Емкостный датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/12 

ЧЛ

v V У

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением стати- кодинамических давлений в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды.

. . Цель изобретения - повышение точности при измерении быстропеременных давлений в условиях нестационарной температуры измеряемой среды и увеличение стойкости к внешним механическим воздействиям.

Согласно изобретению, в емкостном датчике давления, содержащем мембрану с жестким центром, выполненную как одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод опорного конденсатора, размещенный на опорном основании, и зеркально симметричные неподвижные электроды измерительного и опорного конденсаторов, расположенные на пластине, закрепленной с зазором на мембране, в жестком центре мембраны соJ стороны подвода измеряемой среды выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие отверстия, оси которых расположены перпендикулярно плоскости мембраны, при этом расстояние между двумя любыми соседними отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями равно толщине мембраны.

На фиг.1 изображен датчик в разрезе; на фиг. 2 - узел I на фиг.1; на фиг. 3 - вид А на фиг.2;

Соотношения между размерами межэлектродного зазора и толщинами диэлект- рической пленки и электродов для ; наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит упругий элемент в виде круглой мембраны 1 с жестким центром 2, выполненный как целое с опорным основанием 3. Круглый подвижный, электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны в области жесткого центра. Кольцевой неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании. Зеркально симметричные неподвижные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8, закрепленной с зазором на упругом элементе (места закрепления на чертежах не показаны). В жестком центре со стороны измеряемого

давления выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие круглые отверстия 9, продольные оси 10 которых перпендикулярны плоскости

мембраны. Минимальная толщина в области глухого торца отверстий равна толщине мембраны. Расстояние между двумя любыми отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями

равно толщине мембраны. Электроды при помощи тонких .выводных проводников 12 соединены с гермовыводами 13.

Емкостный датчик давления работает следующим образом.

5 Измеряемое давление воздействует на мембрану со стороны жесткого центра. Под воздействием измеряемого давления подвижный электрод, расположенный в области жесткого центра, перемещается в

0 направлении неподвижного электрода измерительного конденсатора, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличивается. При этом жесткий центр, несмотря на выполнение в нем отверстий, ве5 дет себя как монолитный, так как вследствие существенно меньшего диаметра отверстий по сравнению с диаметром мембраны прогиб центра торцевой части отверстия очень мал по сравнению с прогибом

0 .центра мембраны в случае, если бы жесткий центр отсутствовал полностью. Поэтому, прогиб торцев отверстий вследствие своей малости не искажает плоско-параллельного перемещения подвижного электрода.

5 Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления. Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов передаются, на гермовыводы и далее на нормирующее устройство (на чер0 тежах не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения опорной и измерительной емкостей, а следовательно, и измеряемого давления.

При воздействии на датчик быстропере5 менных давлений жесткий центр мембраны в силу меньшей массы (за счёт выполнения отверстий) с меньшей инерционностью будет отслеживать изменения давлений, т.е. при измерении быстропеременных давле0 ний у заявляемой конструкции погрешность будет меньше, чем у прототипа. За счет уменьшения массы жесткого центра собственная частота упругого элемента у заявляемой конструкции больше, чем у прототипа,

5 поэтому погрешность при измерении быстропеременных давлений у заявляемого датчика будет меньше, чем у прототипа.

При воздействии на емкостный датчик давления внешних механических воздействующих факторов (вибраций, ударов и т.п.)

жесткий центр (вследствие уменьшения его массы при сохранении жесткости) перемещается на меньшую величину по сравнению с перемещением жесткого центра прототипа, т.е. стойкость заявляемого датчика дав- ления к внешним механическим воздействиям повышается.

При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на приемную полость датчика восприятие температуры отдельными частями упругого элемента будет сравнительно равномерным вследствие равномерного распределения отверстий по жесткому центру и равенства расстояний между двумя любыми отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями толщине мембраны. А если восприятие температуры измеряемой среды отдельными частями упругого элемента будет более равномерно, то и термодеформации различных частей упругого элемента будут близки друг к другу, а следовательно, влияние нестационарной температуры измеряемой среды будет сказываться в большей степени одинаково для измерительного и опорного конденсаторов, что позволяет проводить учет влияния нестационарной температуры измеряемой среды при выборе алгоритма обработки ем- ,костей в виде отношения опорной и измери- . тельной емкостей.

Выполнение отверстий в жестком центре со стороны измеряемого давления позволяет уменьшить его массу при сохранении необходимой жесткости для осуществления плоскопараллельного перемещения подвижного электрода и позволяет выравнить скорости восприятия температуры различных частей упругого элемента. Отверстия распределены по поверхности жесткого центра равномерно для обеспечения равномерности распределения жесткости и восприятия температуры при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Отверстия в жестком центре выполнены круглыми с целью устранения резких граней, а следовательно, и концентраций механических и термических напряжений. Продольные оси отверстий расположены перпендикулярно плоскости мембраны, так как только в этом случае достигается необходимая симметрия жесткости, равномерность распределения механических и термических деформаций. Толщина в области торца отверстий равна толщине мембраны, так как если толщина в области торца будет меньше толщины мембраны, то неоправданно увеличится прогиб торца под воздействием измеряемого давления, что приведет к искажению плоскопараллельного перемещения подвижного электрода измерительного конденсатора. Если же толщина в области торца отверстий будет больше толщины мембраны, то неоправдан- 5 но увеличится масса и теплоемкость жесткого центра. Расстояние между любыми двумя отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями выбрано равным толщине мембраны в связи с

0 тем, что если эти расстояния будут меньше толщины мембраны, то жесткость центральной части будет меньше необходимой. Если же размеры будут больше толщины мембраны, то увеличится масса и теплоемкость же5 сткого центра. Только при равенстве расстояния между двумя любыми отверстиями толщине мембраны достигается оптимальное сочетание жесткости центральной

0 части мембраны, обеспечивающей плоскопараллельное перемещение подвижного электрода измерительного электрода. Если же расстояние между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями будут

5 не равны друг другу и толщине мембраны, то либо нарушится плоскопараллельный i характер перемещения подвижного электрода, либо неоправданно увеличится масса и теплоемкость жесткого центра.

0 Наиболее оптимальным количеством отверстий является 7. При таком количестве отверстий (причем одно из отверстий расположено в центре мембраны) достигается оптимальное сочетание равномерности

5 распределения массы жесткого центра по. его поверхности, жесткости центральной части мембраны и практически отсутствия деформаций в области торцов отверстий вследствие ее незначительного прогиба из- за сравнительно небольшого диаметра от0 верстий.

Как показали исследования, преимуществом заявляемой конструкции емкостного датчика давления, по сравнению с известными, являются повышение собственной

5 частоты приемной полости в 1,2-1,5 раза, уменьшение погрешности при измерении быстропеременных давлений, повышение стойкости к внешним механическим воздействиям в 1,5-2 раза и уменьшение погреш0 ности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды на 20-30%.

Формула изобретения Емкостный датчик давления, содержа5 щий мембрану с жестким центром, выполненную как одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод . измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный

электрод опорного конденсатора, размещенный на опорном основании, и зеркально симметричные неподвижные электроды измерительного и опорного конденсаторов, расположенные на пластине, закрепленной с зазором на мембране, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности при измерении быстропеременных давлений в условиях нестационарной температуры измеряемой среды и увеличения стойкости к внешним механическим воздей:J

ствиям, в жестком центре мембраны со стороны подвода измеряемой среды выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие отверстия, оси которых расположены перпендикулярно плоскости мембраны, при этом расстояние между двумя любыми соседними отверстиями и между краем жесткого центра и ближайшими к нему отверстиями

равно толщине мембраны.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники: связанных с измерением статико- динамических давлений в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды. Изобретение направлено на повышение точности при измерении быстропеременных давлений в условиях нестационарной tтемпературы измеряемой среды и увеличение стойкости к внешним механическим воздействиям. Емкостный датчик давления содержит мембрану с жес-а финия и фе. тся иси и ко- ейтур лении неой им ый естким центром 2, выполненную как одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны в области жесткого центра. Кольцевой неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании, Зеркально симметричные неподвижные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственно расположены на пластине 8, закрепленной с зазором на упругом элементе. В жестком центре 2 со стороны измеряемого давления выполнены равномерно распределенные по поверхности жесткого центра глухие круглые отверстия, продольные оси которых перпендикулярны плоскости мембраны. Минимальная толщина в области глухого торца отверстий равна толщине мембраны. Расстояние между двумя любыми отверстиями и между краем жесткого центра и.ближайшими к нему отверстиями равно толщине мембраны. Электроды при помощи выходных проводников 12 соединены с гермовыводами 13. 3 ил.-. П 2%Ј2% Щ0 СП с со О S о Ч)