Емкостный датчик давления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1. 9/12

1 ( (л

6д

Д яг"

t0

3.2

ГОсудАРстВейнь1и кОмитет

ПО ИЗОБРЕТЕНЙЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКЙТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

- (21) 4877662/10 . (22) 24,08.90 . (46) 30.09,92. Бюл. N. 36 (71) Научно-исследовательский институт фи:."зических измерений

: (72) Д.В.Лебедев, П.П.Степанов и О.С.Бачу:- рина (56) Патент США

N 3618390, кл. G 01 L 13/02, 1971.

Лебедев Д,В., Волков В.А, Новыетонкопленочные емкостные датчйки давления, Научно-технический сб,, РКТ, сер. lV, вып, 9, 1984, с, 11-18, Патент США . ¹ 3859575, кл, 317-246, 1975, (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области при. боростроения, а именно к емкостным пре.образователям давления, и позволяет

„„SU ÄÄ 1765734 Al

2 уменьшить погрешность нелинейности.

Датчик содержит плоскую мембрану 1, изготовленную за одно целое с корпусом 2, с расположенным на ней электродом 3 измерительного конденсатора, пластину 4, жестко соединенную с мембраной по центру, имеющую спрофилированную по закону прогиба мембраны поверхность 6, на которой расположен второй электрод 7 измерительного конденсатора, кольцевую пластину 8, жестко скрепленную с корпусом, с размещенным на ней электродом 10 опорного конденсатора, второй электрод 11 которого расположен на недеформируемой торцовой части корпуса, Выполнение пластины 4 вогнутой с поверхностью 6, спрофилированной по закону прогиба мембраны, позволяет уменьшить погрешность нелинейности, 3 ил, 1765734

F=K(Co/Сх), у= о(1 (" p )2 ) (2) 30

45

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления в электрический сигнал.

Известен дифференциальный датчик разности давлений, измерительная мембрана которого является подвижным электродом и закреплена между двумя нейодвижными электродами, нанесенными на поверхности, спрофилированные по закону прогиба мембраны. Функция преобразования этого датчика линейна относительно геремещения, а следовательно, и действующего перепада давлений, однако ее невозможно использовать в недифференциальных датчиках давления.

Известны емкостные квазидифференциальные датчики давления, отличительной особенностью которых является наличие опорной емкости Со, не зависящей от действующего давления, Функция преобразования этих датчиков в сочетании со вторичным преобразователем на основе гиперболической измерительной схемы имеет вид где Сх — емкость измерительного конденсатора.

Для датчиков, мембрана которых имеет жесткий центр, эта функция линейна относительно прогиба, однако эти датчики имеют неудовлетворительную абсолютную чувствительность Я=А Сх, малую начальную емкость и, как следствие, невысокую помехозащищенность, так как величина измерительной емкости Сх ограничивается площадью жесткого центра, а при увеличении радиуса жесткого центра уменьшается чувствительность мембраны.

Датчики с плоской мембраной имеют удовлетворительные чувствительность и помехозащищенность, но функция преобразования у них нелинейна.

Наиболее близким к предлагаемому является емкостный датчик давления, содержащий закрепленную по периферии мембрану и скрепленную с ней в центре плоскую пластину, образующие измерительный конденсатор. Этот датчик имеет высоку.о чувствительность и хорошую помехоза щи щен ность.

Существенным недостатком этого датчика является нелинейность характеристики, обусловленная тем, что подвижный электрод располагается над деформируемым участком мембраны и имеет плоскую поверхность.

Для уменьшения нелинейности характеристики можно использовать квазидифференциальную схему измерения, для чего расположить кольцевые электроды измерительного конденсатора на периферии пластины и на недеформируемом торце корпуса, а электроды опорного конденсатора в центре мембраны и пластины, Однако и в этом случае невозможно полностью исключить нелинейность, так как величина опорной емкости будет зависеть от давления, Целью изобретения является уменьшение погрешности нелинейности, Поставленная цель достигается тем, что емкостный датчик давления, содержащий изготовленную за одно целое с корпусом мембрану и скрепленную с ней в центре пластину, снабжен опорным конденсатором, один электрод которого расположен на недеформируемой торцевой части корпуса, а другой — на введенной плате, скрепленной с корпусом, при этом. пластина выполнена вогнутой и ее поверхность, обращенная к мембране, выполнена в виде поверхности вращения, образующая которой определена в соответствии с соотношением где у — координата по оси симметрии;

do — прогиб центра пластины; р=г/R, г — расстояние от оси вращения, R — радиус мембраны, На фиг.1 изображена конструкция емкостного датчика давления; на фиг,2 — схема, поясняющая расчет емкости измерительного конденсатора; на фиг.3 — приведен график зависимости отношения начальных емкостей измерительного конденсатора предлагаемого датчика Сн* и прототипа Сн от относительного значения р1 меньшего радиуса, ограничивающего электрод, при р2= 1.

Датчик содержит плоскую мембрану 1, изготовленную за одно целое с корпусом 2, с расположенным на ней электродом 3 измерительного конденсатора, пластину 4, соединенную с мембраной по центру, например, точечной сваркой 5 и имеющую спрофилированную по закону (2) поверхность 6, на которой расположен второй электрод 7 измерительного конденсатора, кольцевую пластину 8, скрепленную с корпусом, например, точечной сваркой 9 в нескольких точках, с размещенным на ней электродом 10 опорного конденсатора, второй электрод 11 которого расположен на недеформируемой торцовой части корпуса, 1+—

®о оо у — do(1-(1- Р) ), тй е Я 2— г где С In =-2 . — начальное значение емкости измерйтельного конденсатора.

При СО=С>< функция преобразования (1)

F=K(Co/Cx)=K(1- Л) линейна относительно Л.

25 где у — координата по оси симметрии;

do — прогиб центра пластины;

p= — i

r — расстояние от оси вращения;

30 R — радиус мембраны.

Фиг. 2 6 = = .-.-ю *Ж

5 . f765734 6

Емкостный датчик давления работает Использование данного изобретения следующим образом. При действии давле- позволяет увеличить точность измерения за ния мембрана 1 прогибается и перемещает счет уменьшения погрешности нелинейноскрепленную с ней пластину 4. При этом сти, емкость кольцевого элемента измеритель- 5 ного конденсатора будет составлять Формула изобретения

2 лгбг я, Емкостный датчик давления, содержаd, (1 +Z) (1 — (1 — p ) ) щий изготовленную за одно целое с корпу10 сом мембрану и скрепленную с ней в центре где e — диэлектрическая проницаемость пластину, отличающийся тем, что, с воздуха; целью уменьшения погрешности нелинейности, он снабжен опорным конденсатором, Х= — — глубина модуляции зазора;

Ио один электрод которого расположен на не15 деформируемой торцовой части корпуса, а

6Ъ прогиб центра мембраны другой — на введенноЙ плате скрепленной

Интегрируя это выражение в пределах с корпусом, при этом пластина выполнена от г до г, получаем вогнутой и ее поверхность, обращенная к мембране, выполнена в виде. поверхности

С„= С20 вращения образующая которой определена в соответствии с соотношением