Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогибающую мембрану и плоскую эталонную пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода: первый является чувствительным элементом, второй -- эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогибаемой 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 постоянным 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 (патент США № 4562742, кл. G01 L9/12, 1975).

Недостатком известного устройства является высокая температурная погрешность, вызванная тем, что механическая распорка имеет отличный температурный коэффициент линейного расширения, по сравнению с мембраной и плоской эталонной пластиной. Следовательно, при измене- нии температуры происходит ложное перемещение электродов, и значит появляется температурная погрешность.

Кроме того, выходная характеристика датчика имеет большую нелинейность в силу того, что при деформации мембраны наряду с перемещением измерительного электрода, имеет место при определенном давлении перемещение в том же направлении и эталонного электрода. В результате указанных причин снижается точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является датчик давления, в котором преобразователи деформаций выполнены в виде измерительного и эталонного конденсаторов, причем электроды первого размещены друг против друга на центральных, а второго - на периферийны частях противолежащих упругих стенок, а внутренняя полость герметичной камеры вакуумирована. Пластины

измерительного конденсатора круглые и расположены в центре на противоположных внутренних плоскостях упругих стенок. При таком расположении давление, приложенное к корпусу датчика извне, вызывает отно- сительное перемещение пластин конденсатора и обеспечивает сигнал, соответствующий приложенному давлению, в то время как пластины эталонного конденсато0 ра в сущности неподвижны (патент СССР N; 593674, кл. G 01 L9/12, 1974).

Недостатком известной конструкции является наличие температурной погрешности, обусловленной различной температур5 ной деформацией центральных электродов, по сравнению с периферийными, расположенными на более массивном элементе. Кроме того, в известной конструкции отсутствуют элементы термокомпенсации, что не

0 позволяет достичь точности измерения на современном уровне.

Целью изобретения является увеличение точности путем уменьшения температурной погрешности.

5 Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем вакууми- рованный корпус, преобразователь деформации, выполненный в виде двух конденсаторов, электроды которых разме0 щены один против другого на центральных и периферийных упругих элементах, предусматривается на мембране два дополнительных делителя напряжения, каждый из которых состоит из двух терморезисторов,

5 причем в каждом делителе по одному терморезистору покрыты дополнительным диэлектрическим слоем.

Введение двух дополнительных делителей, каждый из которых состоит из двух тер0 морезисторов - обеспечивает температурную компенсацию начального уровня и чувствительности выходного сигнала путем изменения соотношений величины сопротивлений делителей в зависимости

5 от изменения температуры полуколец, а также размещение их между жестким центром и утолщенным периферийным участком - обеспечивает необходимую величину сопротивления каждого терморезистора, а

0 также восприятия ими среднеинтегральной температуры на мембране при быстроменяющихся тепловых воздействиях измеряемой среды.

Введение дополнительного покрытия

5 диэлектрическим слоем на поверхности двух терморезисторов, по одному из каждого делителя, обеспечивает возможность получения в каждом делителе терморезисторов с разными знаками температурного коэффициента сопротивления, что, в свою

очередь, повышает эффективность компенсации температурной погрешности.

Задание толщины диэлектрического слоя не более величины максимального хода жесткого центра обеспечивает отсутствие механических повреждений диэлектрического покрытия.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый датчик давления отличается тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения температурной погрешности, вторые электроды конденсаторов размещены на введенной в датчик пластине, установленной внутри корпуса, а на мембрану нанесены два дополнительных делителя напряжения, каждый из которых состоит из двух терморезисторов с положительным и отрицательным коэффициентом сопротивления имеющих форму полуколец и расположенных между жестким центром мембраны и ее периферийным участком, причем один из терморезисторов каждого делителя покрыт дополнительным диэлектрическим слоем, толщиной не более величи- ны максимального хода жесткого центра мембраны. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию новизна.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существующими отличительными признаками заявляемого датчика давления, и признать заявляемое решение соответствующим критерию существенные отличия.

На чертеже показана конструкция емкостного датчика давления и топология на поверхности мембраны.

Датчик давления включает емкостной преобразователь (ПЕ) 1 и преобразователь емкости в напряжение (ПЕН) 2 (в описании не показан). ПЕ 1 включает преобразователь деформации - защемленную мембрану 3 с жестким центром 4 и утолщенным периферийным участком 5, выполненную за одно целое с опорным основанием 6, пластину 7, которая крепится к периферийному участку 5 с заданным зазором, величина которого устанавливается за счет уголков 8. На мембране 3 и пластине 7 выполнены в зеркально-симметричномотображениицентральные круглые электроды 9, образующие измерительный конденсатор, и кольцеобразные периферийные участки 10, образующие эталонный конденсатор. Кроме того, на мембране 3 установлены два дополнительных делителя напряжения, терморезисторы которых 11, 12, 13, 14 имеют.

форму полуколец, причем по одному из терморезисторов каждого делителя 12 и 13 покрыты дополнительным диэлектрическим слоем 15. Топология от влияния внешних

факторов защищена гермокорпусом 16.

Датчик давления работает следующим образом;

При подаче измеряемого давления Рх на мембрану 3 происходит ее прогиб и относительное перемещение жесткого центра 4 на величину х, в результате изменяется (уменьшается) расстояние между электродами 9, расположенными на жестком центре 4 и в центре пластины 7, за счет этого изменяется

(увеличивается) емкость центрального конденсатора на величину Сх и становится равной

20

Сц Сх+ АСх

(D

где Сц - емкость центрального конденсатора;

Сх - начальная емкость центрального конденсатора, состоящего из электродов 9; АСх - величина приращения емкости от изменения зазора.

В связи с тем, что без воздействия давления начальная емкость Сх равна С0, то выражение (1) принимает вид

АСх(2)

Учитывая, что при воздействии давления периферийные электроды 10 не переме- щаются, следовательно, емкость периферийного конденсатора равна

Сп Со,

где Сп емкость периферийного конденсатора, состоящего из электродов 10.

Таким образом, от давления Рх емкость центрального конденсатора, состоящего из электродов 9, увеличивается на величину

АСх, а емкость периферийного конденсатора, состоящего из электродов 10. не изменяется. В ПЕН выходной сигнал изменяется пропорционально величине отношений емСкости . . Величина этого отношения на

самом низком уровне измеряемого давления (Ро), соответствует значению

.3

так как емкости центрального и периферийного конденсаторов устанавливаются равными на самом низком уровне измеряемого

давления. Величина отношения при предельном значении измеряемого давления (Рх) соответствует значению

Сц ,р Сз Ч-ДСХ/л)

u(Px)(4)

так как емкость центрального конденсатора увеличивается, а периферийного остается без изменения.

В ПЕН выходной сигнал изменяется

Сц

пропорционально отношению -р,

vn

следовательно, и изменению давления.

Функции преобразования емкостного датчика можно представить следующим образом: т.е. изменение давления преобразуется в мембране в относительную деформацию, которая вызывает относительное перемещение электродов, в результате чего изменяется емкость, что приводит к изменению напряжения в ПЕН.

Выходной сигнал в общем виде выражается в виде

Uc

Кмп2

(Кмп1

Со

СхУ

где Увых - выходной сигнал датчика;

Uo -нулевой сигнал датчика;

КМп1., КМп2 - коэффициенты преобразования нуля и чувствительности соответственно.

Изменение температуры на датчике вызывает неравномерные температурные деформации на центральной и периферийной частях мембраны. Следовательно, емкости конденсаторов Сц и Сп изменяются от температуры не в равной степени, а значит, и изменяется начальный выходной сигнал от температуры в ПЕ. Так же изменяются от температуры упругие свойства (модуль упругий) мембраны. Следовательно, изменяются величины приращений емкости Сх от одинаковой величины давления, а значит, изменяется чувствительность выходного сигнала в ПЕ. В общем виде выходной сигнал при изменении температуры на датчике выражается в виде

ивых ((t)){6)

где t - величина температуры на датчике.

При изменении температуры в термозависимых делителях напряжения, рэзмещен- ных на мембране 3, изменяются сопротивления терморезисторов 11, 12, 13, 14. Причем в терморезисторах 11 14, приращения температуры вызывает прираще

ние величины сопротивлении, а в терморезисторах 12 и 13 приращение температуры вызывает уменьшение величины сопротивлений.

5 Прямая зависимость величины сопротивлений в терморезисторах 11 и 14 обусловлена положительным их температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), как тонкопленочных металлических, например,

10 никелевых. Обратная зависимость величины сопротивлений в терморезисторах 12 и 13 обусловлена отрицательным ТКС, как тонкопленочных и металлических, например, никелевых и покрытых дополнитель15 ным диэлектрическим слоем 15. например, моноокисью кремния. Отрицательное значение ТКС никелевых терморезисторов, покрытых моноокисью кремния, обусловлено внедрением элементов кремния в межзе20- ренные пространства, образуя наряду с амортизационными соединениями типа NISI2. NiaSI. NiSi и окислы SiO и Si02 с малой электропроводностью. Температурный режим формирования обеспечивает вы25 сокую скорость диффузии (миграции) Si по границам зерен на несколько порядков выше, чем в основное тело пленки и обеспечивает равновесную структуру по всей толщине тензорезистора.

30 Таким образом, подключение терморезисторов 11 и 12 к делителю ПЕН, формирующему начальный уровень датчика, обеспечивает функциональную зависимость Кмп1 от температуры и тем самым ком35 пенсацию начального уровня Увых. Подключение терморезисторов 13 и 14 к делителю ПЕН, формирующему чувствительность датчика.обеспечивает функциональную зависимость КМп2 от тем40 пературы и тем самым компенсацию крутизны характеристики Увых.

Следовательно, в предложенном техническом решении осуществляется практически полная температурная компен45 сация нулевого уровня и чувствительности за счет функциональной зависимости коэффициентов преобразования от температуры КМп1 - f{t}, Км,я - f(t)

В соотношении (6) за счет изменения

50 коэффициентов Кмп1 и Кмп2 от температуры достигается коррекция нулевого уровня и чувствительности. В общем виде выходной сигнал выражается в виде

55

Ue (К-1 (-§) (7)

а значит, Увых; не зависит от изменения температуры.

Предлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее повышен- ной точностью измерения за счет практически полностью исключенной погрешности от температуры как начального выходного сигнала, так и чувствительности.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом является увеличение в 2-3 раза точности измерения за счет исключения температурной погрешности.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий вакууми- рованный корпус и преобразователь деформации, выполненный в виде двух конденсаторов, электроды которых размещены один против другого, причем первые

0

5

0

электроды конденсаторов размещены на центральном и периферийном участках воспринимающей давление мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения температурной погрешности, вторые электроды конденсаторов размещены на введенной в датчик пластине, установленной внутри корпуса, а на мембрану нанесены два дополнительных делителя напряжения, каждый из которых состоит из двух терморезисторов с положительным и отрицательным коэффициентом сопротивления, имеющих форму полуколец и расположенных между жестким центром мембраны и ее периферийным участком, причем один из терморезисторов каждого делителя покрыт дополнительным диэлектрическим слоем, толщиной не более максимального хода жесткого центра мембраны.

Использование: в измерительной технике, в датчиках для измерения статического и динамического давлений жидких и газообразных сред. Цель - повышение точности путем уменьшения температурной погрешности. Сущность изобретения: датчик содержит емкостный преобразователь 1, включающий мембрану 3 с жестким центром 4 и утолщенным периферийным участ7 16 VJuJ ком 5, выполненную за одно целое с опорным основанием 6, пластину 7, которая крепится к периферийному участку 5 с заданным зазором, величина которого устанавливается за счет угольников 8. На мембране 3 и пластине 7 выполнены в зеркально-симметричном отображении центральные круглые электроды 9, образующие измерительный конденсатор, и кольцеобразные периферийные участки 10, образующие эталонный конденсатор. Кроме того, на мембране 3 установлены два дополнительных делителя напряжения, каждый из которых состоит из терморезисторов 11, 12, 13, 14, имеющих форму полуколец. По одному из терморезисторов каждого делителя покрыты дополнительным диэлектрическим слоем 15. Топология от влияния внешних, факторов защищена гермокорпусом 16, Положительный эффект: точность повышается в два раза. 1 ил. 9 f J П П ЯП Л Я. XI XI о XJ чэ о