Емкостный датчик давления, способ его изготовления и устройство формирования его выходного сигнала Советский патент 1993 года по МПК G01L9/12 

втулке 10, соединенной штоком 11с жестким центром 3 мембраны 2. Даны соотношения размёрОв элементов конструкций, В способе изготовления емкостного датчика давления, заключающемся в изготовлении мембраны 2 с жестким центром 3, формировании двух пар 5, 6 и 7, 8 электродов и закреплении их с зазором друг относительно Д|5уга, формируют электроды на двух гибких диэлектрических основах, закрепляют вторую осШву на металлической втулке 10, соединит штоком 11 втулку 10

с жестким центром 3 мембраны 2, наматывают первую основу на вторую основу и закрепляют первую основу на опорном основании 4. В устройстве формирования выходного сигнала датчика, содержащем задающий генератор 15, усилитель 17, к входу и в цепь обратной связи которого подключены электроды, последовательно с усилителем 17 введен дополнительный усилитель 16, в цепь обратной связи которого включена вторая пара электродов. 3 с.п. ф- лы, 6 ил,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях. Цель изобретения: уменьшение габаритов, повышение чувствительности емкостного датчика давления и технологичности способа его изготовления, а также повышение помехоустойчивости и чувствительности устройства формирования выходного сигнала датчика. Сущность изобретения: наряду с корпусом 1, мембраной 2 с жестким центром 3 и опорным основанием 4 и преобразователем деформаций в виде двух пар противолежащих электродов 5, 6 и 7, 8 емкостный датчик давления содержит две диэлектрические втулки 9 и 12, металлическую втулку 10 и шток 11, два электрода 5 и 7 из разных пар выполнены в виде цилиндрических колец на внешней стороне втулки 9, закрепленной на опорном основании 4, а два других электрода 6 и 8 выполнены в виде цилиндрических колец на внешней стороне втулки 12, закрепленной на металлической

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 слож- ных 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. Недостатком известного способе являютсясравнительно большие габаритные размеры, особенно в напр авлении, перпендикулярном продольной оси датчика, связанные с необходимостью плоского расположения электродов. Технологичность известного способа также сравнительно невысокая вследствие необходимости применения сложных технологи- ческих процессов формирования пленарных электродов.

Известно устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, содержащее задающий генератор, усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены электроды измерительного и эталонного конденсаторов. Недостатком известного устройства является

небольшая чувствительность, связанная с тем, что устройство формирует сигнал, зависящий от отношения неизменного значения эталонного конденсатора и зависящего от измеряемого давления значения измерительного конденсатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким центром и цилиндрическим периферийным основанием, диск, закрепленный с зазором на мембране при помощи прокладки, и емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, первая из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая - на консольной части мембраны и на периферии диска. Недостатком известной конструкции являются 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 межэлектродного зазора и т.п. Для выполнения этих операций необходимо сложное и дорогое технологическое оборудование, которое требует специальных технологических помещений с контролируемой и регистрируемой окружающей средой (микроклиматом). Все это не позволяет производить емкостные датчики с приемлемой для многих отраслей народного хозяйства стоимостью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления является способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании электродов на мембране и диске, закреплении диска на мембране при помощи прокладки. Недостатком известного способа является невозможность изготовления емкостных датчиков давления с необходимыми габаритными размерами и требуемой технологичностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству формирования выходного сигнала емкостного датчика давления является устройство, содержащее опорный генератор, усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены электроды двух пар электродов. Недостатком известного устройства является сравнительно небольшая чувствительность, связанная с тем, что усилитель формирует сигнал, зависящий только от отношения емкостей двух пар электродов.

Цель изобретения - уменьшение габаритных размеров, повышение технологичности и чувствительности.

Для этого емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким центром и опорным основанием и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, он снабжен двумя диэлектрическими втулками, металлической втулкой и штоком, два электрода из разных пар выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на опорном основании, концентрично металлической втулке, жестко соединенной при помощи штока с жестким центром мембраны, а два других электрода выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки, закрепленной на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки, причем размеры элементов конструкции связаны соотношениями:

Hi M + S,- (1) На М. (2) , (3) Н4 М + S, (4) LB 2(M + S), (5) где Ж, Н2 - ширина электродов, расположенных на первой диэлектрической втулке; Нз, Щ - ширина электродов, расположенных на второй диэлектрической втулке; М - максимальная величина перемещения штока под действием измеряемого давления;

S - расстояние между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке;

LB -длина металлической втулки. Кроме того, согласно изобретению в способе изготовления емкостного датчика давления, заключающемся в изготовлении мембраны с жестким центром, формировании двух пар электродов и закреплении их с зазором относительно друг друга.,формиру- ют электроды на двух гибких диэлектрических основах, закрепляют вторую диэлектрическую основу на металлической втулке, соединенной штоком с жестким центром мембраны, наматывают первую диэлектрическую основу на вторую диэлектрическую основу и закрепляют пер- вую диэлектрическую основу на опорном основании.

Кроме того, согласно изобретению в устройстве формирования выходного сигнала

емкостного датчика давления,содержащем задающий генератор, усилитель, в цепь обратной связи которого подключены электроды пары электродов, последовательно с усилителем введен дополнительный усилитель, в цепь обратной связи которого включена вторая пара электродов, причем ко входу дополнительного усилителя подключен электрод второй пары, расположенный на первой диэлектрической втулке, и к выходу дополнительного усилителя - электрод второй пары, расположенный на второй диэлектрической втулке, а ко входу усилителя подключен электрод первой пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке, и к выходу усилителя - электрод первой пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке, а выход опорного генератора через опорную емкость связан со входом дополнительного усилителя.

Предлагаемое пространственное расположение электродов позволяет повысить чувствительность, так как, по сравнению с прототипом, дополнительно используется изменение емкости конденсатора С5-6, в результате чего выходной сигнал при одном и том же приращении измеряемого давления изменяется на большую величину. Для обоснования заявляемых решений обратимся к фиг.6. В начальном состоянии, когда величина измеряемого давления равна нулю, значения емкостей конденсаторов в соответствии с (В.Е.Кузьмичев Законы и формулы физики. Киев. Наукова думка. 1989 г. с. 259) равны (см. фиг.ба) 2лее0 Нз

Cs-Сб

И

(6)

е.Јо - относительная и абсолютная диэрические проницаемости; R.1, R2 - радиусы электродов. 2 п s Ј0 О

Cs-C8

Cv-Cs

In

Ri

О,

R2 2 JtSSp H2

г

(7,8)

Подставляя значения емкостей в выражение для выходного сигнала, получим, что выходной сигнал в этом случае равен нулю. При воздействии максимального измеряемого давления (см. фиг.66)

2ЛЈЕ0 О

Cs-Ce

о,

(9)

(Ю)

(11)

C5-C8 ЈЈ°(), |П1

р 2ЯЈЈ0(Н4 +S -Hi -S)

W --8PS

2лее0(Н4 -Hi)

In R1

lnRl

Непосредственно из фиг,66 следует, что Нз М. Это связано с тем, что если Нз будет больше М, то неполностью будут использованы возможности изменения емкости конденсатора Сб-Се, вследствие неполной ее модуляции измеряемым давлением. Если же Нз будет меньше М, то при определенном значении измеряемого давления происходит потеря монотонности изменения выходного сигнала от измеряемого давления, связанное с тем, что электрод 6 (вследствие его недостаточной ширины) при определейной величине измеряемого давления как бы заканчивается и напротив

электрода 5 будет только свободный промежуток между электродами 6 и 8, что и приведет к отсутствию модуляции изменения емкости от измеряемого давления. Из

5 анализа фиг.6 можно записать Hi Нз + S. В случае, если Hi будет больше суммы Нз + +S, то неоправданно уменьшится модуляция емкости измеряемым давлением, так как изменение будет начинаться не с

10 нулевого, а с какого-то большего значения, что приведет или к увеличению размеров, или уменьшению чувствительности. Если же величина Hi будет меньше суммы Нз + S, то появится немонотонность модуляции емко15 сти вследствие того, что до определенного значения измеряемого давления значение емкости не будет зависеть от измеряемого давления. Учитывая, что Нз М, можно записать Hi М + S. Для обеспе20 .чения максимального изменения выходного сигнала,т.е. для обеспечения максимальной чувствительности.необходимо,в частности, чтобы было максимальное изменение знаменателя в выражении выходного сигнала,

25 т.е. Cs-Ce . Известно, что произведение двух величин максимально в случае их равенства. Приравнивая значения емкостей и (выражения 6 и 8) и приведя необходимые преобразования, получим:

30

Н2 .(12)

Из анализа фиг.6 видно, что в силу соображений, высказанных по поводу величины HI

35 и непосредственно из фиг.ба следует, что Щ На + S или, учитывая, что Н2 М, Н4 М + S. Величина расстояния S между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке, выбрана одинако40 вой для обеих втулок в связи с тем, что она определяется технологическими возможностями и не зависит от местоположения электродов на той или иной втулке. Для обеспечения минимальности габаритных

45 размеров необходимо, чтобы длина металлической втулки была равна (см. фиг.1). LB Hi + S + Н2, подставляя HI М + S, H2 М, получим LB 2(М + S). Если в будет.больше 2(М + S), то неоправданно увеличатся габа50 ритные размеры, а если меньше, то невозможно будет размещение электродов на втулке.

На фиг.1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг.2, 3 - раз55 вертки электродов на гибкой диэлектрической основе (соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для нагляднос1 и из- менены); на фиг.4, 5 изображены структурная электрическая и эквивалентная схемы предлагаемого устройства формирования выходного сигнала емкостного датчика давления; на фиг.6 - расчетная модель определения соотношения размеров электродов.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с жестким центром 3 и опорным основанием 4, преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов 5, 6 и 7, 8. Два электрода 5 и 7 из разных пар выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой цилиндрической втулки

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают мембрану с жестким центром и опорным основанием. Изготовление проводят известными методами механической обработки. На фольги- рованной полиамидной пленке формируют методом фотолитографии электроды, как показано на фиг.2, 3. На цилиндрическую поверхность металлической втулки наносят слой клея ВС-350 и наматывают на нее вторую диэлектрическую основу с электродами 6 и 8. Полимеризуют соединение при температуре +160°С в течение 2 часов Покрывают поверхность электродов фторопластовым лаком ФП-525. Покрытие лаком позволяет уменьшить трение диэлектрических втулок при их взаимном перемещении и устраняет возможное прилипание при закреплении первой диэлектрической втулки. После про- сыхания лака наматывают первую диэлектрическую основу с электродами на вторую диэлектрическую основу с электродами.

При этом целесообразно проводить намотку нескольких витков диэлектрической основы, а первый и последующие витки и место соприкосновения с опорным основанием

покрывать клеем ВС-350. Проводят полимеризацию клея при температуре +160°С в течение 2 часов. Присоединяют выводные дорожки 13 при помощи сварки или пайки к гермоконтактам 14. Электрическая схема

0 устройства формирования выходного сигнала емкостного датчика давления изображена на фиг.4, а его эквивалентная схема на фиг.5. Оно содержит опорный генератор 15, дополнительный операционный усилитель

5 16 типа 1407УД12 и операционный усилитель 17 типа 1407УД12. Выход генератора соединен с усилителем 16 через высокостабильный серийно изготавливаемый конденсатор Со. В цепь обратной связи

0 дополнительного усилителя 16 включена вторая пара электродов, причем к входу дополнительного усилителя подключен электрод 7 второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической

5 втулке, а к выходу дополнительного усили- теля-электрод 8 второй пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке. К входу усилителя 17 подключен электрод 5 первой пары электродов, распо0 ложенных на первой диэлектрической втулке, а к выходу усилителя - электрод 6 первой пары электродов, расположенной на второй диэлектрической втулке.

Емкостный датчик давления работает

5 следующим образом.

В начальном состоянии, при измеряемом давлении, равном давлению внутренней полости датчика, емкость конденсаторов, образованных электродами

0 5 и 6 и электродами 7 и 8Г максимальна, а емкость кондёнсатора,образованного электродами 5 и 8. минимальна. Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика жесткий центр мембраны датчика

5 прогибается. Прогиб жесткого центра мембраны при помощи штока передается металлической втулке. В результате этого металлическая втулка, а следовательно, и жестко закрепленная на ней вторая диэлек0 трическая втулка с электродами 6 и 8 сместитсяотносительно первой диэлектрической втулки с электродами 5 и 7. Вследствие относительного смещения электродов емкость конденсаторов, образо5 ванных электродами 5 и 6 и электродами 7 и 8,уменьшается, а емкость конденсатора, образованного электродами 5 и 8,увеличивается, При воздействии максимального измеряемого давления , электроды расположатся таким образом, что емкость

конденсаторов,образованного электродами 5 и 6 и образованного электродами 7 и 87 будет минимальна, а емкость конденсатора, образованного электродами 5 и З.будет максимальна (см. фиг.6). Таким образом, измеряя емкости конденсаторов, образованных электродами 5 и б, 7 и 8, 5-и З.можно однозначно судить о величине измеряемого давления.

Устройство формирования работает следующим образом.

Задающий генератор формирует синусоидальное напряжение частотой 200 кГц, которое через конденсатор постоянной емкости поступает на дополнительный усилитель 16 (см. фиг.4, 5), на выходе которого

Р

появляется сигнал амплитудой UBX г °г ,

где - емкость конденсатора,образованного электродами 7 и 8. Сигнал с усилителя 16 подается через конденсатор, образованный электродами 5 и 8,на усилитель 17, на выходе которого образуется сигнал амплитудой

Со СБ Cs

UflblX - UBX

(13)

С Cs Cs Се где обозначение Cs-Cs, Cs-Ce аналогично обозначению .

В начальном состоянии, при измеряемом давлении,равном давлению во внутренней полости датчика, в связи с тем, что емкость конденсаторов Ce-Cs, Су-Са максимальна, а емкость Cs-Cs минимальная и фактически равна паразитной емкости между электродами 5 и 8, выходной сигнал с усилителя 17 будет минимальным и фактически равен нулю (в соответствии с выражениями, приведенными выше). По мере возрастания величины измеряемого давления и связанного с ним увеличения емкости конденсатора Cs-Cs и уменьшения емкостей конденсаторов Cs-Ce и Cy-Cs выходной сигнал будет монотонно возрастать (в соответствии с выражениями для выходного сигнала,приведенными выше). При воздействии максимального измеряемого давления, когда значение емкости конденсатора достигает максимальной величины, а значения емкостей конденсаторов Cs-Ce и будут минимальны (причем емкость конденсатора Cs-Ce будет практически равна нулю),выходной сигнал устройства формирования достигает максимальной величины (теоретически он равен бесконечности, а практически ограничивается максимально допустимым выходным сигналом последнего каскада операционного усилителя). Таким образом, при изменении измеряемого давления от нуля до максимально допустимого значения выходной сигнал-ус-..

тройства формирования монотонно меняется от нуля до максимально допустимого выходного значения. При изменении температуры размеры штока изменятся

5 вследствие его термического расширения. Но вследствие выполнения цилиндрической металлической втулки из материала, аналогичного материалу штока,и вследствие чашеобразного выполнения формы

10 металлической втулки взаимное смещение электродов от температуры в значительной степени минимизировано. Выполнение электродов в виде цилиндрических колец, расположение их на диэлектрических втул15 ках, закрепление одной из диэлектрических втулок на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки позволяет уменьшить габаритные размеры и повысить технологичность, так как цилиндрическая

20 поверхность обеспечивает сочетание максимального значения площади электродов при заданных поперечных линейных размерах с простотой и совершенством обработки. Увеличение площади электродов,

25 расположенных на цилиндрической поверхности, по сравнению с площадью электродов, расположенных на плоскости, объясняется существенным превышением площади цилиндрической поверхности, по

30 сравнению с площадью плоской фигуры одинакового диаметра. Кроме того, заявляемое решение позволяет существенно увеличить значение изменения емкостей электродов, а следовательно,чувствитель35 ности вследствие повышения диэлектрической проницаемости межэлектродного зазора, за счет применения материалов с диэлектрической проницаемостью, превышающей диэлектрическую проницаемость

40 вакуума или воздуха, которые в прототипе используются в качестве межэлектродной среды. Уменьшение габаритов и повышение чувствительности в заявляемой конструкции происходит также за счет использова45 ния модуляции от измеряемого давления дополнительного конденсатора, характер измерения емкости от измеряемого давления совпадает с изменением емкости у одного из имеющихся конденсаторов, а также

50 за счет выполнения размеров элементов конструкции в соответствии с заявляемыми

соотношениями. Уменьшение габаритов и повышение чувствительности в заявляемых решениях достигается также за счет форми55 рования выходного сигнала в виде частного, в числителе которого-значение емкости .увеличивающейся с воздействием давления, а в знаменателе-произведение емкостей, убывающих с увеличением давления. Исключение трудноуправляемых технологических

процессов подготовки поверхностей, напыление диэлектрических и электродных слоев, выставление межэлектродных зазоров, устранение необходимости использования сложного и дорогого оборудования, требующего специальных помещений, позволяет повысить технологичность заявляемого решения.

Снижение трудозатрат на изготовление датчиков позволяет их широкое использоваФормула изобретения

Ж М + 5,

Нг М,

Нз М,

H4 M + S,

LB 2(М + S),

где Hi, N2 - ширина электродов, расположенных на первой диэлектрической втулке;

Нз, Н4 - ширина электродов, расположенных на второй диэлектрической втулке;

М - максимальная величина перемещения штока под действием измеряемого давления;

S - расстояние между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке;

LB - длина металлической втулки.

ние в различных отраслях народного хозяйства, особенно там, где нежелательно или невозможно применение сравнительно дорогих датчиков. Преимуществом заявляемого устройства формирования выходного сигнала является также повышение помехоустойчивости, вследствие увеличения отношения сигнал/шум, за счет использования модуляции измеряемым давлением большого количества емкостей.

. 3

&

&.

II -J

, 4

pue.S

S