ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЕГО ВЫХОДНОГО СИГНАЛА Российский патент 1994 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, предназначенным для использования в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогнутую мембрану и плоскую металлическую пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода, причем первый является измерительным, второй - эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогнутой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны. Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик [1] .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким центром и опорным основанием, диафрагму, закрепленную на мембране, и емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, расположенных по центру и периферии мембраны и диафрагмы [2] .

Недостатком известных конструкций является невозможность измерения избыточного давления и разности давлений в связи с необходимостью в этом случае непосредственного контактирования окружающей среды или второго измеряемого давления с электродами конденсаторов и дестабилизирующего влияния характеристик окружающей среды на диэлектрические зазоры.

Известно устройство формирования выходного сигнала датчика давления, содержащее генератор напряжения, эталонный конденсатор с усилителем, в цепь обратной связи которого включен измерительный конденсатор датчика [3] .

Недостатком известного устройства является невозможность формирования выходного сигнала при измерении избыточного давления и разности давлений с достаточно высокой точностью и чувствительностью.

В емкостном датчике давления, содержащем основной упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, центральный и периферийный электроды, размещенные соответственно в центральной части упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде дополнительной мембраны с жестким центром, опорным основанием и с ответными электродами, образующими соответственно измерительный и опорный конденсаторы, а также выводные проводники, частично расположенные в межэлектродном зазоре и соединенные с контактами гермоколодки, периферийный электрод дополнительной мембраны размещен на ее жестком центре, а гермоколодка выполнена в виде платы с центральным отверстием, опорное основание дополнительной мембраны с помощью введенной втулки герметично соединено по периферии с внутренней кромкой отверстия платы, которая с помощью введенного кольца герметично соединена с опорным основанием основного упругого элемента, а элементы конструкции датчика связаны определенным соотношением.

Кроме того, в устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, содержащее генератор напряжения, соединенный через первый эталонный конденсатор с первым усилителем, в цепь обратной связи которого включен измерительный конденсатор датчика, введены дополнительный эталонный конденсатор, емкость которого равна емкости первого эталонного конденсатора, второй усилитель, интегратор и три коммутационных ключа, при этом дополнительный эталонный конденсатор включен через первый ключ параллельно первому эталонному конденсатору на вход первого усилителя, опорный конденсатор датчика включен в цепь обратной связи первого усилителя параллельно измерительному конденсатору через второй ключ, а выход первого усилителя подключен через третий ключ к неинвертирующему и инвертирующему входам второго усилителя, выход которого соединен с интегратором.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2 - предлагаемое устройство формирования выходного сигнала.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит основной упругий элемент в виде мембраны 1, выполненной за одно целое с опорным основанием 2, электроды 3 и 4, размещенные в центральной части основного упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный по периферии с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны 5 с жестким центром 6 и опорным основанием 7 и с ответными электродами 8 и 9, и выводные проводники 10, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Периферийный электрод 9 дополнительного упругого элемента размещен на его жестком центре. Гермоколодка 11 выполнена в виде платы. Дополнительный упругий элемент герметично соединен с гермоколодкой при помощи втулки 12. Для изоляции электродов на планарных поверхностях упругих элементов расположена диэлектрическая пленка 13 из композиции окислов алюминия и кремния. Герметичное соединение дополнительного упругого элемента с основным осуществляется через гермоколодку 11 и кольцо 14.

Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления содержит первый и второй усилители У1 и У2 соответственно, эталонные конденсаторы С_э1 и С_э2, включенные на вход первого усилителя У1 через первый коммутационный ключ К1, и измерительный конденсатор С_x, включенный в цепь обратной связи первого усилителя У1. Опорный конденсатор С_о включен в цепь обратной связи первого усилителя, причем опорный Со и измерительный С_х конденсаторы попеременно подключаются в цепь обратной связи через второй коммутационный ключ К2, а выход первого усилителя попеременно подключается через третий ключ К3 синхронно первому коммутационному ключу к неинвертируемому и инвертируемому входам второго усилителя У2, выход которого соединен с интегратором И.

Емкостный датчик давления работает следующим образом.

Под воздействием первого измеряемого давления мембрана основного упругого элемента 1, а, следовательно, и его жесткий центр с электродом 3, размещенным в центральной части основного упругого элемента, прогибаются в сторону дополнительного упругого элемента. Вследствие этого емкость измерительного конденсатора, образованного электродами 3 и 8, размещенными в центральной части основного и дополнительного упругих элементов, увеличивается. Емкость опорного конденсатора, образованного электродами 4 и 9, размещенными по периферии основного и дополнительного упругих элементов, не зависит от величины первого измеряемого давления вследствие существенно большей жесткости опорного основания по сравнению с жесткостью мембраны 1 основного упругого элемента. Атмосферное давление (в случае измерения избыточного давления) или второе измеряемое давление (в случае измерения разности давлений) воздействует на дополнительный упругий элемент. Вследствие этого жесткий центр 6 дополнительного упругого элемента перемещается в сторону основного упругого элемента. В связи с размещением электродов 8 и 9 дополнительного упругого элемента на его жестком центре электроды 8 и 9 дополнительного упругого элемента перемещаются в сторону электродов 3 и 4 основного упругого элемента. Вследствие этого емкость конденсаторов увеличивается. В случае уменьшения величины атмосферного давления (в случае измерения избыточного давления) или второго измеряемого давления (в случае измерения разности давлений) электроды 8 и 9 дополнительного упругого элемента удаляются от электродов 3 и 4 основного упругого элемента, вследствие чего емкость конденсаторов уменьшается. Таким образом, емкость опорного конденсатора однозначно отражает величину атмосферного или второго измерительного давления. Емкость центрального конденсатора зависит как от первого измеряемого давления, так и от второго. Таким образом, измеряя емкости центрального и периферийного конденсаторов, можно однозначно судить о величине избыточного давления или разности давлений.

Формирование выходного сигнала проходит следующим образом. Напряжение с генератора подается на эталонный конденсатор. В первом такте ключи К1, К2, К3 находятся в верхнем положении. Поэтому напряжение с генератора проходит через параллельно соединенные конденсаторы С_э1 и С_э2 на вход усилителя У1, в цепь обратной связи которого в данный момент времени включен конденсатор С_о. Напряжение с выхода усилителя У1 подается в данном случае на неинвертируемый вход усилителя У2, а затем на интегратор И. В следующем такте ключи К1, К2, К3 находятся в нижнем положении. В этом случае сигнал с генератора подается через конденсатор С_э1 на вход У1, в цепь обратной связи которого включен конденсатор С_х. Напряжение с выхода усилителя У1 подается на инвертирующий вход усилителя У2, а с его выхода - на интегратор И, который совместно с усилителем У2 обеспечивает сигнал, равный разности напряжений, подаваемых на входы усилителя У2. В результате этого на выходе интегратора формируется выходной сигнал, амплитуда которого однозначно характеризует разность давлений, воздействующих на основной и дополнительный упругие элементы. (56) 1. Патент США N 4562742, кл. G 01 L 9/12, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1702197, кл. G 01 L 9/12, 1989.

3. Патент СССР N 593674, кл. G 01 L 9/12, 1974.

Использование: датчик может быть использован для измерения статико - динамических давлений. Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит основную мембрану с опорным основанием, электроды, размещенные в центральной части мембраны, и на ее опорном основании, расположенную с зазором и герметично соединенную по периферии с мембраной дополнительную мембрану с жестким центром и опорным основанием, и с ответными электродами, и выводные проводники, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Периферийный электрод дополнительной мембраны размещен на ее жестком центре. Гермоколодка выполнена в виде платы. Дополнительная мембрана герметично соединена с гермоколодкой при помощи втулки. Для изоляции электродов на планарных поверхностях мембран расположена диэлектрическая пленка. Герметичное соединение дополнительной мембраны с основной осуществляется через гермоколодку и кольцо. Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления содержит первый и второй усилители, эталонные конденсаторы, включенные на вход первого усилителя через первый коммутационный ключ, и измерительный конденсатор, включен в цепь обратной связи первого усилителя. Опорный конденсатор включает в цепь обратной связи первого усилителя. Опорный и измерительный конденсаторы попеременно подключаются в цепь обратной связи через второй коммутационный ключ, а выход первого усилителя попеременно подключается через третий ключ синхронно первому коммутационному ключу к неинвертируемому и инвертируемому входам второго усилителя, выход которого соединен с интегратором . 2 с. п. ф - лы, 2 ил.

ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЕГО ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
1. Емкостный датчик давления, содеpжащий основной упpугий элемент в виде мембpаны с жестким центpом, выполненной за одно целое с опоpным основанием, центpальный и пеpифеpийный электpоды, pазмещенные соответственно в центpальной части упpугого элемента и на его опоpном основании, pасположенный с зазоpом и геpметично соединенный с основным упpугим элементом дополнительный упpугий элемент в виде дополнительной мембpаны с жестким центpом, опоpным основанием и с ответными электpодами, обpазующими соответственно измеpительный и опоpный конденсатоpы, а также выводные пpоводники, частично pасположенные в межэлектpодном зазоpе и соединенные с контактами геpмоколодки, отличающийся тем, что в нем пеpифеpийный электpод дополнительной мембpаны pазмещен на ее жестком центpе, а геpмоколодка выполнена в виде платы с центpальным отвеpстием, опоpное основание дополнительной мембpаны с помощью введенной втулки геpметично соединено по пеpифеpии с внутpенней кpомкой отвеpстия платы, котоpая с помощью введенного кольца геpметично соединена с опоpным основанием основного упpугого элемента, а элементы констpукции датчика связаны соотношением
h_o= ,
где h_x, h₀ - толщина мембраны основного и дополнительного упругих элементов соответственно;
R_x, R₀ - радиус мембраны основного и дополнительного упругих элементов соответственно
A_o= · ;
^Ax^=·;
K₀ = R₀ / r₀ ;
K_x = R_x / r_x;
R_x, R₀ - радиус основного и дополнительного упругих элементов соответственно;
r_x, r₀ - радиус жесткого центра основного и дополнительного упругих элементов соответственно;
μ_x , μ_o - коэффициент Пуассона основного и дополнительного упругих элементов соответственно;
E_x, E₀ - модуль упругости основного и дополнительного упругих элементов соответственно;
S_x, S₀ - площадь центрального и периферийного электродов соответственно.