Емкостный датчик давления и устройство формирования его выходного сигнала Советский патент 1993 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 чуствительныи 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 элект- род, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода об|11зуют: эталонный емкостный дат- чи| ч ;Ш- ;;:-: /:.- , ..; ; :...:

Недрдлткр м известного датчика являются 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 необходй- прймёне ния сложных технологических процессов фбрмирования планарных электродов.;.; .. ./«,;,. .. .:: : ..;.;....

Существенным недостатком известной конструкции является также сравнительно небльшая чувствительность, связанная со сравнительно небольш им изменением .ем- кости электрода от измеряемой величины в силу небольшой площади электродов.

Известно устройство формирования вы- ходного сигнала датчика давления, содержащее задающий генератор, усилитель, к выходу и в цепь обратной связи которого подключены 1 электроды измерительного и эталонного конденсаторов., ,

Недостатком известного устройства яв- ляется небольшая чувствительность, свя- занная с Тем, что устройство формирует сигнал, зависящий от отношения нёизмен- ного 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, мембраны с жёстким 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, выставление межэлектродного зазора и т.п. Для выполнения этих операций необходимо сложное и дорогое технологическое оборудование, которое требует специальных технологических помещений с контролируемой и регулируемой окружающей средой (микроклиматом). Все этб не позволяет производить ёмкостные датчики с приемлемой для многих Отраслей народного, хозяйства стоимостью.

Недостатком известного емкостного датчика давления является неудовлетворительная чувствительность, связанная с не-. большим изменением емкости .электродов от измеряемого давления в силу небольшой площади электродов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству формирования выходного сигнала емкостного датчика давления является устройство, содержащее опорный генератор, усилитель к выходу и в цепь обратной связи которого подключены электроды двух пар электродов. ;;v-:v; .; . ,. -у;; ,. ; .; , . ..

. Недостатком известного устройства является сравнительно небольшая чувствительность, связанная с тем, что усилитель, формирует сигнал, зависящий только от отношения емкостей двух пар электродов.

Изобретение направлено на уменьшение габаритных размеров, повышение технологичности л чувствительное ™. .

Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем корпус, мембрану с опорным основанием, диск и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, он снабжен двумя диэлектрическими втулками и металлической втулкой, выполненной за одно целое с диском, жестко соединенным с центром мембраны, два электрода из разных пар и дополнительно введенный электрод выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на опорном основании концентрично металлической втулке, а два других электрода выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне диэлектрической втулки, закрепленной на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки, причем размеры элементов конструкции датчика связаны

соотношениями: Н1 М + S; На М; Нз М + S; H4 M + S; Н5 М, где Hi, Й2 - ширина электродов, расположенных на первой диэлектрической втулке;

Нз, ширина электродов, расположенных на второй диэлектрической втулке;

Hs - ширина дополнительного электрода;. ...:.;;...

М-максимальная величина перемещения металлической втулки под действием измеряемого давления; .,

S - расстояние между электродами, расположёнными на одной цилиндрической втулке.. .

Кроме того, согласно изобретению в устройстве формирования выходного сигнала емкостного, датчика давления, содержащем опорный генератор и усилитель, в цепь, обратной связи которого, подключены электроды пары электродов, последовательно с усилителем введен дополнительный усилитель, в цепь обратной связи которого вклю- . чена первая пара электродов, причем к входу дополнительного усилителя подключен электрод первой пары, расположенный на первой диэлектрической втулке, а к входу усилителя подключен электрод второй пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке и к выходу усилителя - электрод второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке, а дополнительный электрод подключен к выходу опорного генератора.

Выполнение элёктродо.в в виде цилиндрических колец, расположение их на диэлектрических втулках, закрепление/одной из диэлектрических втулок на внешней цилиндрической поверхности металлической втулки позволяет уменьшить габаритные размеры и повысить технологичность, так как цилиндрй 1еская поверхность обеспечивает сочетание максимального значения площади электродов при заданных поперечных линейных размерах с простотой и совершенством обработки Увеличение площади электродов, расположенных на цилиндрической поверхности, по сравнению с площадью электродов, расположенных на плоскости, объ-ясняется существенным повышением площади цилиндрической поверхности по сравнению с площадью плоской фигуры одинакового диаметра.

.Предлагаемое пространственное расположение электродов позволяет повысить чувствительность, так как по сравнению с прототипом дополнительно используется изменение емкости конденсаторов Cs-e и Се-9, в результате чего выходной сигнал при одном и том же приращении измеряемого давления изменяется на большую величину.

и

0

Для обоснования заявляемых решений обратимся к фиг.б. В начальном состоянии, когда величина измеряемого давления равна нулю, значения емкостей конденсаторов равны (см. фиг.ба). .

2-дге Ј0(Нз -5) R1 .

... .. где Ј Јо относительная и абсолютная диэлектрические проницаемости; .

.Кг, R -радиусы электродов. .. О

С5-6

(D

„ - : 2яЈЈо

С5-в - р .;: ...;rv... ... Ki

0

Ra

С 6 - 9 2 п е е,0 б

(2)

Rr

R2

0

С 7 - 8

2 леёо На

Ж

.Д R2

25

30

35

Подставляя значени я емкостей в выражение для выходного сигнала, получим,что выходной сигнал в этом случае равен нулю.

При воздействии максимального йзме- ряёйЬго дайл ей йя (см. фиг.бб)

- -2 ЛЕ Ј0 б:

.. . с.5-6 --RT

In

R 2

С 5 -8

2 7rse0(Hi -S )

1 ---------Чг-----:--t

in

Rj Rz

(3)

H5 2S

„ .2ЛГЈЈо(Нз+S 4-H4 Hi С 7-8 ---- -- -------pj--

. --:.- ,:: ;-.

2 JTЈeo ( Нз Й4 - Hi - Hg - S)

Ri: Ln

R2

Непосредственно из фиг.66 следует, что Hs М. Это связано с тем, что если Hs будет

больше М, то неполностью будут использованы возможности изменения емкости конденсатора Сб-э вследствие неполной ее модуляции измеряемым давлением. Если же Нs будет меньше М, то при определенном значении измеряемого давления происходит потеря монотонности изменения выходного сигнала от измеряемого давления, связанная с тем, что перемещение электрода 9 вследствие его недостаточной

ширины при определенной величине измеряемого давления не будет сопровождаться увеличением емкости Сб-9, что и приводит к отсутствию модуляции изменения ёмкости Се-9 от измеряемого давления). Из анализа фиг.бб можно записать Нз Hs + S. В случае,

если Нз будет больше суммы HG + S, то неоправданно уменьшится модуляция емкости Cs-б измеряемым давлением, так как изменение будет оканчиваться не с нулевым, а с каким-то большим нуля значением, что приведет илм к увеличению размеров, или к уменьшению чувствительности. Если же величина Нз будет меньше суммы Hg + S, то появится немотонность модуляции емкости Cs-б вследствие того, что после определенного значения измеряемого давления значение емкости Се-е не будет зависеть от измеряемого давления. Учитывая, что Hs - М, можно записать Нз М + S. Для обеспечения максимального изменения выходного сигнала, т.е. для обеспечения максимальной чувствительности, необходимо, в частности, чтобы было максимально изменение знаменателя в выражении выходного сигнала, т.е. произведения Сб-б Ст-з. Известно, что произведение двух величин максимально в случае их равенства. Приравнивая значения емкостей Cs-б и Су-а и проведя необходимые преобразования, получим На Нз - S, или, учитывая, что Нз М + S, На М; Из анализа фиг.6 видно, что в силу соображений, высказанных по поводу величины Нз и непосредственно из фиг.ба, следует, что Н На + S или, учитывая, что На М, Н .М + +S. Для обеспечения максимальной чувствительности необходимо, чтобы емкость конденсатора при воздействии максимального измеряемого давления была бы равна нулю. Поэтому, приравнивая к нулю выражение для емкости . получим:

2лгЈЈ0(Нз + Н4 -Hi -Hs -S) n

, RJL ln R2

или

. H3 + H4-Hi-H5-S -0. откуда

+ H4-Hs-S

Подставляя вместо Нз, Нз, Нз их значения, получим

Hi-M + S + M + S-M- -S.-M+.S. Величина расстояния S между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке, выбрана одинаковой для обеих втулок в связи с тем, что она определяется технологическими возможностями и не зависит от местонахождения электродов на той или иной втулке. Для обеспечения минимальности габаритных размеров необходимо, чтобы длина металлической втулки была равна (см. фиг.Т).

LB Hi + S + На. Подставляя Hi М + S, На М, получим LB 2(М + S). Если LB будет, больше 2(М + S), то неоправданно увеличат

ся габаритные размеры, а если меньше, то невозможно будет незамещение электродов на втулке.

На фиг.1 изображен предлагаемый ем5 костный датчик давления. На фиг,2, 3 - развертки электродов на . гибкой диэлектрической основе. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщина электродов и размерами других

10 элементов конструкции для наглядности изменены. На фиг.4, 5 изображена структурная электрическая и эквивалентная схемы предлагаемого устройства формирования выходного сигнала емкостного датчика дав15 ления. На фиг.б рассчитана модель определения соо. ношения размера электродов.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с опорным основанием 3, диск 4, преобразователь деформаций

20 в виде двух пар противолежащих электро. дов 5, 6 и 7, 8, два электрода 5 и 7 из равных

пар и дополнительно введенный электрод 9

в виде цилиндрических колец, располрженныхна внешней стороне первой цилиндри25 ческой диэлектрической втулки 10, жестко закрепленной на опорном основании, кон- центрично металлической втулке 11, выполненной за одно целое с центром 12 диска 4, жестко соединенном при помощи штока 13

30 с центром мембраны. Два других электрода 6 и 8 выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй цилиндрической диэлектрической втулки 14, закрепленной на внешней цилин35 дрической поверхности металлической втулки 11, Размеры элементов ко-нструкции выполнены в соответствии с заявляемыми соотношениями. При максимальной величине перемещения металлической втулки под

40 действием измеряемого давления, равной 400 мкм и расстоянии между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке S 100 мкм. Hi 500 мкм, На 400 мкм, Нз Н4 500 мкм, Hs 500 мкм. Корпус

45 выполнен из сплава 29НК-ВИ, мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ. Опорное основание, шток и металлическая втулка выполнены из сплава 29НК-ВИ. Для создания электродов и диэлектрических втулок

50 используется фольгированная полимидная пленка толщиной 20 мкм с толщиной фольги 10 мкм.

Изготовление датчика проводят следующим образом. Изготавливают гофриро55 ванную мембрану с опорным основанием. Изготовление проводят известными методами механической обработки. На фольги- рованной полимидной 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 В..Полимеризуют соединение при темпе1 ратуре -М60°С в течение 2 ч. 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. При этом целесообразно проводить намотку нескольких витков диэлектрической основы, а пер- вый и последующие витки и место соприкосновения с опорным основанием покрывают клеем ВС-350. Проводят тюл- имеризацию клея при температуре + 160°С в течение 2 ч. Присоединяют выводные до- рожки 15 при помощи сварки или пайки к гермоконтактам 16..

Электрическая схема устройства фор- ; мирования выходного сигнала емкостного датчика давления изображена на фиг.4, а его эквивалентная схема - на фиг.5. Оно содержит опорный генератор 17, дополнительный операционный усилитель 18 типа 1407УД2 и операционный усилитель 19 типа 1407УД2. Выход генератора соединён с электродом 9, В цепь обратной связи дополнительного усилителя 18 включена первая пара электродов, причем к выходу дополнительного усилителя подключён электрод 6 первой пары электродов, расположенный на.второй диэлектрической втулке, а к выходу дополнительного усилителя - электрод 5 первой пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке. К выходу усилителя 19 подключен электрод 8 второй пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке, а к выходу усилителя .- электрод 7 второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. В начальном состоя- нии при измеряемом давлении, равном дав- лению внутренней полости датчика, емкость конденсаторов, образованных электродами 5 и 6 и электродами 7 и 8, максимальна, а емкость конденсатора, образованного электродами 5 и 8 и электродом 6 и 9, минимальна. Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчи- жа центр мембраны прогибается. Прогиб центра мембраны при помощи штока передается металлической втулкой.В результате этого металлическая втулка, а, следовательно, и жестко закрепленная на ней вторая

диэлектрическая втулка с электродами 6 и 8 сместится относительно первой диэлектрической втулки с электродами 5, 7 и 9. Вследствие относительного смещения электродов емкость конденсаторов, образованных электродами 5 и 6 и электродами 7 и 8, уменьшается, а ёмкость конденсаторов, образованных электродами 5 и 8 и электродами 6 и9, увеличивается. При воздействии максимального (лзмеряемого давления электроды раШблбжатся таким образом, что ёмкости конденсаторов , образованных электродами 5 и 6 и электродами 7 и 8, будут мййима ьньХ а ёмкость конденсаторов, об- разован ньГх электродами 5 и 8 и 6 и 9, будет максимальна (см. фиг.6). Таким образом, из- мёр яя емкЬ сти конденсаторов, образованных электродами 5 и 6, 7 и 8, 5 и 8, 6, и 9, можно однозначно судить о величине измеряемого давления . : - ; - у : л ..:. .-.. Устройство формирования работает следующим образом. Задающий генератор формирует синусоидальное напряжение частотой 200 кГц, которое через конденсатор, образованный электродами 6 и 9, поступает на дополнительный усилитель (см. фиг,4, 5), н:а выходе которого появляется сигнал амплитудой : . ... .-..:.-.: . .. :. v ;;. . . . :..-.

-ц - С б-9: . :

U вх - ----(Ь)

.; .;. С 5,- 6. Л-

где Сб-9 - ёмкость конденсатора, образованного электродами 6 и 9. Сигнал с усилителя 18 Подается чёр ёз конденсатор, образованный электродами 5 и 8, на усилитель. 19, на выходе которого образуется сигнал амплитудой .

U вх -

С 6- 9 С 5- 8 С5-б

(6)

где обозначение Сб-е. Cs-б, Су-в аналогично обозначению Се-э. v;... .

В начальном состоянии при измеряв: мом давлении, равном давлению во внутренней полости датчика, в связи с тем, чтб емкость конденсаторов Cs-6, максимальна, а емкость Cs-a Се-э минимальна и фактически равна паразитной емкости между электродами 5 и 8, 6-9, выходной сигнал с усилителя 19 будет минимальным и фактически равен нулю (в соответствии с выражениями, приведенными выше). По мере возрастания величины измеряемого давления и связанного с ним увеличения емкости конденсаторов Cs-8, Се-9 и уменьшения емкостей конденсаторов Сз-6 и выходной сигнал будет монотонно возрастать (в соответствии с выражением для выходного сигнала, приведенные выше). При воздействии

максимального измеряемого давления, когда значение емкости конденсаторов Cs-a и Сб-9 достигнет максимальной величины, а значение емкостей конденсаторов Cs-б и будет минимально (причем емкость конденсатора Cs-б будет практически равна нулю) выходной сигнал устройства формирования достигает максимальной величины (теоретически он равен бесконечности, а практически ограничивается максимально допустимым сигналом последнего каскада операционного усилителя).

Таким образом, при изменении измеряемого давления от нуля до максимально допустимого значения выходной сигнал устройства формирования монотонно меняется от нуля до максимально допустимого выходного значения.s :.

Таким образом, преимуществом заявляемого решения является уменьшение габаритных размеров за счет увеличения площади электродов вследствие их непла- нарного размещения. Кроме того, заявляемое решение позволяет существенно увеличить значение, изменения емкостей электродов, а следовательно, чувствительности вследствие повышения диэлектрической проницаемости межэлектродного зазора за счет применения материалов с . диэлектрической проницаемостью, превышающей диэлектрическую проницаемость

вакуума или воздуха, которые в прототипе используются в качестве межэлектродной среды. Уменьшение габаритов и повышение чувствительности в заявляемой конструкции происходит также за счёт использования модуляции от измеряемого давления двух дополнительных конденсаторов, характер изменения емкости от измеряемого, давления совпадает с изменением емкости УМИНАЮЩИХСЯ конденсаторов, а также за. счет выполнения размеров конструкции в сб Ьтвётствии с заявляемымй С ботнОшёниями. .

Уменьшение габаритов и повышение чувствительности в заявляемых решениях достигается также за счет формирования выходного сйгнал а В: виде частного, в числителе которого произведение емкостей, увеличивающихся с воздействием давления, а в знаменателе - произведение емкостей, убывающих с увеличением давления. Иск- лТбЧенйё ҐруДн Гуг1 равляе м Ш технологических процессов подготовки поверхностей, напыления диэлектрических и электродных слоев, выставление межэлектродных зазоров, устранение необходимости использования сложного и Дорогостоящего оборудования, требующего специальных помещений, позволяет повысить технологичность заявляемого решения, Снижение трудозатрат на изготовление датчиков позволяет их широкое использование в различных отраслях народного хозяйства, особенно там, где нежелательно или невозможно применение сравнительно дорогих датчиков.

Формула изобретения

1. Емкостный датчик давления, содер0 жащий корпус, мембрану с опорным основанием, диск и преобразователь деформаций , в виде двух пар противолежащих электродов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, повышения техно5 логичности и чувствительности, он снабжен двумя диэлектрическими втулками и металлической втулкой, выполненной за одно целое с диском, жестко соединенным с центром мембраны, два электрода из раз0 ных ria p и дополнительно введенный электрод выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на опорном основании концен5 трично металлической втулке, а два других электрода выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки, закрепленной на внешней цилиндрической

0 поверхности металлической втулки, причем

размеры элементов конструкции датчика

. связаны соотношениями Hi М + S; H2 -М;

Нз М + S; Н4 М + S; Hs М, где Hi и Н2 ширина электродов, расположенных на пер5 вой диэлектрической втулке; Нз и Н 4 - ширина электродов, расположенных на второй диэлектрической втулке; Hs - ширина дополнительного электрода; М - максималь- ная величина перемещения металлической

0 втулки под действием измеряемого давления; расстояние между электродами, расположенными на одной цилиндрической втулке.

2. Устройство формирования выходного 5 сигнала емкостного датчика давления, содержащее опорный генератор и усилитель, в цепь обратной связи которого подключены электроды пары электродов.отл и ч а ю- щ ее с я тем, что, с целью уменьшения 0 габаритов и повышения чувствительности, последовательно с усилителем введен дополнительный усилитель, в цепь обратной связи которого включена первая пара электродов, причем к входу дополнительного 5 усилителя подключен электрод первой пары, расположенный на второй диэлектрической втулке, и к выходу дополнительного усилителя - электрод первой пары, расположенный на первой диэлектрической втулке, а к входу усилителя подключен электрод

второй пары электродов, расположенный надов, расположенный на первой дизлектри второй диэлектрической втулке и к выходуческой втулке, а дополнительный электрод

усилителя - электрод второй пары электро-подключен к выходу опорного генератора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях. Цель: уменьшение габаритных размеров, повышение технологичности и чувствительности емкостного датчика. Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит две диэлектрические втулки 10 и 14 и металлическую втулку 11, выполненную за одно целое с диском 4, жестко соединенным с центром мембраны 2, два электрода 5 и 7 из разных пар и дополнительно введенный электрод 9 выполнены в виде цилиндриче2 ских колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки 10, жестко закрепленной на опорном основании концентрично металлической втулке 11, а два других электрода 6 и 8 выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки 14, за креплён ной на внешней цйл ин- дрической поверхности металлической втулки 11. Устройство формирования выходного си г н ал а ем кбст н of о датчйШ д а ел ёнМя содержит включенный последовательно с усилителем дополнительный усилитель, в цепь обратной связи которого включена первая пара электро довТпр1Ме м к &хбду до - полнитёльного усилителяггГодТШчей Злект- род первой пары, расположенный на второй диэлектрической втулке, и к выходу дополнительного усилителя -электрод первой пары, р а с п 6 л о ж е н н ы и на п е р в о и диэлектрической втулке,а к входу усилителя подключен электрод второй пары электродов, расположенный на второй диэлектрической втулке, и к выходу усилителя - электрод второй пары электродов, расположенный на первой диэлектрической втулке. Дополнительный электрод подключен к выходу опорного генератора, 2 с.п. ф-лы, 6 ил. N| Ю VJ со XJ

/

&&г. г

/Г

-- f

2&г. 3

f

Vfr

jr 7

.4

6

f.

ч)

Vr Ј

Фю/$

//