Датчик давления Советский патент 1991 года по МПК G01L9/12 

Фие.1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред.

Целью изобретения является повышение чувствительности и уменьшение нелинейности выходной характеристики датчика давления.

На фиг.1 показана конструкция емкост- rioro датчика давления; на фиг.2 - топология электродов на поверхности мембраны: на фиг.З - прогибы мембраны и диска от давления.

Датчик давления включает мембрану 1 с жестким центром 2 и деформируемым периферийным участком 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4, упругий диск 5, закрепленный в корпусе 6 с помощью жесткого штока 7, кольцо 8, установленное между мембраной 1 и диском 5, и центральные 9 и 10 и периферийные 11 и 12 электроды, расположенные на мембране 1 и диске 5. Электроды 9 и 10 имеют форму круга, а электроды 11 и 12 - форму колец.

Датчик давления работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления Рх на мембрану 1 происходит ее прогиб и от- носительное перемещение жесткого центра 2 на величину х (фиг.З) между электродом 9, расположенным на жестком центре 2, и электродом 10, расположенным в центре диска 5, в результате чего меняется (увели чиоэето) емкость центрального конденса- юра на геличину Сх и становится равной

Сц С0«Сх.(1)

где Сц емкость центрального конденсатора, состоящего из электродов 9 и 10;

С0 - емкость центрального и периферийного конденсаторов на самом низком уровне измеряемого давления;

Сх - величина приращения емкости от уменьшения зазора на величину х между электродами 9 и 10 центрального конденсатора.

От воздействия давления и прогиба мембраны 1 также происходит перемещение кольца 8 на величину, пропорциональ- ную х, установленного по окружности на равноудаленном расстоянии (п) от жесткого центра 2 и опорного основания 4. Кольцо 8 вызывает прогиб периферии диска 5 на величину и х, а вместе с ним и перемещение электрода 12. Кроме того, при прогибе мембраны 1 от давления Рх передается изгибающий момент периферийному участку 3. который перемещается на величину, пропорциональную х, например К, с электродом 11. Следовательно, меняется (увеличивается) зазор на величину Кх + ц х между электродом 1 I, расположенным на периферийном участке 3 мембраны, и электродом 12, расположенным на периферии диска 5, в результате чего меняется (уменьшается) емкость периферийного конденсатора на величину С(КХ + //х) и становится равной Сл Со-С(Кх+//х).,(2)

где Сп - емкость периферийного конденсатора, состоящего из электродов 11 и 12.

С(Кх + ) - величина уменьшения емкости от увеличения зазора между электродами 11 и 12 периферийного конденсатом.

Таким образом, от давления Гх емкосч ь центрального конденсатора, состоящего из электродов 9 и 10, увеличивав гея на оеличи- ну Сх.а емкость периферийного конденсатора, состоящего из электродов 11 и 12. уменьшается на величину С(КХ + ) В преобразователе емкости в напряжение выходной сигнал изменяется пропорционально

Сц

величине отношении емкости

Сг

Величина этого отношения на самом низком уровне измеряемого давления (Р0) соотсетстБует значению

Сц fp . GJ

Сп(Ро)сТ

так как емкости центрального и периферийного конденсаторов устанавливаются равными на низком уровне измеряемсго давления. Величина отношения при предельном значении измеряемого давления (Рх) соответствует значению

Сц ,р ч Со+Сх

Сп(Рх) С СГКГТТ

так как емкость центрального конденсатора увеличивается, а периферийного уменьшается при воздействии давления. В преобразователе емкости в напряжение выходной сигнал изменяется пропорционально отноСц

шению т

Ьп

а следовательно, и изменению

давления. Функции преобразования емкостного датчика можно представить следующим образом: Рх - х - С- Ц гд е Ј - деформация; х перемещение.

То есть изменение давления преобразуется е мембране в относительную деформацию, которая вызывает относительное перемещение электродов, в результате чего изменяется емкость, что приводит к изменению напряженич в преобразователе.

Изменение температуры на датчике вызывает равномерные температурные рас ширения упругих элементов (мембраны 1 диска 5, опорного основания 4) в силу v

равенства толщин и одинаковости материалов. Следовательно, емкости конденсаторов Сц и Сп изменяются р равней степени, а значит и изменения выходного сигнала от темперагуры в преобразователе емкости в напряжение не происходит.

Предлагаемый датчик давления отличается от известных увеличенной 0 2-3 разь чупствительностью и практически линейной метрологической характеристикой от изме- ряомого параметра.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий вакууми- рованный корпус с цилиндрическим опор- ным оснопрнием, мембрану и емкостный преобразователь деформаций, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с цепью повышения чувствительности и уменьшения нелинейности выходной характеристики, он снаб- жен расположенным напротив мембраны упругим диском, закрепленным в i рпусе с

помощью штока, а мембрана выполнена с жестким центром, диаметр которого равен диаметру штока, и закреплена на опорном основании с образованием консольного периферийного участка, при этом между мембраной и диском на равном расстоянии от края жесткого центра и края опорного основания установлено кольцо, топщина которого равна зазору между мембраной и диском, а емкостный преобразователь деформации выполнен в еид° двух пар противолежащих электродов - центоэпьной и периферийной, причем электроды центральной паоы имеют форму круге с диаметром, равным диаметру хваткого центра мембраны, и расположены соответственно по центру на упругом диске и мембране, а периферийные электроды имеют ферму колец и размещены соответственно на периферийных участках мембраны и упругого диска, при этом толщина мембраны и толщина опорного основания равны толщине упругого диска.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, и может быть использовано для измерения статического и динамического давлений в жидких и газообразных средах. Цель изобретения - повышение чувствительности и уменьшение нелинейности выходной характеристики. Это достигают за счет того, что в датчике давления, содержащем вакуумированный корпус 6, мембрану 1 с жестким центром 2 и деформируемым периферийным участком 3, диск 5, закрепленный в корпусе с помощью жесткого штока 7, на мембране и диске установлены две пары электродов 9, 10 и 11, 12, противолежащих друг другу Между центральными электродами 9, 10 конденсатора от воздействия давления уменьшается зазор и, следовательно увеличивается емкость, а между периферийными электродами 11 и 12 другого конденсатора от воздействия давления увеличивается зазор и. следовательно, уменьшается емкость. Кроме того, как в центральном, так и периферийном конденсаторе электроды установлены на упругих элементах, имеющих равную толщину 3 ил ,г,юг ,// (Л С CN hO Ю vj 00 00

Фиг. I

-Сп

г

J

:

&

и

--..-.-3

Фиг.З