Емкостный датчик давления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники: связанных с измерением статикодинамических давлений в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды. Изобретение направлено на повышение точности при измерении быстропеременных давлений в условиях нестационарной tтемпературы измеряемой среды и увеличение стойкости к внешним механическим воздействиям. Емкостный датчик давления содержит мембрану с жес-а финия и фе . тся иси и коейтур лении неой им ый естким центром 2, выполненную как одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны в области жесткого центра. Кольцевой неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании, Зеркально симметричные неподвижные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8, закрепленной с зазором на упругом элементе. В жестком центре 2 со стороны измеряемого давления выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие круглые отверстия, продольные оси которых перпендикулярны плоскости мембраны. Минимальная толщина в области глухого торца отверстий равна толщине мембраны. Расстояние между двумя любыми отверстиями и между краем жесткого центра и.ближайшими к нему отверстиями равно толщине мембраны. Электроды при помощи выходных проводников 12 соединены с гермовыводами 13. 3 ил.-. П 2%Ј2% Щ0 СП с со О S о Ч)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 L9/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (I 0CflATEHT CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4683291/10 (22) 25,04,89 (46) 07.03.93. Бюл. t4 9 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.M,Áåëîçóáîâ (56) Патент США N 4562742, кл. G 01 (9/12, 1986.

Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления//Тезисы к Всесоюзной конференции. — Пенза, февраль, 1989. С. 14-15., (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование; изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники: связанных с измерением статико- . динамических давлений в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды. Изобретение направлено на повышение точности при измерении быстропеременных давлений в условиях нестационарной температуры измеряемой среды и увеличение стойкости к внешним механическим воздействиям. Емкостный датчик давления содержит мембрану с жес„„Я „„1800299А1 тким центром 2, выполненную как одно целое с опорным основанием 3, Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны в области жесткого центра. Кольцевой неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании, Зеркально симметричные неподвижные электроды

6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8, закрепленной с зазором на упругом элементе. В жестком центре 2 со стороны измеряемого давления выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие круглые отверстия, . продольные оси которых перпендикулярны плоскости мембраны, Минимальная толщина в области глухого торца отверстий равна толщине мембраны. Расстояние между дву мя любыми отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями равно толщине мембраны.

Электроды при помощи выходных проводников 12 соединены с гермовыводами 13. 3 ил.

1800299

Изобретение относится к измеритель- давления выполнены равномерно распреной технике, в частности к емкостным дат- деленные по поверхности жесткого центра чикам, предназначенным для глухие круглыеотверстия9, продольные оси использования в различных областях науки 10 которых перпендикулярны плоскости и техники, связанных с измерением стати- 5 мембраны. Минимальная толщина в облакодинамических давлений в условиях воз- сти глухого торца отверстий равна толщине . действия нестационарных температур мембраны. Расстояние между двумя любыизмеряемой среды. ми отверстиями и между краем жесткого . Цель изобретения — повышение точно- центра и ближайшими к нему отверстиями сти при измерении быстропеременных дав- 10 равно толщине мембраны. Электроды при лений в условиях нестационарной помощи тонких выводных проводников 12 температуры измеряемой среды и увеличе- соединены с гермовыводами 13. ние стойкости к внешним механическим Емкостный датчик давления работает воздействиям. следующим образом, Согласно изобретению, в емкостном 15 .Измеряемое давление воздействует на датчике давления, содержащем мембрану с мембрану со стороны жесткого центра. Под жестким центром, выполненную как одно воздействием измеряемого давления поцелое с опорным основанием, круглый по- движный электрод, расположенный в обладвижныйэлектродизмерительногоконден- сти жесткого центра, перемещается в сатора, расположенный на поверхности 20 направлении неподвижного электрода измембраны в области жесткого центра, коль- мерительного конденсатора, вследствие чецевой неподвижный электрод опорного го емкость измерительного конденсатора конденсатора, размещенный на опорном . увеличивается. При этом жесткий центр, неосновании, и зеркально симметричные не- смотря на выполнение в нем отверстий, веподвижные электроды измерительного и 2 дет себя как монолитный, так как опорного конденсаторов, расположенные вследствие существенно меньшего диаметна пластине, закрепленной с зазором на . ра отверстий по сравнению с диаметром мембране, в жестком. центре мембраны со.l мембраны прогиб центра торцевой части отстороны подвода измеряемой среды выпол- верстия очень мал по сравнению с прогибом нены равномерно распределенные по по- 30 центра мембраны в случае, если бы жесткий верхности жесткого центра глухие центр отсутствовал полностью. Поэтому. отверстия, оси которых расположены пер- прогиб торцев отверстий вследствие своей пендикулярно плоскости мембраны, при малости не искажает плоско-параллельного этом расстояние между двумя любыми со- перемещения подвижного электрода. седними отверстиями и между краем жест- 3 Емкость опорного конденсатора не закого центра и ближайшими к нему висит от измеряемого давления. Значения отверстиями равно толщине мембраны. емкостей измерительного и опорного конНа фиг.1 изображен датчик в разрезе; денсаторов передаются, на гермовыводы и на фиг. 2 — узел I на фиг.1; на фиг. 3 — вид А далее на нормирующее устройство (на черна фиг,2; 40 тежах не показано), которое формирует выСоотношения между размерами меж- ходной сигнал, зависящий от отношения электродного зазора и толщинами диалект- опорной и измерительной емкостей, а слерической пленки и электродов для довательно, и измеряемого давления,, наглядности изменены, При воздействии на датчик быстропереЕмкостный датчик давления содержит 45 менных давлений жесткий центр мембраны упругий элемент в виде круглой мембраны 1 в силу меньшей массы (за счет выполнения с жестким центром 2, выполненный как це- отверстий) с меньшей инерционностью булое с опорным основанием 3. Круглый по- дет отслеживать изменения давлений, т.е. движный. электрод 4 измерительного при измерении быстропеременных давлеконденсатора расположен на поверхности 50 ний у заявляемой конструкции погрешность мембраны вобластижесткогоцентра.Коль- будет меньше, чем у прототипа, За счет цевой неподвижный электрод 5 опорного уменьшения массы жесткого центра собстконденсатора размещен на опорном осно- венная частота упругого элемента у заявлявании. Зеркально симметричные неподвиж- емой конструкции больше, чем у прототипа, ные электроды 6 и 7 измерительного и 5б поэтому погрешность при измерении быстопорного конденсаторов соответственно ропеременных давлений у заявляемого датрасположены на пластине 8, закрепленной чика будет меньше, чем у прототипа. с зазором на упругом элементе (места за- При воздействии на емкостный датчик крепления на чертежах не показаны). В же- давления внешних механических воздейстстком центре со стороны измеряемого вующих факторов (вибраций, ударов и т.п,) 1800299 жесткий центр (вследствие уменьшения его го перемещения подвижного электрода измассы при сохранении жесткости).переме- мерительного конденсатора. Если же толщаетсянаменьшуювеличинупосравнению щина в области торца отверстий будет с перемещением жесткого центра прототи- больше толщины мембраны, то неоправданпа, т,е. стойкость заявляемого датчика дав- 5 но увеличится масса и теплоемкость жесткол ения к внешним механическим го центра. Расстояние между любыми двумя воздействиям повышается. отверстиями и между краем жесткого центПри воздействии нестационарной тем- ра и ближайшими к нему отверстиями выпературы измеряемой среды на приемную бранс равным толщине мембраны в связи с полость датчика восприятие температуры 10 тем, что если эти расстояния будут меньше отдельными частями упругого элемента бу- толщины мембраны, то жесткость централь-дет сравнительно равномерным вследствие ной части будет меньше необходимой. Если равномерного распределения отверстий по же размеры будут больше толщины мембражесткому центру и равенства расстояний ны, то увеличится масса и теплоемкость жемеждудвумя любыми отверстиями и между 15 сткого центра. Только при равенстве краем жесткого центра и ближайшими к не- . расстояния между двумя любыми отверстиму отверстиями толщине мембраны. А если ями толщине мембраны достигается оптивосприятие температуры измеряемой сре- мальное сочетание жесткости центральной ды отдельными частями упругого элемента 20 части мембраны, обеспечивающей плоскобудет более равномерно, то и термодефор- параллельное перемещение подвижного мации различных частей упругого элемента электрода измерительного электрода. Если будут близки друг к другу, а следовательно, же расстояние между краем жесткого центвлияние нестационарной температуры из- ра и ближайшими к нему отверстиями будут меряемой среды будет сказываться.в боль- 25 не равны друг другу и толщине мембраны, шей степени одийаково для то либо нарушится плоскойараллельный измерительногои опорного конденсаторов, характер перемещения подвижного электчто позволяет проводить учет влияния не- рода, либо неоправданно увеличится масса стационарной температуры измеряемой . и теплоемкость жесткого центра. среды при выборе алгоритма обработки ем- 30 Наиболее оптимальным количеством костей в виде отношения опорной и измери- отверстий является 7. При таком количестве . тельной емкостей. отверстий(причем одно из отверстий распоВыполнение отверстий в жестком цент- ложено в центре мембраны) достигается опресо стороны измеряемогодавления позво- тимал ьное сочетание равномерности ляет уменьшить его массу при сохранении 35 распределения массы жесткого центра по необходимой жесткости для осуществления его поверхности, жесткости центральной плоскопараллельного перемещения по- части мембраны и практически отсутствия движного электрода и позволяет выравнить деформаций в области торцов отверстий скорости восприятия температуры различ- вследствие ее незначительного прогиба изных частей упругого элемента. Отверстия за сравнительно небольшого диаметра отраспределены по поверхности жесткого 40 верстий, центра равномерно для обеспечения равно- Как показали исследования, преимущемерности распределения жесткости и аосп- ством заявляемой конструкции емкостного риятия температуры при воздействии датчика давления, по сравнению с известнестационарной температуры измеряемой ными, являются повышение собственной среды. Отверстия в жестком центре выпол- 45 частоты приемной полости в 1,2-1,5 раза, нены круглыми с целью устранения резких уменьшение погрешности при измерении граней, а следовательно, и концентраций быстропеременных давлений, повышение механических и термических напряжений. стойкости к внешним механическим воздейПродольные оси отверстий расположены ствиям в 1,5-2 раза и уменьшение погрешперпендикулярно плоскости мембраны, так 50 ности в условиях воздействия как только в этом случае достигается необ- нестационарной температуры измеряемой ходимая симметрия жесткости, равномер- среды на 20-30 . ность распределения механических и Ф о р м у л а и з о б р е.т е н и я термических деформаций. Толщина в обла- Емкостный датчик давления, содержасти торца отверстий равна толщине мемб- 55 щий мембрану с жестким центром, выполраны,таккакеслитолщина вобластиторца ненную как одно целое -с опорным будет меньше толщины мембраны, то неоп- основанием, круглый подвижный электрод равданно увеличится прогиб торца под воз- измерительного конденсатора. расположен.действием измеряемого давления, что ныйнаповерхностимембраны вобластижеприведет к искажению плоскопараллельно- сткого центра, кольцевой неподвижный.

1800299

Составитель А,Акимов Фиа 5

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А,Козориз

Редактор

Заказ 1158 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 электрод 0fl0pHolo конденсатора, оаэмещенный на опорном основании, и зеркально симметричные неподвижные электроды измерительного и опорного конденсаторов, расположенные на пластине, закрепленной с зазором на мембране, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности при измерении быстропеременных давлений в условиях нестационарной температуры измеряемой среды и увеличения стойкости к внешним механическим воздей,/ ствиям, в жестком центре мембраны со стороны подвода измеряемой среды выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие отвер5 стия, оси которых расположены перпендикулярно плоскости мембраны, при этом расстояние между двумя любыми соседними отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями

10 равно толщине мембраны.