Дифференциальный емкостный датчик давления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРС ВЕЙЙЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

- ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЁНИЯ"

-К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4807371/10 (22) 29,03.90 (46) 30,09.92. Бюл. N- 36 (71) Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации (72) И,А.Шушпанов, Е.П.Клюев и Н,П,Николаиди (56) Авторское свидетельство СССР N. 1045024, кл. G 01 (9/12, 1983, " Авторское свидетельство СССР

N 1150500, кл. G 01 Ь 9/12, 1985.

Патент США

N 3618390, кл. G 01 L 9/12, 1971. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ E МКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

» Ы2» 1765733 А1 (51)5 G 01 L 9/12

2 (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дифференциальным емкостным датчикам давления. Целью изобретения является повышение чувствительности, В корпусе 1 размещены две мембраны 5 и 6, между которыми на стержне 7 закреплены пластины 8, образующие одйн электрод конденсатора, Второй электрод образуют пластины 9, жестко закрепленные на корпусе и размещенные между пластинами 8 со смещением от среднего положения на 1/4 расстояния между плаСтинами. При создании перепада давлений н а м е мбранах 5 и 6 изменяется первоначальная емкость кондейсатора; по которой и судят об измеряемом перейаде давлений.

1 ил.

1765733

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к дифференциальным датчикам давления, и может быть использовано в расходомерах для определения расхода воды и газа в городском ком- 5 мунальном хозяйстве, в гидротехнике и мелиорации.

В известных емкостных датчиках давления обычно в качестве преобразователя перемещения мембраны в электрический 10 сигнал используется конденсатор, емкость которого изменяется пропорционально приложенному к мембране давлению. Так, например, известен емкостный датчик давления, содержащий изолированные друг от 15 друга чувствительную к давлению мембрану, жестко закрепленную по периферии, и электрод, выполненный в виде диска, прилегающего к мембране со стороны, противололожной избыточному давлению, и скрепленного 20 с ней в центральной точке ее поверхности.

Недостатком этой конструкции емкостного датчика является его малая чувствительность к изменению давления, Наиболее близким техническим реше- 25 нием, выбранным в качестве прототипа, является емкостный датчик давления; содержащий два подвижных электрода, между которыми с зазором расположен неподвижный электрод, причем подвижные 30 электроды выполнены в виде плоских упругих мембран, которые по контуру скреплены между собой, а неподвижный электрод выполнен в виде диска, установленного между мембранами и снабженного изоляционны- 35 ми шайбами, снаружи каждой мембраны установлена жесткая перфорированная пластина (авт.св. СССР М 1150500, кл, G 01 L9/12, 1985), Однако и эта конструкция имеет ряд 40 недостатков, основной из которых — малая .чувствительность, ограниченная площадью электродов.

Действительно, величина емкости плоского конденсатора определяется форму- 45 лой

50 где $ — площадь поверхности пластины, е — диэлектрическая проницаемость вакуума;

e — диэлектрическая проницаемость среды; 55

d — расстояние между пластинами.

Для увеличения емкости конденсатора (а значит, и чувствительности емкостного датчика) необходимо увеличивать площадь пластин (мембран). Другой путь увеличения чувствительности-уменьшение расстояния между подвижной и неподвижной пластинами, однако последнее ведет к сужению диапазона измерений и технологическим трудностям.

В случае дифференциального датчика обычно используются три электрода-пластины, образующие два конденсатора с одной общей обкладкой, В случае воздействия давления на такой преобразователь емкость одного из конденсаторов увеличивается, а второго — уменьшается, что вызывает соответствующую реакцию измерительной схемы. При изменении направления давления конденсаторы как бы меняются местами. Однако и в этом случае все недостатки емкостного преобразователя остаются, кроме того, конструкция такого датчика существенно усложняется.

Цель изобретения — повышение чувствительности емкостного дифференциального датчика давления, .

Цель достигается тем, что в нем силопередающий элемент выполнен в виде стержня, соединяющего центры мембран, подвижный электрод выполнен в виде первых электрических соединенных параллельных металлических пластин, закрепленных на стержне с равными зазорами относительно друг друга, а неподвижный электрод выполнен в виде вторых электрически соединенных параллельных металлических пластин, размещенных несимметрично в зазорах между первыми пластинами и закрепленных в корпусе, причем меньшее расстояние между каждой первой и соответствующей ей второй пластиной равно четверти зазора между первыми пластинами.

На чертеже представлена принципиальная схема датчика, который состоит из корпуса 1 с камерами 2 и 3 давления, отделенными от полости 4 емкостного преобразователя мембранами 5 и 6, к центрам которых жестко подсоединена подвижная часть, состоящая из стержня 7 и прикрепленных к нему с определенным шагом плоских металлических пластин 8, в зазорах между которыми расположены плоские металлические пластины 9 неподвижной части, которые крепятся к стержню 10.

Последний через изоляторы 11 жестко крепится к корпусу 1, Выводы от неподвижной и подвижной частей через гермовводы подсоединены к мосту переменного тока, состоящему из трансформатора 12, конденсатора

13 переменной емкости, измерительная диагональ которого подключена к фазочувствительному измерителю 14, а диагональ питания — к генератору 15 переменного то1765733 ка, B полость 4, где размещен емкостный преобразователь, залита кремнийорганическая жидкость, Для первоначальной тарировки и выставки пластин 8 и 9

Относительно друг друга в состав датчика включены два устройства выставки, состоя щие йз цйлийдрическйх"йружин 16, винтов

17, стопорных гаек 18 и кронштейнов 19.

Датчик работает следующим образом.

Вследствие того, что подвижная и неподвижная части емкостного преобразователя состоят из и чиСла пластин 8 и 9, расположенных друг против друга, то и ем"кость конденсатора, образованного этими пластинами, увеличится в и раз, а при перемещении их относительно друг друга вследствие разности давлений Р1 и Pg на мембраны 5 и 6 общее изменение емкости увеличится в и раз, что и приведет к увеличению чувствительности в и раз.

Однако, если каждая подвижная пластина 8 будет располагаться симметрично относительно двух соседних неподвижных пластин 9 при отсутствии разности давлений (в начальном положении), то в случае перемещения подвижной части при появлении разности давлений в ту или иную сторону от точки симметрии общая емкость этой ситемы будет увеличиваться в любом случае и разбаланс моста будет происходить в одну сторону, что создаст неопределенность в показаниях фазочувствительного измерителя 14. Он покажет амплитуду воздействия, но не определит знак разности давлений.

Если же каждая подвижная пластина будет располагаться несимметрично в зазоре относительно неподвижных пластин, а именно на 1/4 зазора от одной неподвижной и на 3/4 зазора от другой из пластин, то при действии разности давлений и соответственном перемещении подвижных пластин в одну сторону общая емкость преобразователя увеличится, а при движении в другую— уменьшится относительно значения, которые она имела при первоначальном расположении подвижных пластин и относительно конденсатора 13, при помощи которого устанавливается баланс моста в начальном положении. В этом случае фазочувствительный измеритель определит не только величину разности давлений, но и ее знак. Для того, чтобы мембраны 5 и 6 не деформировались от абсолютных давлений, полооть 4 между ними заполняется кремнийорганической непроводящей жидко-стью, ко1-ор а я, крбм"е т ого, в"ыполняет функцию демпфирующей, что важно для сглаживания "импульсно йомех.

Начальная тарировка датчика и выстав-ка подвижных пластин"относительйо йеподнеподвижный электрод выполнен в виде вторых электрически соединенных парал55 лельных металлическйх пластин, размещенных в зазорах между первыми пластинами и закрепленйых в корпусе, причем меньшее

" "расстояние Между каждой первой и соответствующей ей второй пластиной равно четверти зазора между первыми пластинами.

50 вижных производится устройствами выставки (15-19). Вращая гайки 18 в ту или иную сторону, изменяют натяг пружин 16 таким образом, чтобы подвижные пластины заняли требуемое положение относительно неподвижйых. В предлагаемой конструкции жесткость измерительных мембран 5 и 6 дополняется жесткостью пружин 16 и может изменяться плавно натягом этих пружин с помощью винтов 17, чем обеспечивается укладка шкалы датчика в заданный диапазон давлений. Ступенчатое изменение диапазонов йзмерейий может осуществляться сменой пружин с заданной жесткостью, что легко осуществляется без нарушения герметичНости полости емкостного преобразователя.

Использование предлагаемого датчика давления в расходомерах воды и газа и других устройствах, функционирующих на принципах измерения разности давлений, позволит создать простые и надежные устройства с высокой чувствительностью и широким диапазоном измерений.

Как показали испытания экспериментального образца, его выходной сигнал простирался от 05 мВ до 3 В при питании измерительной части моста переменным током с напряжением 5 В, С ростом напряжения и частоты питающего тока крутизна измерительной характеристики датчика пропорционально увеличится. Легкость тарировки и смены диапазонов измерения позволит использовать один и тот же базовый датчик давления в широком ряду измерительных устройств, что экономически выгодно, так как позволит отказаться от ряда специализированных датчиков, Формула изобретения

Дифференциальный емкостный датчик давления, содержащий корпус, две мембраны, размещенные в межмембранной полости силопередающий элемент и подвижный и неподвижный электроды, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем силопередающий элемент выполнен в виде стержня, соединяющего центры мембран, подвижный электрод выполнен в виде первых электрически соединенных параллельных металлических пластин, закрепленных на стержне, с равными зазорами относительно друг друга, а

1765733 2

Составитель И.Шушпанов

Редактор Т.Лошкарева Техред М,Моргентал Корректор А.Ворович

Заказ 3381 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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