Емкостный датчик давления Советский патент 1993 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 статико-динамических давлений жидких и газообразных сред.

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.

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

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенного на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной прокладками с упругим элементом по периферии в трех точках, а зазор между электродами выполнен с превышением максимального перемещения подвижного электрода на 10-20 %.

Недостатком известного емкостного датчика является малая чувствительность к давлению из-за большой цилиндрической жесткости мембраны, имеющей жесткий центр. Другими недостатками известного емкостного датчика являются малая помехоустойчивость и большое влияние паразитных емкостей на точность измерения из-за малых рабочих емкостей.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности к давлению, помехоустойчивости и точности. Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем корпус, упругий элемент в виде мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на. поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пласти0

не, соединенной с упругим элементом, мембрана выполнена без жесткого центра, поверхность пластины, на которой расположен неподвижный электрод измерительного конденсатора, удовлетворяет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением Рмакс, в 1,2- 1,5 раза превышающим номинальное давление датчика:

9

ft) ah ( 1 - -2 )2 ,

R

где а) прогиб мембраны под действием давления в точке, удаленной на расстояние г от центра мембраны,1

R - радиус мембраны;

WQ- прогиб в центре мембраны (г 0),

(Уо - ТсгРмакс

-з

Л V).

где ц - коэффициент Пуассона материала мембраны;

Е - модуль упругости материала мембраны;

h - толщина мембраны,

а электроды измерительного конденсатора имеют такую форму, что их площадь определяется из выражения

(у4г6

2RZ 6R4 На чертеже изображен датчик в разрезе. Соотношение между размерами межэлектродного зазора и толщинами диэлектрической пленки и электродов для

наглядности изменены. Емкостный датчик давления содержит упругий элемент 1 в виде мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны. Неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании. Зеркально-симметричные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно

расположены на пластине 8. Выводные проводники 9 соединены с контактными площадками электродов и контактами 10 расположенными в отверстиях корпуса 11. Упругий элемент и пластина выполнены из

сплава 70НХБМЮ. Для электрической изоляции электродов используется пленки 12 из AteCb-SiOa-SiO толщиной 3 мкм. Электроды и контактные площадки выполнены из пленки Mo-Ni толщиной 1,5 мкм. Выводные

проводники выполнены из ленты 0,05-1- 79НМ. Корпус и контакты выполнены из сплава 29НК. Контакты впаиваются в корпус глазурью СК-7. Зазор между электродами равен 50 мкм. Диаметр мембраны равен 8 мм.

, Емкостный датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану с внешней стороны. Под воздействием измеряемого давления подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на мембране, перемещается/в направлении к неподвижному электроду измерительного конденсатора, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления. Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов передаются на выводные проводники и далее на нормирующее устройство (на чертеже не показано), кото- pde формирует выходной сигнал, зависящий от отношения емкости опорного конденсатора к емкости измерительного конденсатора. Таким образом, выходной си|гнал зависит от измеряемого давления.

В предлагаемом емкостном датчике давления отсутствует жесткий центр на мембране. Это дает возможность увеличить чуиствительность к измеряемому давлению увеличения прогиба мембраны. Перемещение центра мембраны без жесткого центра больше в 4 раза по сравнению с перемещением центра мембраны с жестким центром.

В предлагаемом емкостном датчике давления размер подвижного электрода измерительного конденсатора ограничивается только размерами мембраны, в то время как у известных датчиков размер подвижного электрода измерительного конденсатора ограничивается жестким центром. Это позволяет увеличить Площадь электродов, а значит, и величину начальной емкости измерительного конденсатора не менее чем на 30%. Увеличение начальной емкости измерительного конденсатора гшзвЪлйт увеличить помехоустойчивость и уменьшить влияние паразитных ёмкостей на точность измерения. ;

Таким образом, преймуществамм заявляемой конструкции ёмкостного датчика давления являются увеличение чувствительности к давлению в 4 раза, увеличение помехоустойчивости на 30% и уменьшение влияния паразитных емкостей на точность измерения на 30%.

мкостный датчик давления относится к изм рительной технике и может быть использован в различных областях науки и яки для измерения давления жидких и бразныхсред. Целы повышение чувсттехн газо вите ьности, помехоустойчивости и точно- измерений. Сущность изобретения: :тный датчик давления содержит корсти емко пус 1, упругий элемент 1 в виде мембраны 2, вь полненной за одно целое с опорным осно займем 3, подвижный электрод 4 измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод 5 эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании 3, неподвижные электроды 6 и 7 измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине 8. Отличительной особенностью датчика является то, что в нем мембрана 2 выполнена без жесткого центра, а поверхность пластины 8, на которой расположен неподвижный электрод 6 измерительного конденсатора, удовлетворяет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением, в 1,2-1,5 раза превышающим номинальное давление датчика. Даются математические выражения для формы электродов 4, 6 измерительного конденсатора, удовлетворение которых позволяет минимизировать нелинейность функции преобразования датчика. Положительный эффект: повышение чувствительности в 4 раза, уменьшение влияние паразитных емкостей на точность измерения на 30%. 1 ил. (Л С

Ф о р м у л а и з о б р е т ё н и я Емкостный датчик давления, содержа- щй;й корпус, упругий элемент в виде мемб- ра|ны, выполненной за одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной с упругим элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, помехоустойчивости и точности измерений, мем- брсжа выполнена без жесткого центра, поверхность пластины, на которой располо- же неподвижный электрод измерительного конденсатора, удовлетворяет уравнению поперхности упругой плоской мембраны, деоормированной давлением Рмакс, в 1,2- 1,5 раза превышающим номинальное давление датчика:

(1-4)3,

R

где о) - прогиб мембраны под действием давления в точке, удаленной на расстояние г от центра мембраны;

R - радиус мембраны; (Оо- прогиб в центре мембраны (г 0).

°ь - Рмакс R4E 1 h 3 - ( 1 -}2- ) ;

р - коэффициент Пуассона материала мембраны;

Е - модуль упругости материала мембраны;

h - толщина мембраны,

а электроды измерительного конденсатора имеют форму, удовлетворяющую зависимости их площади S, заключенной в круге радиусом г, от этого радиуса, соглабнб

выражению

2R2

1 6R4

)