Емкостный датчик давления и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогибающуюся 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 постоянное 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.

Недостатком известного устройства является довольно значительные габаритные размеры, связанные с необходимостью значительных линейных размеров для обеспечения приемлемых значений емкостей. Другим недостатком известного устройства является сравнительно невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью применения сложных технологических процессов формирования пленарных электродов.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании упругого элемента и пластины, нанесении на них электродов, присоединении пластины к упругому элементу через распорку, установленную в центре упругого элемента.

Технологичность известного способа также сравнительно невысока вследствие необходимости применения сложных технологических процессов, формирования пленарных электродов.

Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления содержащий корпус, упругий чувствительный элемент, подвижный электрод измерительного конденсатора, размещенный на упругом чувствительном элементе, неподвижный электрод измерительного конденсатора, электроды опорного конденсатора, размещенные концентрично электродам измерительного конденсатора, причем, электроды опорного конденсатора находятся в одной плоскости с электродами измерительного конденсатора.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большие габаритные размеры, связанные со сравнительно большими линейными размерами, необходимыми для обеспечения приемлемых значений емкостей, определяемых плоскостным расположением электродов. Недостатком известной конструкции является также сравнительно невысокая технологичность, связанная с необходимостью применения сложных технологических процессов, например полирования поверхности мембраны и пластины до минимально-возможной

шероховатости, напыления диэлектрического слоя, напыления электродов, выставления межэлектродных зазоров и т.п. Для выполнения этих операций необходимо сложное и дорогое технологическое оборудование, ко0 торое требует специальных технологических помещений с контролируемой и регулируемой окружающей средой (микроклиматом), Все это не позволяет производить емкостные датчики с приемлемой для многих отраслей народного хозяйства стоимостью. Кроме то5 го, недостатком известной конструкции является ограниченная область применения, связанная с невозможностью измерения избыточного, относительного или дифференциального давления,

0 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления является способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании токопроводящих

5 электродов, жестком закреплении их относительного друг друга, нагревании и герметизации межэлектродных зазоров.

Недостатком известного способа является невозможность изготовления емкост0 ных датчиков давления с требуемой технологичностью.

Целью изобретения является уменьшение габаритных размеров, повышение технологичности и расширение области

5 применения за счет выполнения электродов в виде сферических оболочек, конструктивного объединения упругого чувствительного элемента и подвижного электрода измерительного конденсатора, конструктивного

0 объединения неподвижного электрода измерительного конденсатора и одного из электродов опорного конденсатора, за счет исключения трудноуправляемых технологических процессов подготовки поверхно5 стей, напыления диэлектрических и электродных слоев, выставления межэлектродного зазора, установления необходимости использования сложного и дорогого оборудования, требующего помещений с

0 микроклиматом.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2-3 - различные этапы изготовления емкостного датчика давления.

5 Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены. Емкостный датчик давления содержит корпус 1, упругий

чувствительный элемент в виде первой сферической оболочки 2, поверхность которой является подвижным электродом 3 измерительного конденсатора, неподвижный электрод 4 измерительного конденсатора, электроды 5 и 6 опорного конденсатора, расположенные концентрично электродам измерительного конденсатора. Электроды выполнены в виде трех размещенных друг в друге токопроводящих сферических оболочек первой 2, второй 7, третьей 8, сопряженных с соответствующими цилиндрическими оболочками 9, 10, 11. Оболочки изолированы друг от друга диэлектрическими кольцами 12 и 13. Упругий чувствительный элемент выполнен в виде размещенной в центре датчика оболочки, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, сопряженной с внешней сферической оболочкой, а неподвижный электрод измерительного конденсатора и один из электродов опорного конденсатора выполнены в виде оболочки 7, размещенной между оболочкой 2 подвижного электрода измерительного конденсатора и оболочкой 8 другого электрода опорного конденсатора. На торцах диэлектрических колец 12 и 13 установлены упругие диэлектрические прокладки 14 и 15 соответственно. Корпус выполнен из сплава 29НК-ВИ, оболочки 2 и 8 выполнены из никелевого сплава. Оболочка 7 выполнена из легкого сплава олово-висмут. Диэлектрические кольца из вакуумплотной стеклокерамики СК-100. Упругие диэлектрические прокладки выполнены из армированного политетрафторэтилена. Диэлектрическое кольцо 16 служит для электрической изоляции корпуса.

Способ реализуется следующим образом. Формируют токопроводящие электроды в виде двух сферических оболочек разного диаметра, сопряженных с цилиндрическими оболочками. Формирование проводится известными методами механической обработки, термо- или гальванопластики с последующей сваркой или пайкой. Помещают сферическую оболочку меньшего диаметра внутрь сферической оболочки большего диаметра (см. фиг. 2). Жестко фиксируют сферические оболочки относительно друг друга в технологическом приспособлении (на фиг. 2 не показано). Устанавливают диэлектрические кольца с упругими диэлектрическими прокладками. Заполняют пространство между сферическими оболочками легкоплавким токопроводящим материалом. Заполнение осуществляется в расплавленном илияорошкообразном состоянии. Нагревают датчик до температуры плавления легкоплавкого материала, выдерживают

при этой температуре до полного расплавления легкоплавкого материала. Подвергают одновременному воздействию внутреннюю и наружную сферические оболочки (см. фиг. 3) давлению. В случае необходимости можно

5 подавать различные величины давлений на упругий чувствительный элемент и наружную сферическую оболочку, для чего помещают датчик в камеру давления, а уплотнение проводят по диэлектрическому кольцу 16 (на фиг,

0 3 не показано).

Величина давления, воздействующая на внутреннюю сферическую оболочку, определяется максимально допустимой вели5 чиной измеряемого давления и необходимой модуляцией зазора. В нашем случае величина давления выбрана в диапазоне 1,1-1,2РМах, где Рмах - максимально допустимое значение измеряемого давле0 ния. Величина давления, воздействующего на внешнюю сферическую оболочку в случае использования датчика для измерения избыточного или относительного давления (т.е. когда корпус негерметизирован) опре5 деляется аналогично. В случае герметизации корпуса в условиях эксплуатации на внешнюю оболочку будет действовать постоянное давление, величина давления, воздействующая на внешнюю оболочку в

0 процессе изготовления, должна обеспечивать только постоянный зазор между внешней и промежуточной оболочкой.

Охлаждают датчик до нормальных климатических условий и прекращают действие

5 давлений. В результате, при помощи подвижного электрода измерительного конденсатора формируется неподвижный электрод измерительного конденсатора и необходимый зазор между этими электро0 дами, а при помощи одного из электродов опорного конденсатора - другой электрод опорного конденсатора и необходимый зазор между ними (см. фиг. 1). При этом следует отметить, что форма полученных электродов

5 строго соответствует форме воздействующих электродов в деформированном состоянии, что весьма важно для обеспечения необходимых метрологических характеристик. После остывания легкоплавкого материала проис0 ходит герметизация межэлектродных зазоров. Упругие диэлектрические прокладки необходимы для предотвращения возможного замыкания электродов в местах наименьшей деформации оболочек от

5 воздействующего давления, которые расположены недалеко от областей сопряжения сферических и цилиндрических оболочек.

Емкостный датчик давления работает следующим образом,

Под воздействием измеряемого давления, которое подается через штуцер, выполненный за одно целое с цилиндрической оболочкой 9, упругий чувствительный элемент 2 деформируется, в результате чего зазор между подвижным и неподвижным электродами измерительного конденсатора уменьшается, а емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость опорного конденсатора не изменяется от воз- действующего давления, Значения емкостей измерительного и опорного конденсатора через токовыводы, (на фиг. 1-3 не показаны) приваренные к цилиндрическим оболочкам соответствующих электродов подаются на нормирующее устройство. Обработав значения емкостей, например, взяв отношение измерительной и опорной емкости в нормирующем устройстве (на фиг. 1-3 не показано), получают сигнал, пропорцио- нальный измеряемому давлению. Для измерения избыточного или относительного давления в корпусе датчика выполняют отверстие, соединяющее внутреннюю полость с атмосферой или другим измеряемым давлением. В этом случае емкость измерительного конденсатора зависит от давления, подаваемого через штуцера, а емкость опорного конденсатора - от давления между корпусом и наружной оболочкой. Обрабо- тав полученные значения емкостей в нормирующем устройстве (на фиг. 1-3 не показано), получают сигнал, зависящий как от давления, подаваемого в штуцер датчика, так и от давления между корпусом и наруж- ной сферической оболочкой.

Технико-экономическим преимуществом изобретения по сравнению с прототипом является уменьшение в 3,5 раза габаритных размеров за счет выполнения электродов в виде сферических оболочек, конструктивного объединения упругого чувствительного элемента и подвижного электрода измерительного конденсатора, конструктивного объединения неподвижно- го электрода измерительного конденсатора и одного из электродов опорного конденсатора. Исключение трудноуправляемых технологических процессов подготовки поверхностей, напыления диэлектрических и электродных слоев, i выставления межэлектродных зазоров, устранение необходимости использования сложного и дорогого оборудования, требующего ко всему прочему специальных помещений с контролируе- мой и регулируемой окружающей средой, позволяет существенно повысить технологичность заявляемого решения, по сравнению с прототипом. Снижение трудозатрат . на изготовление предлагаемых датчиков позволяет их широкое использование в различных отраслях народного хозяйства, особенно там, где в силу некоторых причин нежелательно или невозможно применение сравнительно дорогих датчиков. Кроме того, преимуществом изобретения является расширение области применения, т.к. конструкция в отличие от прототипа позволяет сравнительно просто осуществлять измерение избыточных и относительных давлений. Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

1.Емкостный датчик давления, содержащий размещенные в корпусе упругий чувствительный элемент, подвижный и неподвижный электроды измерительного конденсатора и электроды опорного конденсатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, повышения технологичности и расширения области применения,в нем упругий чувствительный элемент и подвижный электрод измерительного конденсатора выполнены в виде токо- проводящей первой сферической оболочки, сопряженной с первым цилиндрическим участком с осевым отверстием, неподвижный электрод измерительного конденсатора и первый электрод опорного конденсатора выполнены в виде токопрово- дящей второй сферической оболочки большего диаметра, чем первая, сопряженной с вторым цилиндрическим участком с осевым отверстием, а второй электрод опорного конденсатора выполнен в виде токопрово- дящей третьей сферической оболочки большего диаметра, чем вторая, сопряженной с третьим цилиндрическим участком с осевым отверстием, при этом сферические оболочки размещены коаксиально и скреплены между собой по соответствующим цилиндрическим участкам через введенные диэлектрические кольца, а наружный диаметр первой оболочки равен внутреннему диаметру третьего цилиндрического участка третьей оболочки, который через дополнительное диэлектрическое кольцо прикреплен к корпусу.

2.Способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании токопроводящих электродов и жестком закреплении их относительно друг друга, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, токопроводя- щие электроды формируют в виде двух сферических оболочек разного диаметра, сопряженных с цилиндрическими участками с осевыми отверстиями, помещают сферическую оболочку меньшего диаметра внутрь сферической оболочки большего диаметра, устанавливают на цилиндрические участки диэлектрические кольца с упругими

диэлектрическими прокладками, заполняют пространство между сферическими оболочками легкоплавким токопроводя- щим материалом, нагревают оболочки до температуры плавления легкоплавкого материала, подвергают одновременному воздействию давлением внутреннюю и наружную сферические оболочки, охлаждают оболочки до нормальной температуры и прекращают действие давления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в различных средах, Цель: уменьшение габаритов, повышение технологичности и расширение области применения. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления упругий чувствительный элемент и подвижный электрод измерительного конденсатора выполнены в виде то ко про водя щей первой сферической оболочки 2, неподвижный электрод измерительного конденсатора и первый электрод опорного конденсатора выполнены в виде токопроводящей второй сферической оболочки 7 большего диаметра, чем первая, а второй электрод опорного конденсатора выполнен в виде токопроводящей третьей 8 сферической оболочки большого диаметра, чем вторая, при этом сферические оболочки размещены коаксиально и скреплены между собой по соответствующим цилиндрическим участкам 9, 10, 11 через диэлектрические кольца 12. При изготовлении датчика давления токопроводящие электроды формируют в виде двух сферических оболочек 2 и 7 разного диаметра, сопряженных с цилиндрическими участками 9 и 10, помещают сферическую оболочку 2 меньшего диаметра внутрь сферической оболочки 1 большего диаметра, устанавливают на цилиндрические участки диэлектрические кольца с упругими диэлектрическими прокладками, заполняют пространство между сферическими оболочками легкоплавким материалом, нагревают оболочки до температуры плавления легкоплавкого материала, подвергают одновременному воздействию давлением внутреннюю и наружную сферические оболочки, охлаждают оболочки до нормальной температуры и прекращают действие давления. 2 с.п, ф-лы, 3 ил. сл С vi V4 СЛ О hO vl

/Л

/4

фиг. 2

И // 10 13 16

/ // /

// Я 16 У, ./ I /

фс/г.З