Емкостный датчик давления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении статико-динамических давлений при фиксированных температурах. Цель: уменьшение температурной мультипликативной погрешности. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем мембрану 1, опорное основание 2, круглый электрод 3, кольцевой электрод 4, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответными электродами 6, 7, выводные проводники 8, выводные проводники выполнены , из материала с определенным температурным коэффициентом линейного расширения. Изобретение позволяет уменьшить мультипликативную температурную погрешность в 2 раза без введения новых элементов конструкции. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 1 9/12

I>9

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

5 р

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4920817/10 (22) 21.03.91 (46) 30.11.92. Бюл. № 44 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е,M.Áåëîçóáîâ (56) Патент США ¹ 4562742, кл. G 01 9/12, 1985.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1727009, кл. G 01 1 9/12, 1990. (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении статико-динамических давлений при фиксированных

Ы2 1778577 А1 температурах. Цель: уменьшение температурной мультипликативной погрешности.

Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем мембрану 1, опорное основание 2, круглый электрод 3, кольцевой электрод 4, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответными электродами 6, 7, выводные проводники 8, выводные проводники выполнены. иэ материала с оп ределенным температурным коэффициентом линейного расширения. Изобретение позволяет уменьшить мультипликативную температурную погрешность в 2 раза без введения новых элементов конструкции, 2 ил.

1778577

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статикодинамических давлений при фиксированных температурах.

Известен емкостный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, упругий элемент, пластину, закрепленную с зазором на упругом элементе, тонкопленочные металлические электроды с контактными площадками, расположенные на упругом . элементе и пластине, и выводные проводники, присоединенные к контактным площадкам при помощи сварки, Недостатком известной конструкции является невысокий уровень надежности и технологичности, особенно в области высоких температур. связанный с использованием сравнительно легкоплавких материалов: золота, алюминия и т,п, При эксплуатации известных датчиков давления при высоких температурах происходит диффузия материалов электродов в диэлектрике, что приводит к уменьшению сопротивления диэлектрика и ухудшению характеристик датчика. Применение пленок и выводных проводников из сравнительно тугоплавких материалов не спасает положение. так как в этом случае происходит повреждение сравнительно тонкой диэлектрической пленки при сварке выводного проводника и контактной площадки вследствие необходимости обеспечения высокой температуры (не менее температуры плавления) материалов, разогрева контактной площадки и выводного проводника.

Недостатком известной конструкции является большая мультипликативная температурная погрешность, связанная с отсутствием компенсации изменения модуля упругости упругого элемента от температуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый электрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод. расположенный на опорном основании. закрепленную на опорном основании пластину с ответными электродами, выводные проводники, частично расположенные между опорным основанием и пластиной.

Недостатком известной конструкции является сравнительно высокая мультипликативная температурная погрешность, вызванная изменением чувствительности датчика с изменением температуры вследствие изменения модуля упругости мембрагде cb — ТКЛР выводных проводников;. а — ТКЛР мембраны и опорного основания;

3„— ТКМУ мембраны;

At — диапазон температур.

Обоснование заявляемого решения проведен следующим образом.

Для того, чтобы аддитивная погрешность заявляемого емкостного датчика была равна О, необходимо:

Co Cot (2)

С C« где Co — емкость опорного кон3 енсатора при температуре t;

C« — емкость опорного конденсатора при температуре t;

Cx — емкость измерительного конденса40 тора при температуре to, Cxt — емкость измерительного конденсатора при температуре t, Емкости конденсаторов равны: — при температуре to

4 с,= t (з) бо — при температуре t (4) Cot = о

50 где At = t — 1,; r>, г2- внутренний и наружный радиусы электрода при температуре t.

Аналогично:

Сх = .о (5)

О М - () г бо 1 +

Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем мембрану, выполненную за одно целое с опорным ос10 нованием, круглый элекрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод, расположенный на опорном основании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину с ответными электродами, 15 выводные проводники, частично расположенные между опорным основанием и пластиной, характеристики элементов конструкции связаны соотношением

1+а

20 11+M ХГ

1771(577 ра Р . Rt (stot —— Apt - — -- — --, Er ht

3 где (7) 5 3 ), 1 — Po) С ро

0о - величина межзлектродного зазо при температуре tn.

Тогда с 3 — д

Сх гг

Cot г2 г1

Cxt (14) — 1 — 4С (пс г

С4 — — (15) — 1 — 4С Inc

С4 — (16) З(1 — ф1 С

16 т.е

20 (12) Cxpt = Ео р В4 (гг г1) (о Ap з

Eo ho

С о — — оо

Схр

Р Ro

c0p = Ар — — — (13) Ео "о з до оо 7" Го . (19)

3 ро л (ггг — Я ) (1 + йм A t ) (do (1 + (2Ъ Л t ) — App а

Сос Ео 1 + м«)ho (20) Cxpt do (1 + Лt) яо Л4, (1 +ам Ьt)

Приравняв два последних выражения, получим

Р К4 РЯ4 1+а « (Гг — Г )(С1, — Ар, 3 ) (Гг — Г3)(б(1+(2«) — Ago З ) оо го г бо го (1 + (гв «) 4

P Rp до — Apo 3

1 QB

Ер г(о

Проведя необходимые преобразования получим: р . р4 РК 1 (1 ра, Л!1 (d, — д 1=! р1р(1 ра, Лр) — др — -- = ". л (р1;

Ep hp, . Ео (1 +/3м Лt ) hp (1+, «}.(, + Р В,, PRp 1+«

4 4 (24}

Р Е ho Е (1+Р (22) Д )h3:!

Со Cot (9)

Cx Cxt

Для обеспечения нулевого значения мультипликативной температурной погрешности необходимо: (10)

Схр Cxpt где Схр, Cxр< — емкость измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления и температуры т, Емкости конденсаторов Схр, Схр(равны кР

Cxp =

Оо ((о где во, иь(— прогибы жесткого центра под воздействием измеряемого давления при температуре to u t соответственно.

B соответствии с (Пономарев С. Д., Андреева Л.Е: "Расчет упругих элементов машин и приборов", М., Машиностроение, 1980, с.242) величины прогибов мембраны равны

Ro, Rt — радиус мембраны при температуре tp, t соответственно;

ho, ht — толщина мембраны при температуре to, t соответственно;

Ео, Et — модуль упругости материала мембраны при температуре t,, t соответственно, С= (17)

Rw.ц

Rx(tt — радиус жесткого центра; ,ио „ит — коэффициент Пуассона материала мембраны при температуре tp, t, соответственно. !

2j, Так как величина С является отношением радиусов мембраны и жесткого центра, то термические расширения мембраны и жесткого центра взаимно компенсируются за счет их отношения, а величина коэффициен-!

30 та Пуассона в квадрате мала по сравнению

„с 1, можно сделать вывод;

App = Ар((18)

Тогда

7857!

4 з

1 ((0 IЛ t (tpI> Р Бо (1 + ((M At ) Ео hI> г

25)

F.n (t +/3м At ) hO APcI P Ro

1+а At

1+8 Лс (ть = — — --- --- —, (26)

На фиг.1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг,2 — место! на фиг,1, Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции дпя наглядности изменены, Емкостный датчик давления содержит мембрану 1, выполненную за одно целое с опорным основанием 2, круглый электрод 3, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод 4, расположенный на опорном ос- 2р новании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответными электродами 6 и 7, выводные проводники 8, частично расположенные между опорным основанием и пластиной. Характеристики элементов конструкции связаны заявляемым соотношением. При выполнении мембраны и опорного основания иа сплела 70НХБМ Ю (гтс1310е С, =-300 I0 C )и гас=000 С,и, = 0,5 106 C „Дпя обеспечения столь малого значения ТКЛР выводов они выполняются из плоских кварцевых голосок толщиной 4Р мкм, покрытых с обеих поверхностей пленкой никеля толщиной Р,5 мкм. К контактам гермопереходника выводы припаиваются специ- 35 апьным припоем. Соотношение толщины кварцевых попс сок и никелевых пленок при необходимости обеспечивается требуемым

ТКЛР выводов.

Заявляемый датчик работает следую- 4р щим образом, Измеряемое давление воздействует на мембрану. Под воздействием измеряемого давления круглый электрод, расположенный в центре мембраны, перемещается к ответному электроду 6 пласти- 45 ны. Вследствие этого емкость измерительного конденсатора. образованного этими (3 и 6) электродами, увеличивается. Емкость опорного конденсатора, образованного электродом 4, расположен- 5р ным на опорном основании, и ответным электродом 7 пластины, не зависит от величины измеряемого давления вследствие существенно большей жесткости опорного основания по сравнению с жесткостью мем- 55 брэны, Значения измерительной и опорной емкостей поступают через гермоконтак1н tt в нормирующее устройство (нэ фиг.1 He показан), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения значений опорной емкости к измерительной емкости.

При работе датчика давления при стационарной температуре, отличающейся от температуры нормальных климатических условий, например. при повышенной температуре, вследствие изменения модуля упругости материала мембраны от температуры, емкость измерительного конденсатора под воздействием измерительного давления бу; дет отличаться от емкости измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления при температуре нормальных климатических условий. Но вследствие подбора характеристик элементов конструкции выходной сигнал нормирующего устройства, сформированный по тому же алгоритму, что и для нормальных климатических условий, не зависит от воздействующей температуры, Таким образом, преимуществом изобретения является уменьшение мультипликативной температурной погрешности за счет компенсации изменения модуля упругости материала мембраны от температуры термическим изменением размеров элементов конструкции, а также то, что уменьшение погрешности достигнуто без введения новых элементов конструкции.

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый электрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод, расположенный на опорном основании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину с ответными электродами, выводные проводники, частично располо>кенные между опорным основанием и пластиной, отличающийся тем, что, с целью уменьшения мультиппикативной температурной погрешности, в нем выводные проводники выполнены из материала, температурный коэффициент линейного расширенияз которого определен из соотношения

1+а At .й(т Лт и†где (xM — температурный коэффициент линейного расширения материала мембраны;

AM — температурный коэффициент мг,дуля упругости материала мембраны:

At — диапазон рабочих температур.

1778577

Составитель Е.Белозубов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.MàêñèìèUJèíåö

Редактор

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

Заказ 4185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CCCР

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