Емкостный датчик давления Советский патент 1991 года по МПК G01L9/12 

(Л

С

Изобретение может быть использовано для измерения абсолютного давления. Цель изобретения - повышение чувствительности и виброударной устойчивости, а также обеспечения высокой точности за счет уменьшения гистерезиса В датчике силопе- редающая и компенсационная системы выполнены в виде двух идентичных балок 20 и 21, выполненных заодно с крышкой 1 корпуса. Один конец силопередающей балки 20 выполнен заодно с мембраной 4, а другой ее конец выполнен заодно с упругим несдвигаемым шарниром 22 с крышкой 1 корпуса, и присоединен к подвижному электроду плоского коромысла, выполненного фрезеровкой прямоугольной плиты с образованием наружной рамки 11. Компенсационная балка 21 выполнена аналогично и развернута на 180° по отношению к балке 20 7 ил.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения абсолютного давления.

Целью изобретения является повышение чувствительности и виброударной устойчивости и обеспечение высокой точности.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик давления; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1 ; на фиг. 4 - электронная рама, оазрез; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг 4; на фиг. 6 - вид А на фиг. 5; на фиг. 7 - блок-схема измерения.

Корпус датчика состоит из трех частей: 1 - верхней крышки, 2 -средней части для закрепления неподвижных электродов и 3 - нижней крышки. В верхней крышке 1 выполнены смещенные по оси симметрии две

мембраны 4 и 5 с жесткими центрами. Мембрана 5 наглухо закрывается колпаком 6. Корпус 1 опирается на плоскую электродную раму 7 с упрочняющими ребрами 8, 9 и

10(фиг. 1 и 4). Неподвижная наружная рама

11получена фрезеровкой заодно с плоским коромыслом 12 внутри нее, где коромысло переходит в рамку через упругие элементы в виде шеек 13 и 14.-Коромысло 12 на концах одной стороны имеет прямоугольные электроды 15 и 16, полученные обработкой в поперечном направлении в виде плоского выреза 17 Прямоугольные электроды в двух местах, смещенных от центра в разные стороны, через штоки (стержни) 18 и 19с двухсторонними вырезами шарнирно соединяются с кон ;ами двух балок 20 и 21 (силопередающей и компенсационной), а также через упругие несдвигаемые шарниО

ю о

Ч)

го о

ры 22 и 23, выполненные заодно в верхней крышке 1 корпуса с внутренней стенкой последнего.. Другие концы балок 20 и 21 выполнены заодно с жесткими центрами мембран 4 и 5. С дном средней части 2 корпуса через изоляционные прокладки 24- 27 связаны неподвижные прямоугольные электроды 28 и 29, регулировочные штоки 30 и 31 которых в конце имеют отверстия для прикрепления токоведущей проволоки и подведения ее к печатной плате (на фиг, 1 не показано), на которой собирается схема измерения. Неподвижные электроды с изоляционными прикладками прикреплены к дну средней части 2 корпуса, выполненной в виде полосовой консоли путем фрезеровки.

Для облегчения деформации консоли, с целью регулирования емкостных зазоров, ее опорный участок снизу имеет поперечный паз 32. После шлифовки электродной частичс закрепляющими поверхностями частей 1 и 2 корпуса и для получения необходимого начального зазора между электродами 15, 28 и 16, 29 применяется фольговая прокладка 33 необходимой толщины. После герметического закрытия корпуса производят по периметрам примыкающих участков сваривание, например электронно-лучевой сваркой. Для повышения температурной стабильности внутри датчика создается вакуум величиной 10 - мм рт.ст. Колпачок 34 имеет штуцер для подвода давления.

На фиг. 7 приведена схема измерения, где емкости С1 и С2, образованные соответственно между электродами 15, 28 и 16, 29, входят в схему автогенераторов 35 и 36, выходные сигналы которых с частотами f 1 и fa подаются смесителю 37. Разностная частота подается измерителю 38 частоты.

Предлагаемый емкостный датчик давления работает следующим образом.

Через штуцер колпачка 34 давление Р подается к мембране 4 с жестким центром и в виде усилия передается к концу силопередающей балки 20, к другому концу которой присоединен податливый силопередающий стержень 18, который давление в виде усилия передает к подвижному электроду 15 плоского коромысла 12. Если этот электрод приближается к неподвижному электроду 28, увеличивая емкость, то второй подвижный электрод 16 коромысла удаляется от неподвижного электрода 29, уменьшая емкость. При полной симметрии изменение обеих емкостей равно ±ДС. Если автогенератор 35 уменьшает свою частоту на величину A f, то автогенератор 36

увеличивает частоту на такую же величину. Так как выходные сигналы автогенераторов подаются к смесителю 37, то на выходе ее изменение частоты будет ± 2 Af. По величине измеряемой частоты частотометром 38 можно судить о величине давления.

Температурная компенсация и повышение виброударной устойчивости осуществляется термокомпенсационной балкой 21,

которая одним концом связана с корпусом

1через упругий несдвигаемый шарнир 23, а другим - с жестким центром мембраны 5. Из-за несимметричного прикрепления си- лопередающих податливых штоков 18, 19 к

электродам 15 и 16 плоского коромысла при ударных нагрузках могут возникнуть скручивающие инерционные моменты и поэтому плоское коромысло с обратной стороны имеет упрочняющие ребра, расположенные

симметрично по диагонали этого коромысла, позволяющие произвести регулирование несимметричных инерционных моментов путем передвижения винтов на крайних ребрах 8 и 10 на коромысле с возможностью добавки инерционных грузов к этим же винтам.

Так каксилопередающая система в виде балок, несдвигаемых упругих шарниров и силопередающих стержней и мембран с жесткими центрами выполнены за одно целое с корпусом 1 и так как при действии давления Р центр мембраны 4 перемещается незначительно, то значением гистерезиса можно пренебречь.

Перемещению плоского коромысла противодействуют узкие шейки 13 и 14, выполняющие роль опорных упругих шарниров. По размерам указанных шеек, по жесткости и упругости как мембран, так и несдвигаемых упругих шарниров определяются разрешающая способность и чувствительность датчика. При толщине 3 мм и при высоте их

2мм нижний предел измеряемых давлений можно довести до 1,5-2,0 мм рт.ст. Разрешающую способность датчика можно увеличить удлинением коромысла и изменением размера шеек,

Изменение емкости С1 и С2 произво- дится передвижением конца консоли дна корпуса путем передвижения по отношению к опоре с помощью регулирующей системы,

Для перевода конструкции в состоя-, ние измерения разности давлений необходимо второй колпак 6 мембраны 5 заменить колпачком со штуцером, аналогичным колпачку 34.

Чувствительность емкостного датчика увеличивается во столько раз, во сколько раз отношение расстояния центровки опоры и мембраны больше, чем расстояние центров силопередающего стержня и опо- ры. Чувствительность датчика увеличивается также благодаря выполнению поверхности электрода прямоугольной формы в сравнении с круглой, когда датчик имеет форму прямоугольной призмы.

Создание электродов плоской прямоугольной формы связано поперечным поло - сковым вырезом центральной части плоского коромысла. Такие вырезы приводят к снижению прочности хоромысла, кото- рое при ударных нагрузках может обломиться, возможны также изгибы концов коромысла с получением ложных сигналов. Поэтому с обратной стороны электродов коромысла выполнены упрочня- ющие ребра, расположенные симметрично по отношению к его диагонали. Кроме того, из-за несимметричного прикрепления сило- передающихстержней к подвижным прямоугольным электродам при ударных нагрузках могут возникнуть скручивающие моменты инерции, крайние ребра компенсируют появление таких моментов, заодно увеличивая прочность кордмысла.

Кроме того, в предлагаемом датчике значительно проще получение плоскопараллельного расположения электродов путем фрезеровки и шлифовки прямоугольной части силопередающего участка корпуса и плоского коромысла с его наружной рамкой. После закрепления неподвижных электродов на корпусе производится шлифовка примыкающей внешней поверхности и при применении фольговой прокладки между корпусом 2 и рамкой 7 можно легко пол- учить плоскопараллельное расположение подвижных и неподвижных электродов, удаленных друг от друга по толщине фольговой прокладки.

Благодаря применению второй балки создается полная термокомпенсация сило- передающей системы датчика, так как воздействие этих двух балок при изменении температуры на подвижные электроды дает одинаковые изменения и поэтому на выходе ложный сигнал будет отсутствовать (все узлы датчика изготовлены из одного металла).

В датчике вследствие выполнения заодно шеек между наружной рамкой и полоско- вым коромыслом, а также благодаря монолитности силопередающей системы,, т.е. за счет отсутствия отдельных прикрепляемых узлов, значительно уменьшается возможный гистерезис, а следовательно, повышается точность.

Конструкция датчика позволяет без особых изменений, только заменив колпак наглухо закрытой мембраны на крышку со штуцером, производить измерение разностного давления.

Наличие зазора величиной 50 мкм, где воздушный слой наполовину заменен слюдой, позволяет емкость каждого конденсатора увеличить в 1,5-2,0 раза. Изменение емкостного зазора всего лишь на 2-3%, в пределах которого сохраняется линейная характеристика, приводит к изменению частоты каждого генератора 25 кГц (основная частота автогенератора была 10 МГц).

Подбором толщины мембран с жестким центром и размером упругих шеек (2x2 мм) нижний предел измеряемых давлений доведен до 1-2 мм рт.ст. Вес датчика не превышает 500 г.

Испытание датчика на виброударную нагрузку показало отсутствие выходных ложных сигналов. Снятая характеристика между изменением частоты выходного сигнала и приложенным давлением была линейной.

Формула изобретения Емкостный датчик давления, содержащий установленные в корпусе две мембраны, соединенные через силопередающие элементы с подвижными электродами, раз- мещенными на противоположных плечах с одной стороны плоского коромысла,ось вращения которого связана с закрепленной на корпусе прямоугольной опорной рамкой через упругие перемычки, выполненные за одно целое с рамкой, и неподвижные электроды, установленные с регулируемым зазором относительно подвижных электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и виброударной устойчивости, а также обеспечения высокой точности, в нем силопередающие элементы выполнены в виде двух идентичных консольных балок с закрепленными на противоположных сторонах корпуса упру- гимиопорами,связанных одними концами с центрами соответствующих мембран, а другими - с соответствующими подвижными электродами, при этом балки размещены с возможностью углового перемещения относительно соответствующих упругих опор в двух параллельных плоскостях, перпендикулярных оси вращения коромысла и симметричных относительно его продольной оси, и выполнены за одно целое с мембранами и корпусом, а коромысло снабжено ребрами жесткости, расположенными с противоположной стороны относительно подвижных электродов параллельно продольной оси коромысла и симметрично его диагонали, и балансировочными грузами,

//rf/У//////////////////////////.

32

31

/

Фиг.1

-

,1

установленными на крайних pebpax жесткости.

А-А

:;К 25

30

-)©

JL

иг.2

1

|«аь.

г

4s

1

Оа

-

а о

О5

о ю

о

N

гь

Са

4

Т

16

-G

ВидА

J L

X

15

//

X

fiui.e