Емкостный датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления. Целью изобретения является уменьшение погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышение стойкости к механическим воздействиям, повышение чувствительности и уменьшение габаритов. Это достигается тем, что в емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент 1 в виде мембраны с жестким центром 2 и пластину 8, выполненную в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента , расположенного с зазором зеркально-симметрично основному упругому элементу 1, введен корпус 10, при этом основной 1 и дополнительный 8 упругие элементы герметично соединены между собой по периферии, герметично прикреплены к одной из торцовых поверхностей корпуса 10 и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем три выводных проводника 9 выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них одной своей частью размещены в концентричных относительно центра мембраны пазах, выполненных в опорных основаниях основного и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник 9 одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси корпуса, а другие части всех проводников герметично выведены из корпуса через его осевое отверстие. 2 ил. сл с

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 (01 - 9/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4785513/10 (22) 22.01,90 (46) 07.09.92. Бюл. № 33 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.M,Áåëîçóáoâ и Д.В,Апакин (56) 1. Патент США N 4562742, кл. G 011 9/12, 1965.

2. Авторское свидетельство СССР

N 1652359, кл. 6 01 L 9/12, 1989, 3. Авторское свидетельство СССР

¹ t702197, кл. G 01 (9/12, 1989, (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления. Целью изобретения является уменьшение погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышение стойкости к механическим воздействиям, повышение чувствительности и уменьшение габаритов, Это достигается тем, что в емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент 1 в

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением с атикодинамических давлений в условиях воздействия вибрации.

Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на периферии, зеркально симметричным электроду упругого элемента (11, (и> Капо 17б0414А1 виде мембраны с жестким центром 2 и пластину 8, выполненную в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента, расположенного с зазором зеркально-симметрично основному упругому элементу 1, введен корпус 10, при этом основной 1 и дополнительный 8 упругие элементы герметично соединены между собой по периферии, герметично прикреплены к одной из торцовых поверхностей корпуса 10 и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем три выводных проводника 9 выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них одной своей частью размещены в концентричных относительно центра мембраны пазах, выполненных в опорных основаниях основного и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник 9 одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси корпуса, а другие части всех проводников герметично выведены из корпуса через его осевое отверстие, 2 ил.

Недостатком известной конструкции является большая динамическая погрешность при измерении быстропеременных давлений, связанная с низкой собственной частотой упругого элемента вследствие значительной массы пластины, присоединенной к центру мембраны.

Другим недостатком известной конструкции является значительная погрешность измерений при воздействии вибрации, связанная с колебаниями мембраны и изменением вследствие этого межэлектродного зазора, а следовательно,и модуляцией емкости в зависимости от воздействующих погрешность измерений при воздействии вибраций. виброускорений, связанная с различной

Известен емкостный датчик давления, степенью демпфирования основного и досодержащий упругий элемент B виде круг-: полнительного упругих элементов, Другим лой мембраны с жестким центром, выпол- 5 недостатком известной конструкции являденной за одно целое с опорным ется малая чувствительность к воздействию основанием, круглый подвижный электрод давления, связанная с наличием только одизмерительного конденсатора, располо- ной подвижной обкладки у измерительного женный на поверхности мембраны в обла- конденсатора. Кроме того, недостатком изсти жесткого центра, кольцевой 10 вестной конструкции являются большие ганеподвижный электрод опорного конденса- бариты, связанные с нерациональным тора размещенный на опорном основании, размещением деталей и узлов относительно

I зеркально симметричные неподвижные друг друга. электроды измерительного и опорного кон- Целью изобретения является уменьшеденсаторов., расположенные на пластине, 15 ние погрешности при измерении быстропезакрепленной с зазором на упругом элемен- ременных давлений, повышение стойкости те, зазор выставляется с помощью вывод- к механическим воздействиям, увеличение ных проводников (чувствительности и уменьшение габаритов.

Недостатком известного емкостного Цель достигается тем, что в емкостный датдатчика является большая динамическая 20 чик давления, содержащий основной упрупогрешность при измерении быстропере- гий элемент в виде мембраны с жестким менных давлений, связанная со. значитель- центром, выполненной за одно целое с ной глубиной измерительного канала. Опорным основанием, подвижный электрод

Другим недостатком извес ной конструк- измерительного конденсатора, располоции является большая погрешность измере- 25 женный на жестком центре, концентричный ний при воздействии виброускорения, ему неподвижный электрод эталонного консвязанная со значительными колебаниями денсатора, размещенный на опорном осномембраны вследствие большой массы жес- вании, зеркально-симметричные электроды ткого центра. Кроме того, недостатком изве- измерительного и эталонного конденсатоoòíîé конструкциvi является малая 30 ров, рзсположенные HB пластине, выполчувствительность к воздействию давления, ненной в виде идентичного основному связанная с наличием только одной подвиж- дополнительного упругого элемента, распоной обкладки у измерителo ного конденсато- ложенного с зазором зеркально-симметричра, Недостатком известной конструкции но основному упругому элементу, в являются большие габариты, связанные с 35 соответствии с изобретением введен корпус нерациональным размещением деталей от- с двумя параллельными плоскими торцовыносительно друг д га, о руг друга, ми поверхностями и осевым центральным

Известен емкостный датчик давления, отверстием под выводные проводники, при содержащий основной упругий элемент в этом основной и дополнительный упругие виде мембраны с жестким центром, выпол- 40 элементы герметично соединены между соненной за одно целое с опорным основани- бой по периферии, герметично прикреплеем, подвижный электрод измерительного ны к одной иэ торцовых поверхностей конденсатора, расположенный на жестком корпуса и расположень| симметрично и пацентре, концентричный ему неподвижный раллельно оси корпуса, причем три выводэлектрод эталонного конденсатора, разме- 45 ных проводника выполнены из щенный на опорном основании, зеркально одножильного кабеля в металлической обосимметричные электроды измерительного и лочке, два из них одной своей частью размеэталонногоконденсаторов, расположенные щены в концентричных относительно на пластине, выполненной в виде идентич- центра мембраны пазах, выполненных зерного основному дополнительного упругого 50 кально-симметрично в опорных основаниях элемента расположенного с зазором зер- основного и дополнительного упругих эле1 кально-симметрично основному упругому ментов, третий выводной проводник однои элементу . 3. своей частью расположен в зазоре между

Недостатком известного емкостного упругими элементами на продольной оси датчика является значительная динамиче- 55 корпуса, а другие части всех проводников ская погрешность при измерении быстропе- герметично выведены из корпуса через его ременных давлений, связанная с осевое отверстие. относительно большой длиной измеритель- Сопоставительный анализ с прототиного хан "ла, ед, Недоста-ком известной конст- пом показывает, что заявляемый емкостный рgêöèè является ляется также большая датчик давления отличается тем. что в него

1760414

10 элементами на продольной оси корпуса, а другие части всех проводников герметично,20

35 введен корпус с двумя параллельным торцовыми поверхностями и осевым центральным отверстием под выводные проводники, flpM этом основной и дополнительный упругие элементы герметично соединены между собой по периферии, герметично прикреплены к одной из торцовых поверхностей корпуса и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем три выводных проводника выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них своей частью размещены в кон центричных относительно центра мембраны пазах, выполненных зеркально-симметрично в опорных основаниях основного и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник одной своей частью расположен в зазоре между упругими выведены из корпуса через его осевое отверстие. Таким образом, заявляемый емкостный датчик давления соответствует критерию "новизна", Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия

На фиг. 1 и 2 изображен предлагаемый датчик в разрезе. Соотношения между размерами межэлектродного зазора и толщинами диэлектрической пленки и электродов для наглядности изменены., Емкостный датчик давления содержит упругий элемент 1 в виде мембраны с жестким центром 2, выполненный за одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны в области жесткого центра. Неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании. Зеркально-симметричные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8, выполненной в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента, Выводные проводники 9 выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке типа КНМСС, на места разделки кабеля нанесен лак КΠ†9.

Кабели в металлической оболочке расположены в концентричных относительно центров мембран пазах, выполненных зеркально-симметрично в опорных основаниях дополнительного и основного упругих элементов. Зазор между упругими элемен40

55 тами выставляется с помощью трех жил кабеля. Упругие элементы 1,8 герметично соединены по периферии между собой и герметично соединены с корпусом 1О, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси упругих элементов, причем одна из контактных площадок электродов расположена на продольной оси корпуса.

Упругие элементы и корпус выполнены из сплава 70НХБМЮ. Для электрической изоляции электродов используется пленка

11 из А1 0з — SiOz толщиной 3 мкм. Электроды выполнены из пленки Mo — Nl толщиной

0,8 мкм. Зазор между электродами равен 30 мкм. Диаметр мембраны равен 8 мм, Кабели герметично соединены с корпусом в местах вывода кабелей из корпуса, Емкостный датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембраны со стороны жестких центров. Под воздействием измеряемого давления подвижные электроды измерительного конденсатора, расположенные в области жестких центров, перемещаются в направлении друг к другу, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличивается.

Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления, Значение емкостей измерительного и опорного конденсаторов передаются на гермовыводы и далее на нормирующее устройство (на фигурах не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения опорной и измерительной емкостей, а следовательно, и измеряемого давления.

У заявляемой конструкции измерительные каналы короче, чем у прототипа, à следовательно. погрешность при измерении быстропеременных давлений меньше у заявляемого датчика. В прототипе измерительная среда не действует на дополнительную мембрану. При воздействии на заявляемый датчик давления внешних механических факторов (вибрации, ударов и т.п.) основной и дополнительный упругие элементы испытывают одинаковые ускорения и давления, так как на них одинаково действует одна и та же измерительная среда. В результате степень демпфирования основного и дополнительного упругих элеантов одинакова, что ведет к уменьшению погрешности измерения от механических воздействий у заявляемого датчика по сравнению с прототипом. т.е. стойкость эаявляемого датчика давления к внешним механическим воздействиям повышается.

Из-за наличия двух подвижных электродов у измерительного конденсатора (вместо од1760414 ного) чувствительность заявляемого датчика давления возрастает в 2 раза по сравнению с прототипом. Выполнение выводными проводниками функции гермопереходника у заявляемого датчика давления приводит к уменьшению его габаритов по сравнению с прототипом.

Емкостный датчик в соответствии с предлагаемым решением имеет собственную частоту измерительного канала 55 кГц, а емкостный датчик ДСŠ— 100, изготовленный в соответствии с прототипом, имеет собственную частоту измерительного канала не более 3,3 кГц.

Коэффициент функции влияния виброускорений, характеризующий погрешность от воздействия вибраций, р заявляемого датчика составляет 0,3х10 5с M, а коэффициент функции влияния виброускорений датчика ДСŠ— 100 составляет 0,5х10 с M, Чувствительность к давлению у заявляемого датчика составляет 40 Пф/МПа, а чувствительность к давлению датчика давления

ДСЕ-100 не превышает 20 Пф/МПа.

Габаритные размеры у заявляемого датчика составлЯют 21,5х15 мм, а габаритные размеры датчика ДСŠ— 100 составляют

56х34 мм.

Таким образом, технико-экономическими преимуществами заявляемой конструк. ции емкостного датчика давления по сравнению с прототипом являются повышение собственной частоты измерительного канала в 15 раз, уменьшение погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышение стойкости к внешним механическим воздействиям в 1,5-2 раза, увеличение чувствительности в 2 раза, уменьшение габаритных размеров в 4 раза.

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мембраны с жестким центром. выполненной эа одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на жестком центре, 5 концентричный ему неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на

10 пластине, выполненной в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента, расположенного с зазором эеркальНо - симметрично основному упругому элементу, отличающийся тем,что,с

15 целью уменьшения погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышения стойкости к механическим воздействиям. увеличения чувствительности и уменьшения габаритов, в него введен

20 корпус с двумя параллельными плоскими торцевыми поверхностями л осевым центральнымм отверстием под вы водн ые проводникики, при этом основной и дополнительный упругие элементы герметично соединены

25 между собой по периферии, и герметично прикреплены к одной иэ торцевых поверхностей корпуса и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем pv, выводных проводника выполнены из одно30 жильного кабеля в металлическо1л оболочке, два из них одной своей частью размещены в концентричных относительно центра мембран пазах, выполненных зеркально-симметрично в опорных основаниях основного

35 и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси корпуса, а другие части всех проводников герметично

40 выведены из корпуса через его осевое отверстие.

1760414

Составитель Д.Апашин

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор Н.Гунько

Редактор

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

Заказ 3182 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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