ изготовления емкостного датчи20 ка абсолютного давления осущес-впяют

Формируют на одной стороне диэлектрического диска 10 подвижный электрод 11 измерительного конденсатора, а на другой его стороне формируют дополнительный электрод 12 эталонного конденсатора Сэ.

Между подушкой 2 с ограничительным упором 13 и корпусом 1 сваркой закрепляют мембрану 3. Далее размещают на подушке

2 основание 6, а на штоке 9 диск 10 и упругую опору 8, которую по краям крепят совместно с основанием 6 к подушке 2, Затем шток 9 соединяют (например, лазерной сваркой) сначала с упругой опорой 8, а потом и с диском 10, предварительно поджав его до касания к основанию б, После чего соединяют обкладки измерительного и эталонного конденсаторов с электровыводами

14, в измерительную камеру 15 подают давление Рн0 1, соответствующее аерхнему пределу измерения, и заворачивают в подушку 2 ограничительный упор 13 до касания с жестким центром мембраны.

Обдавливают мембрану путем подачи в измерительную камеру15давпения, первышающего Ра м не менее, чем в 1,5 — 2 раза, до тех пор, пока иэ"за остаточных деформаций мембраны не образуется минимальный зазор между диэлектрическим основанием 6 и диском 10.

8 измерительную камеру 15 подают давление чуть больше РН0м (например, 1,2—

1,5 Р 0м) и упором 13 ограничивают прогиб мембраны, обеспечивая рабочий ход штока

9, Ограничивают опорную камеру 5 гермокорпусом 4 и вакуумируют ее.

Таким образом, в предложенной конструкции емкостного датчика прогиб мембраны ограничен упором, что позволяет увеличить ресурс. Повышается также чувст1753312 вительность датчика, так как зазор между обкладками измерительного конденсатора минимален, а емкость конденсатора определяется только габаритными размерами, и размеры его могут быть больше, чем у мембраны. Кроме того, соединение мембрана— балка (упругая опора) имеет более высокую частоту собственных колебаний, чем одна мембрана, а это повышает устойчивость к механическим воздействиям.

Емкостный датчик абсолютного давления работает следующим образом, При подаче в измерительную камеру 15 давления прогибается мембрана 3, в результате чего увеличивается зазор между диэлектрическим основанием 6 и диском 10, закрепленном на штоке 9, и, как следствие этого, уменьшается значение измерительной емкости Сх, а значение эталонной емкости С остается постоянным. Таким образом, при подаче йа датчик измеряемого давления происходит изменение окошекия емкостей эталонного и измерительного конденсаторов Сэ/Сх, что используется для дальнейшего преобразования в электрический сигнал (напряжение, ток, частоту и т.д.).

В разработанном макетном образце прибора отношение Сэ/С имеет вид: при отсутствии давления С /Сх = 0,1. — 0,2; при воздействии номинального давления С /Сх

= 0;95.

Технико-экономическими преимуществами заявляемого емкостного датчика абсолютного давления являются: ресурс увеличен в 10 раэ; чувствительность измерения увеличена в 2,5 раза, влияние вибрации на систематическую составляющую погрешности снижено в 2 раза, влияние ударов на систематическую составляющую погрешности снижено в 2 раза, мерительного конденсатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности, устойчивости к механическим воздействиям и увеличения ресурса, е него введены шток, соединенный одним концом с жестким центром мембраны, упругая опора, закрепленная в корпусе и соединенная с другим концом штока, диск, закрепленный на штоке с зазором относи10 тельно диэлектрического основания, и размещенный в опорной камере ограничителькый упор под мембрану, при этом подвижнь;й электрод измерительного конденсатора сформирован. на одной стороне

15 (20

25 диска со стороны основания, а кэ другой стороне диска нанесен введенный дополнительный электрод.

2. Способ изготовления емкостно о датчика абсолютного давления, включающий закрепление мембраны в полом корпусе, с образованием измерительной и опорной камер, формирование на диэлектрическом основании неподвижного электрода измерительного конденсатора и закрепление диэлектрического основания в опоркой камере, формирование подвижного электрода измерительного конденсатора, и вакуумировакие опорной камеры, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения

40 технологичности, подвижный электрод измерительного конденсатора формирую на одной стороне диэлектрического диска, а на другой его стороне формлруют дополнительный электрод, при этом до вакуумировакия опорной камеры диск закрепляют на прикрепленном к упругой опоре штоке, предварительно поджав диск к диэлектрическому оскованию, а затем в измерительную камеру подают давление, соответствующее верхнему пределу измерения, и перемещают введенный в датчик и закрепФормула изобретения

1. Емкостный датчик абсолютного давления, содержащий корпус, закрепленную в кем колпачковую мембрану с жестким центром, разделяющую корпус на измерительную и опорную вакуумированную камеры, в последней из которых сформирован ка диэлектрическом основании неподвижный электрод измерительного конденсатора, а также содержащий подвижный электрод изленный в корпусе упор до касания с жестким центром мембраны, после чего подают в измерительную камеру давление, превышающее атмосферное ке менее, чем в 1,5.„2 раза, до образования зазора между дизлектрическим основанием и диском, а затем в измерительную камеру подают давление, превышающее в 1,2„,1,5 раза верхний пре50 дел измерения, и отводят упор от мембраны ка величину ее рабочего хода.

Составитель А.Чугунов

Техред М.Моргектал Корректор Л.Ливринц

Редактор 0,Головач

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

Заказ 2761 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .

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