ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления с емкостными преобразователями.

Известны датчики давления, содержащие подвижный электрод конденсатора, расположенный на мембране, а неподвижный - на некотором расстоянии от нее на плоскости корпуса, строго параллельной мембране. Так, емкостный преобразователь давления со статической компенсацией содержит эталонные и измерительные конденсаторы, установленные в одном корпусе в непосредственной близости друг от друга [1].

В этом датчике достигаются высокая плотность монтажа и размещение измерительного и эталонного конденсаторов в одинаковых температурных условиях, что и обеспечивает компенсацию температурной погрешности.

Известен емкостный преобразователь давления [2], в котором на одной мембране оформлено четыре электрода, расположенных попарно с обеих ее сторон и разделенных диаметральными пазами-зазорами. Неподвижные электроды конденсаторов расположены на вкладышах корпуса, прилегающих к мембране.

Однако в ряде случаев, определяемых условиями эксплуатации, возникает необходимость иметь сигналы датчика, снимаемые по двум независимым каналам, что достигается за счет размещения на одной мембране двух преобразователей с двумя измерительными и двумя эталонными конденсаторами. Для решения этой задачи вышеупомянутые датчики давления совершенно не пригодны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления [3].

Датчик давления содержит корпус, мембрану с утолщенным периферийным недеформиpуемым участком и основанием, выполненным за одно целое. На поверхности мембраны и пластины выполнены в зеркально-симметричном отображении в виде полуколец электроды эталонного основного и дополнительного конденсаторов, а также электроды измерительного основного и дополнительного конденсаторов, электроды основного измерительного конденсатора, состоящие каждый из двух колец с наружными и внутренними радиусами каждое, одинаковы с электродами дополнительного измерительного конденсатора, состоящими из двух полуколец с такими же радиусами. В конструкции уменьшена нелинейность выходного сигнала за счет исключения кривизны поверхности измерительных электродов. За счет введения дополнительного измерительного канала и оптимизации топологии электродов обеспечивается повышенная точность измерения давления.

Однако датчик давления не может быть использован для точной выработки сигналов, снимаемых по двум независимым каналам, из-за возникновения помех в опорном канале, выдаваемых вышедшим из строя резервным каналом.

Целью изобретения является обеспечение условий работы двух преобразователей, размещенных в одном корпусе, за счет сведения к минимуму возможных наводок, создающих погрешность измерения давления, одним преобразователем при вышедшем из строя втором преобразователе.

Для достижения цели подвижные электроды двух независимых конденсаторов выполнены в виде сегментов равной площади, расположенных в зоне наибольших деформаций мембраны, имеющей такие же сегменты на поверхности пластины, с выводами, направленными в разные стороны и отделенными друг от друга симметричным пазом, а на периферии мембраны в зоне, не подверженной деформации, и соответственно на поверхности пластины расположены неподвижные конденсаторы равной площади, имеющие симметричную токопроводящую перемычку с токопроводящими отводами, расположенными в плоскости диафрагмы и в плоскости пластины соответственно, причем неподвижный электрод первого измерительного конденсатора соединен токопроводящей перемычкой с электродом первого эталонного конденсатора, лежащим с ним в одной плоскости, а подвижный электрод второго измерительного конденсатора соединен токопроводящей перемычкой с вторым эталонным конденсатором, лежащим с ним в одной плоскости.

На фиг.1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг.2 - схема расположения электродов на мембране, причем пунктирной линией показаны контуры электродов, расположенных на пластине; на фиг.3 приведена типовая структурная схема включения датчика, при которой каждый преобразователь питается от своего генератора и подключен к своему дифференциальному усилителю; на фиг.4 - схема возможных паразитных емкостных связей между электродами.

Датчик давления содержит корпус 1, вытачиваемый из железо-никелевого сплава за одно целое с металлической мембраной 2, толщина которой рассчитывается в зависимости от номинального давления. Над корпусом 1 размещена пластина 3, причем поверхности мембраны 2, составляющей часть корпуса 1, и пластины 3 шлифованы и полированы до 14 класса чистоты поверхности. На пластину 3 и мембрану 2 в вакууме нанесены диэлектрические слои 4, несущие на своей поверхности образованные методом фотолитографии электроды конденсаторов C_x'; C_x'' и C_o'; C_o'', перемычки 5 и контактные прокладки 6. К контактным площадкам мембраны и пластины приварены гибкие токопроводы 7. На корпусе 1 установлены калибровочные прокладки 8, определяющие расстояние до плоскости пластины 3, сваренные с корпусом 1 и пластиной 3. Внутренний стакан 9 взаимодействует с корпусом 1 и крышкой 10, содержащей термовыводы с контактами 11. В стакане 9 напротив каждого из контактов 11 выполнены боковые отверстия, используемые при сварке вторых концов токопроводов 7 с контактами 11 термовыводов. Стакан 9 сварен с корпусом 1 и крышкой 10. Весь узел закрыт наружным стаканом 12, сваренным с корпусом 1 и крышкой 10. Сварка всех корпусных деталей проводится в вакууме.

К числу параметров, определяющих работоспособность конструкции в реальных условиях эксплуатации, наряду с емкостями конденсаторов C_x'; C_x'' и C_o'; C_o'' следует отнести: паразитные емкости на корпус (охранный электрод) датчика давления С_п1; С_п3; С_п7; С_п12; С_п13, С_п15 (см. фиг.2, 4), которые являются постоянными и, как правило, компенсируются за счет самокалибровки усилителей; паразитные емкости C_o'-C_o'', C_x'-C_x'', C_o'-C_x'', C_o''-C_x'; (С_п2; С_п14; С_п11). Они подавляются за счет низких выходных сопротивлений генераторов Г₁ и Г₂ и усилителей А₁ и А₂; паразитные емкости С'_общ - С_общ''; С_o''-C_общ'; C_o'-C_общ''; C_x'-C_общ''; C_x''-C_общ' (С_п8, С_п6, С_п5, С_п10, С_п9).

Эти паразитные емкости имеют наибольшее влияние, приходится принимать специальные меры для их минимизации.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление Р через штуцер корпуса 1 поступает в динамическую полость (см. фиг.1), воздействует на мембрану 2 и деформирует ее. Деформации мембраны 2 приводят к уменьшению зазора между мембраной 2 и пластиной 3, что изменяет емкости расположенных на них конденсаторов.

Как представлено на фиг.3, выходные сигналы OVT1 и OVT2 усилителей А₁ и А₂, которые пропорциональны давлению Р, передаются во вторичную аппаратуру для дальнейших преобразований. Однако поскольку оба преобразователя работают при одновременной асинхронной работе двух генераторов, существует опасность взаимных наводок, которая сводит на нет весь принцип дублирования при выходе из строя одной системы и переходе на дублирующую, поскольку характер неисправности отключенной цепи невозможно предсказать заранее, известна лишь вероятность этого события.

Отсюда появляется необходимость сведения к минимуму паразитных емкостей, что и достигается при помощи предложенной схемы включения емкостных связей (см. фиг.3, 4).

Минимизация паразитных емкостей С_общ'-C_общ''. При нормальной работе преобразователей потенциалы этих точек равны между собой, поэтому и влияние паразитных емкостей незначительно. В случае отказа одного преобразователя (все варианты коротких замыканий на корпус датчика и обрывов) влияние этой паразитной емкости будет ослаблено за счет влияния значительно больших С_общ', С_общ'' на корпус (С_п7, С_п12).

Передача потенциала вывода С_общ отказавшего канала датчика на функционирующий канал будет ослаблена во столько раз, во сколько паразитная емкость электродов С_общ на охранный электрод больше паразитной емкости С_общ'-C_общ''. В предложенной конструкции за счет расположения электродов на мембране и их подключения это влияние - менее 0,1% при самых худших вариантах отказов и менее 0,01% - при других отказах.

Минимизация паразитных емкостей С_о''-C_общ', С_о'-С_общ'', С_х'-С_общ'', C_x''-C_общ'. Влияние этих паразитных емкостей сведено к минимуму за счет того, что они находятся в плоскости мембраны или пластины и возникают между торцами обкладок. Так как минимальное расстояние между обкладками в плоскости мембраны, как правило, больше двойной толщины обкладки и тонкопленочного диэлектрика, их влияние в значительной степени нейтрализуется охранным электродом.

Предложенное расположение электродов на мембране и пластине (см. фиг.2) позволяет приблизить измерительные электроды к центру мембраны, изготовить в одном датчике два независимых канала с высокой относительной чувствительностью к давлению при одновременном обеспечении возможности работы одного при любом повреждении другого.

Использование: изобретение относится к емкостным датчикам давления и позволяет повысить точность и надежность измерения за счет создания в одном датчике двух независимых измерительных каналов. Сущность изобретения: датчик содержит корпус с плоской мембраной и установленной параллельно ей пластиной. На прилегающих поверхностях мембраны и пластины, на диэлектрических подложках расположены электроды конденсаторов: в центральной части - подвижные электроды двух измерительных конденсаторов, выполненные в виде сегментов, а на периферийной части, против каждого подвижного электрода измерительных конденсаторов, расположены неподвижные электроды эталонных конденсаторов, выполненные в виде кольцевых сегментов. При этом подвижный электрод второго измерительного и электрод второго эталонного конденсаторов соединены перемычкой. На пластине расположены ответные неподвижные электроды: в центральной части - электроды измерительных конденсаторов, на периферии - электроды эталонных конденсаторов. При этом неподвижный электрод первого измерительного и электрод первого эталонного конденсаторов соединены перемычкой. Каждый преобразователь со своим измерительным и эталонным конденсаторами образует свой канал, питающийся от своего генератора переменного тока, выход каждого преобразователя подключен к своему усилителю. 4 ил.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий герметичный корпус, упругую мембрану, установленную с зазором относительно мембраны пластину и емкостный преобразователь деформаций, выполненный в виде первого и второго измерительных и первого и второго эталонных конденсаторов, при этом подвижные электроды измерительных конденсаторов выполнены одинаковыми и расположены в центральной части мембраны, неподвижные ответные электроды измерительных конденсаторов расположены симметрично в центральной части пластины, а электроды эталонных конденсаторов выполнены в виде одинаковых кольцевых сегментов и расположены соответственно на периферийных частях мембраны и пластины, отличающийся тем, что в нем подвижные и неподвижные электроды измерительных кондесаторов выполнены в виде сегментов, отделенных друг от друга симметричным пазом, подвижный электрод первого измерительного конденсатора снабжен первым электрическим выводом, а подвижный электрод второго измерительного конденсатора соединен с помощью введенной первой токопроводящей перемычки с токоотводом с расположенным на периферийной части мембраны электродом второго эталонного конденсатора, при этом неподвижный электрод первого измерительного конденсатора соединен с помощью введенной второй токопроводящей перемычки с токоотводом с расположенным на пластине электродом первого эталонного конденсатора, а неподвижный электрод второго измерительного конденсатора снабжен вторым электрическим выводом.