Емкостный датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением стати- кодинамических давлений в условиях воздействия вибрации.

Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на периферии, зеркально симметричным электроду упругого элемента 1.

Недостатком известной конструкции является большая динамическая погрешность при измерении быстропеременных давлений, связанная с низкой собственной частотой упругого элемента вследствие значительной массы пластины, присоединенной к центру мембраны.

Другим недостатком известной конструкции является значительная погрешность измерений при воздействии вибрации, связанная с колебаниями мембраны и изменением вследствие этого межэлектродного зазора, а следовательно, и модуляцией ем-ч4 О О

кости в зависимости от воздействующих вибраций.

Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод опорного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально симметричные неподвижные электроды измерительного и опорного конденсаторов расположенные на пластине, закрепленной с зазором на упругом элементе, зазор выставляется с помощью выводных проводников 2.

Недостатком известного емкостного датчика является большая динамическая погрешность при измерении быстропере- менных давлений, связанная со значительной глубиной измерительного канала. Другим недостатком известной конструкции является большая погрешность измерений при воздействии виброускоречия, связанная со значительными колебаниями мембраны вследствие большой массы жесткого центра. Кроме того, недостатком известной конструкции явпяется малая чувстьительность к воздействию давпения, связанная с наличием только одной подвижной обкладки у измерительного конденсатора. Недостатком известной конструкции являются большие габариты, связанные с нерациональным размещением деталей относительно друг друга.

Известен емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на жестком центре, концентричный ему неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально симметричные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине, выполненной в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента, расположенного с зазором зеркально-симметрично основному упругому элементу 3.

Недостатком известного емкостного датчика является значительная динамическая погрешность при измерении быстропе- ременнык давлений, связанная с относительно большой длиной измерительного канала. Недостатком известной конструкции является гакже большая

погрешность измерений при воздействии виброускорений, связанная с различной степенью демпфирования основного и дополнительного упругих элементов. Другим

недостатком известной конструкции является малая чувствительность к воздействию давления, связанная с наличием только одной подвижной обкладки у измерительного конденсатора. Кроме того, недостатком из0 вестной конструкции являются большие габариты, связанные с нерациональным размещением деталей и узлов относительно друг друга.

Целью изобретения является уменьше5 ние погрешности при измерении быстропе- ремекных давлений, повышение стойкости к механическим воздействиям, увеличение чувствительности и уменьшение габаритов. Цель достигается тем, что в емкостный дат0 чик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, располо5 женный на жестком центре, концентричный ему неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные электроды измерительного и эталонного конденсато0 рое, расположенные на пластине, выполненной в виде идентмчмого основному дополнительного упругого элемента, расположенного с зазором зеркально-симметрично основному упругому элементу, в

5 соответствии с изобретением введен корпус с двумя параллельными плоскими торцовыми поверхностями и осевым центральным отверстием под выводные проводники, при этом основной и дополнительный упругие

0 элементы герметично соединены между собой по периферии, герметично прикреплены к одной из торцовых поверхностей корпуса и расположены симметрично и па- раллельно оси корпуса, причем три вывод5 ных проводника выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них одной своей частью размещены в концентричных относительно центра мембраны пазах, выполненных зер0 кэльно-симметрично в опорных основаниях основного и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси

5 корпуса, а другие части всех проводников герметично выведены из корпуса через его осевое отверстие.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый емкостный датчик давления отличается тем. что в него

введен корпус с двумя параллельным торцовыми поверхностями и осевым центральным отверстием под выводные проводники, при этом основной и дополнительный упругие элементы герметично соединены между собой по периферии, герметично прикреплены к одной из торцовых поверхностей корпуса и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем три выводных проводника выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них своей частью размещены в концентричных относительно центра мембраны пазах, выполненных зеркально-симметрично в опорных основаниях основного и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси корпуса, а другие части всех проводников герметично выведены из корпуса через его осевое отверстие. Таким образом, заявляемый емкостный датчик давления соответствует критерию новизна.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соот- ветствии критерию существенные отличия,

На фиг. 1 и 2 изображен предлагаемый датчик в разрезе. Соотношения между размерами межэлектродного зазора и толщи- нами диэлектрической пленки и электродов для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит упругий элемент 1 в виде мембраны с жестким центром 2, выполненный за одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны в области жесткого центра. Неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опор- ном основании. Зеркально-симметричные электроды б и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8, выполненной в виде иден- тичного основному дополнительного упругого элемента. Выводные проводники 9 выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке типа КНМСС, на места разделки кабеля нанесен лак КО-921. Кабели в металлической оболочке располо- жены в концентричных относительно центров мембран пазах, выполненных зеркально-симметрично в опорных основаниях дополнительного и основного упругих элементов. Зазор между упругими элементами выставляется с помощью трех жил кабеля. Упругие элементы 1,8 герметично соединены по периферии между собой и герметично соединены с корпусом 10, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси упругих элементов, причем одна из контактных площадок электродов распопоженэ на продольной оси корпуса.

Упругие элементы и корпус выполнены из сплава 70НХБМЮ. Для электрической изоляции электродов используется пленка 11 из А 20з-5Ю2 толщиной 3 мкм. Электроды выполнены из пленки Mo-Ni толщиной 0,8 мкм. Зазор между электродами равен 30 мкм. Диаметр мембраны равен 8 мм, Кабели герметично соединены с корпусом в местах вывода кабелей из корпуса.

Емкостный датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембраны со стороны жестких центров. Под воздействием измеряемого давления подвижные электроды измерительного конденсатора, расположенные в области жестких центров, перемещаются в направлении друг к другу, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличивается.

Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления. Значение емкостей измерительного и опорного конденсаторов передаются на гермовыводы и далее на нормирующее устройство (на фигурах не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения опорной и измерительной емкостей, а следовательно, и измеряемого давления.

У заявляемой конструкции измерительные каналы короче, чем у прототипа, а следовательно, погрешность при измерении быстропеременных давлений меньше у заявляемого датчика. В прототипе измерительная среда не действует на дополнительную мембрану. При воздействии на заявляемый датчик давления внешних механических факторов (вибрации, ударов и т.п.) основной и дополнительный упругие элементы испытывают одинаковые ускорения и давления, так как на них одинаково действует одна и та же измерительная среда. В результате степень демпфирования основного и дополнительного упругих элементов одинакова, что ведет к уменьшению погрешности измерения от механических воздействий у заявляемого датчика по сравнению с прототипом, т.е. стойкость за - являемого датчика давления к внешним механическим воздействиям повышается. Из-за наличия двух подвижных электродов у измерительного конденсатора (вместо одного) чувствительность заявляемого датчика давления возрастает в 2 раза по сравнению с прототипом. Выполнение выводными проводниками функции гермопереходника у заявляемого датчика давления приводит к уменьшению его габаритов по сравнению с прототипом.

Емкостный датчик в соответствии с предлагаемым решением имеет собственную частоту измерительного канала 55 кГц, а емкостный датчик ДСЕ-100, изготовленный в соответствии с прототипом, имеет собственную частоту измерительного канала не более 3,3 кГц.

Коэффициент функции влияния виброускорений, характеризующий погрешность от воздействия вибраций, v заявляемого датчика составляет 0, М , а коэффициент функции влияния виброускорений датчика ДСЕ-100 составляет 0, .

Чувствительность к давлению у заявляемого датчика составляет 40 Пф/МЛа, а чувствительность к давлению датчика давления ДСЕ-100 не превышает 20 Пф/МПэ.

Габаритные размеры у заявляемого датчика составляют 21,5x15 мм. а габаритные размеры датчика ДСЕ-100 составляют 56x34 мм.

Таким образом, технико-экономическими преимуществами -заявляемой конструкции емкост.ного датчика давления по сравнению с прототипом являются повышение собственной частоты измерительного канала в 15 раз, уменьшение погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышение стойкости к внешним механическим воздействиям в 1.5-2 раза, увеличение чувствительности в 2 раза, уменьшение габаритных размеров в 4 раза.

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на жестком центре,

концентричный ему неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на

пластине, выполненной в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента, расположенного с зазором зеркально - симметрично основному упругому элементу, отличающийся тем, что, с

целью уменьшения погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышения стойкости к механическим воздействиям, увеличения чувствительности и уменьшения габаритов, в него введен

корпус с двумя параллельными плоскими торцевыми поверхностями и осевым центральным отверстием под выводные проводники, при этом основной и дополнительный упругие элементы герметично соединены

между собой по периферии, и герметично прикреплены к одной из торцевых поверхностей корпуса и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем три выводных проводника выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них одной своей частью размещены в концентричных относительно центра мембран пазах, выполненных зеркально-симметрично в опорных основаниях основного

и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси корпуса, з другие части всех проводников герметично

выведены из корпуса через его осевое отверстие.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления. Целью изобретения является уменьшение погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышение стойкости к механическим воздействиям, повышение чувствительности и уменьшение габаритов. Это достигается тем, что в емкостный датчик давления, содержащий основной упругий элемент 1 в виде мембраны с жестким центром 2 и пластину 8, выполненную в виде идентичного основному дополнительного упругого элемента, расположенного с зазором зеркально-симметрично основному упругому элементу 1, введен корпус 10, при этом основной 1 и дополнительный 8 упругие элементы герметично соединены между собой по периферии, герметично прикреплены к одной из торцовых поверхностей корпуса 10 и расположены симметрично и параллельно оси корпуса, причем три выводных проводника 9 выполнены из одножильного кабеля в металлической оболочке, два из них одной своей частью размещены в концентричных относительно центра мембраны пазах, выполненных в опорных основаниях основного и дополнительного упругих элементов, третий выводной проводник 9 одной своей частью расположен в зазоре между упругими элементами на продольной оси корпуса, а другие части всех проводников герметично выведены из корпуса через его осевое отверстие. 2 ил. сл с