Емкостный датчик давления и способ его изготовления и градуировки

 

Изобретение относится к измеритель- . ной технике и может быть использовано для измерения давления в широком диапазоне температур. Цель: формирование термозависимого сигнала для учета температур электродов преобразователя перемещений мембраны в условиях воздействия нестационарных температур на емкостный датчик давления. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем корпус, мембрану с жестким центром, опорным основанием , диск, закрепленный с зазором относительно мембраны, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками , первая из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая - на опорном основании и периферии диска, 2 электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединённых перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистивных полос из материала, температурный коэффициент сопротивления которого не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны. В способе изготовления и градуировки емкостного датчика давления, заключающемся в формировании электродов на мембране, опорном основании и диске, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, измеряют электрическое сопротивление каждого электрода между основной и дополнительной контактными площадками, измеряют емкость каждой пары электродов, подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой до прекращения изменения сопротивления электродов, воздействуют на датчик градуировочным давлением для каждой фиксированной температуры и регистрируют значения сопротивлений электродов и емкостей каждой пары электродов в виде матриц градуировочных значений давления при различных температурах. Положительный эффект: уменьшение температурной погрешности датчика при измерениях в широком диапазоне температур в том числе, при воздействии нестационарной температуры. 2 с.п.: ф-лы, 2 ил. (Л с со го -N ся чэ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 (9/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф-лы, 2 ил (21) 4825813/10 (22) 21.05.90 (46) 30.04.93. Бюл, № 16 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е. M. Белозубов (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 1629763, кл. G 01 L 9/12, 1991.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 1622788, кл. 6 01 1 9/12, 1991, 3. Авторское свидетельство СССР

¹ 1649320, кл. 6 01 (9/12, 1991. (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И

СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ГРАДУИРОВКИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в широком диапазоне температур. Цель: формирование термозависимого сигнала для учета температур электродов преобразователя перемещений мембраны в условиях воздействия нестационарных температур на емкостный датчик давления. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем корпус, мембрану с жестким центром, опорным основанием, диск, закрепленный с зазором относительно мембраны, преобразователь деформаций в виде двух пар.противолежащих электродов с контактными площадками, первая из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая — на опорном основании и периферии диска, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давления в широком диапазоне температур. Ы,, 1812459 А1 электроды, расположенные на мембране и

0fl0pH0M основании, выполнены в виде последовательно соединенных перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистивных полос из материала, температурный коэффициент сопротивления которого не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны. В способе изготовления и градуировки емкостного датчика давления, заключающемся в формировании электродов на мембране, опорном основании и диске, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, измеряют электрическое сопротивление каждого электрода между основной и дополнительной контактными площадками, измеряют емкость каждой пары электродов, подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой до прекращения изменения сопротивления электродов, воздействуют на датчик градуировочным давлением для каждой фиксированной температуры и регистрируют значения со- (y противлений электродов и емкостей каждой д пары электродов в виде матриц градуиро- р вочных значений давления при различных температурах. Положительный эффект: умен ьшение температурной погрешности датчика при измерениях в широком диапа- Q зоне температур в том числе, при воздейстеии неетацирнарноа температуры. 2. с.п..

Целью изобретения является уменьшение температурной погрешности за счет возможности учета температуры мембраны и опорного основания непосредственно в месте расположения электродов.

1812459

30 электродов и емкостей каждого пары электродов в виде матриц градуировочных зна- 40

Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем корпус, мембрану с жестким центром и опорным основанием, и преобразователь перемещения в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, первая из которых расположена flo центру мембраны и диска, а вторая — в опорном основании и периферии диска, электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединенных перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистивных полос из материала, температурный коэффициент сопротивления которого не равен нулю, а реэистивные полосы размещены концентрично центру мембраны.

В способе изготовления и градуировки емкостного датчика давления. заключающемся в формировании электродов на мембране, опорном основании и диска, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, электроды на мембране и опорном основании формируют в виде тонкопленочных термореэисторов, а при градуировке измеряют электрическое сопротивление каждого электрода и емкость каждой пэры электродов, подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур до прекращения изменения сопротивления электродов, воздействуют нэ датчик градуировочным давлением для каждой фиксированной температуры и регистрируют значения сопротивлений чений давления при различных температурах.

Выполнение электродов, расположенных на мембране и опорном основании в виде последовательно соединенных перемычками между собой и дополнительными контактными площадками резистивных полос, позволяет повысить сопротивления электродов на 1 — 2 порядка по сравнению с традиционным выполнением электродов, сопротивление которых не и ревы шает десятых долей Ома, что не позволяет измерять с приемлемой точностью изменения сопротивлений электродов в реальных условиях эксплуатации. Реэистивные полосы выполнены иэ материала, температурный коэффициент сопротивления которого не равен нулютак, как в противном случае изменения сопротивлений электродов от температуры будут также равны нулю, Для большей чув15

55 ствительности к температуре необходимо, чтобы ТКС материала электрода был максимальным, Расположение резистивных Ilo лос концентрично центру мембраны позволяет получить максимальное значение сопротивления электродов при сохранении необходимого значения их емкости за счет оптимального использования площади размещения электродов, Измерение электрического сопротивления каждого электрода и емкостей каждой пары электродов при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур при отсутствии и воздействии измеряемого давления позволяет сформировать матрицу значений емкостей электродов, однозначно связанных с их сопротивлениями, а, следовательно, и воздействующей температурой.

Выдержка при фиксированной температуре до прекращения изменения сопротивления обеспечивает более точное соответствие между сопротивлением электрода и воздействующей температурой.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг..2 — топология электродов, размещенных на мембране и опорном основании.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены. Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану

2 с жестким центром 3 и опорным основанием 4, диск 5, закрепленный с зазором на опорном основании, и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками 6, первая из которых 7 расположена по центру мембраны и диска; а вторая 8 — на опорном основании и периферии диска. Электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединенных перемычками 9 между собой и дополнительными контактными площадками 10 резистивных полос 11 из материала, температурный коэффициент сопротивления которого,не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны. При небольшой скорости изменения температуры измеряемой среды достаточно выполнение только одного из электродов в виде резистивных полос, например электрода, расположенного на опорном основании. Мембрана, опор- . ное основание и диск выполнены из сплава

70НХБМЮ. На поверхности мембраны с опорным основанием и диска нанесена диэлектрическая пленка в виде композиции

A1203 — Si02. Электроды выполнены в виде композиции Мо-Й! (TKC=+3,8 10 з С ).

1812459 е

Способ реализуется следующим образом. Методами тонкопленочной технологии формируют электроды на мембране, опорном основании и диске, Присоединяют выводные проводники 12 к основным и дополнительным контактным площадкам электродов, Закрепляют диск на опорном основании, например, при помощи лазерной сварки, Присоединяют выводные проводники к гермоконтактам 13. Вакуумируют и герметизируют корпус. Измеряют электрическое сопротивление каждого электрода. Сопротивление электрода, расположенного на мембране, измеряют

15 между основной контактной площадкой 6 и дополнительной контактной площадкой 10.

Сопротивление электрода, расположенного на опорном основании, измеряют между его основной контактной площадкой 6 и дополнительной контактной площадкой 10 в нор- 20 мал ьныx климатических услîвиях

55 пользованы как автоматические, например, при помощи микропроцессоров, так и неавтоматические методы обработки. Для устранения взаимного влияния процессов измерений сопротивлений и емкостей воз(температура равна +25 С). Измеряют емкости электродов каждой пары в нормальных климатических условиях (температура

+25ОС). Подвергают датчик воздействию 25 температуры в рабочем диапазоне температур с выдержкой при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур, Рабочий диапазон температур в нашем случае от минус 50 до 30

+400 С. Выбирают фиксированные температуры минус 50 С, 0 С, +50 С, +100 С, 150 С,+200 С,+250 С,300 С,350 С,400 С, При каждой фиксированной температуре без воздействия и при воздействии измеря- 35 емого давления выдерживают датчик до прекращения изменения сопротивления электродов. Прекращение изменения сопротивления электродов говорит об установившемся процессе восприятия 40 температуры электродом, Регистрируют значения сопротивления электродов и емкость каждой пары электродов. Процесс регистрации и задания температуры сравнительно просто поддается автомати- 45 зации. Регистрация может проводиться как на бумажных, так и не на бумажных носителях. Таким образом. для каждого датчика получают матрицу значений сопротивлений и емкостей электродов при различных тем- 50 пературах и давлениях. Имея такую матрицу, потребителю сравнительно несложно учесть температуру реальных условий эксплуатации датчика. При этом могут быть исможно применение временной или другой селекции сигналов, Емкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика, жесткий центр мембраны, а, следовательно, и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод первой пары перемещается в направлении неподвижного электрода. В результате этого межэлектродный зазор этой пары электродов уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается. Емкость второй пары электродов не зависит от измеряемого давления вследствие сравнительно массивного опорного основания. Сопротивление электродов отдавления не зависит вследствие расположения электродов на жестком центре и опорном основании. Значения емкостей первой и второй пар электродов через контактные площадки, выводные проводники

12 и гермоконтакты 13 передаются на нормирующее устройство (фиг. 1, 2 не показано), которое формирует выходной. сигнал, зависящий от отношения емкостей второй и первой пар электродов, а, следовательно, и от измеряемого давления.

При воздействии на датчик реальной температуры эксплуатации емкости электродов первой и второй пар электродов меня ются неодинаково. В силу этого появляется температурная погрешность.

Сопротивление электродов изменяется в соответствии с их температурой, т.е. температуре электродов соответствует вполне определенное значение сопротивления электродов. Поэтому в заявляемом решении можно учесть температурную погрешность, так как при воздействии реальной температуры эксплуатации сопротивление электродов однозначно связано с их температурой.

Т.е. по значению сопротивления электродов можно оценить их реальную температуру и минимизировать температурную погрешность, Причем по значению сопротивления электродов первой и второй пар, расположенных соответственно по центру мембраны и опорном основании, можно определить и разность температур в центре мембраны и на опорном основании, т.е. можно вводить динамическую поправку, учитывающую нестационарную температуру измеряемой среды. Под нестационарной температурой понимается температура эксплуатации, меняющаяся в течение времени.

Температурная погрешность в диапазоне температур от минус 50 С до+400 С емкостного датчика давления в соответствии с предлагаемым решением составляет 2 .10

1812459

С, Температурная погрешность в диапао зоне температур от минус 50 до +400 С известного емкостного датчика давления составляет 2 10 С . Таким образом, технико-экономическим преимуществом заявляемого решения, по сравнению с прототипом, является уменьшение, примерно на порядок, температурной погрешности в широком диапазоне температур за счет учета температуры мембраны и опорного основания непосредственно в месте расположения электродов.

Преимуществом заявляемого решения является также возможность уменьшения погрешности от воздействия нестационарной температуры вследствие учета неравномерности распределения температур на мембране и опорном основании.

Формула изобретения

1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким центром и опорйым основанием, диск, закрепленный с зазором на опорном основании, и преобразователь перемещения в виде двух пар противолежащих электродов с контактными площадками, первая из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая — на опорном основании и периферии диска, отличающийся тем, что, с целью формирования термозависимого сигнала для учета температур электродов преобразователя перемещений в условиях воздействия нестационарных температур на датчик, в нем электроды, расположенные на мембране и опорном основании, выполнены в виде последовательно соединенных перемычками между собой и с дополнительными контактными площадками резистивных полос из материала, температурный

5 коэффициент сопротивления которого не равен нулю, а резистивные полосы размещены концентрично центру мембраны.

2, Способ изготовления и градуировки

10 емкостного датчика давления, заключающийся в формировании электродов на мембране, опорном основании и диске, закреплении диска на опорном основании, воздействии температурой и давлением, о т15 л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности датчика при измерениях в широком диапазоне температур, электроды на мембране и опорном. основании формируют в виде тонкопленоч20 ных терморезисторов. а при градуировке измеряют электрическое сопротивление каждого электрода и емкость каждой пары электродов, подвергают датчик воздействию температуры в рабочем диапазоне тем25 ператур с выдержкой при фиксированных температурах внутри и на границе рабочего диапазона температур до прекращения изменения сопротивления электродов, воздействуют на датчик градуировочным

30 давлением для каждой фиксированной температуры и регистрируют значения сопротивлений электродов и емкостей каждой пары электродов в виде матриц градуировочных значений давления при различных

35 температурах, 1812459

Составитель И.Сумцов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Максимишинец

Редактор

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

Заказ 1571 Тираж . Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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