Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

Использование: изобретение предназначено для измерения давления в широком диапазоне температур и направлено на уменьшение габаритов датчиков давления и повышение точности измерения. Сущность изобретения: при воздействии на датчик повышенной температуры емкость электродов первой пары изменяется. Емкость электродов второй пары также изменяется, причем так как длина втулки 12 выбрана, исходя из представленных соотношений, то изменение емкости электродов второй пары будет таково, что отношение емкостей второй и первой пар электродов в минимальной степени будет зависеть от температуры. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИК

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„.,Я0„„17322 щ)5 G 01 I, 9/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР,(21) 4766994/ 0 (22) 08. 12.89 (46) 07.05.92. Бюл. Р. 17 (7 1) Научно-исследовательский институт .1изических измерений (72) E.М.Белозубов (53) 531.787(088.8) (56) Патент США В 4562747,,кл. С 01 L 9/12, 1980.

Авторское свидетельство СССР

N- 11662222778888, кл. С 01 L 9/12, 1989.. (54) ЕМКОСТНЬ1И ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение предназначено для измерения давления в широком диапазоне температур и направлено на уменьшение габаритов датчиков давления и повышение точности измерения. Сущность изобретения: при воздействии на датчик повышенной температуры емкость электродов первой пары изменяется. Емкость электродов второй пары также изменяется, причем так как длина втулки 12 выбрана, исходя из представленных соотношений, то изменение емкости электродов второй пары будет таково, что отношение емкостей второй и первой пар электродов: в минимальной степени будет зависеть от температуры. 2 с.п.ф-лы, .1 ил.

1 732701

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давления в широком диапазоне температур.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогибающуюся мембрану и плоскую эталонную пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода; первый является чувствительным элементом, второй — эталонньи. 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 ripoгибу 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 являются довольно значительные габаритные размеры, особенно в направлении, перпендикулярном продольной оси, связанные с плоским расположением электродов измерительного и опорного конденсаторов. Температурная rtorpemность известного устройства также весьма велика вследствие неидентичности изменения емкостей измерительного и эталонного конденсаторов от температуры.

Известен также способ изготовле- . ния емкостного датчика давления, заключающийся в формировании упругого элемента и пластины, нанесении на них электродов присоединения пластины к упругому элементу через распорку, установленную в центре упругого элемента.

Недостатком известного способа является сравнительно невысокий уро.вень технологичности, связанный с невозможностью изготовления датчиков с приемлемой точностью в условя" ях воздействия температуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является емкостный датчик давления, содержащий мембрану с жестким центром и периферийным цилиндрическим опорным основанием, образующим с крышкой вакуумированную полость, внутри которой на мембране через первую прокладку за10 креплен первый диск, два емкостных преобразователя, каждый из которых выполнен в виде двух противолежащих электродов, причем один электрод первого емкостяого преобразователя рас1 положен на мембране, а второй электрод — на поверхности первого диска.

Недостатком известного датчика являются сравнительно большие габарит-. ные размеры, связанные с планарным 0 расположением электродов и наличием консольного участка у упругого элемента. Причем размеры увеличены в направлении, перпендикулярном продольной оси датчика, т.е. именно те размеры, которые определяют установочные характеристики: присоединительную резьбу и т.д.

Кроме того, недостатком известной, конструкции является повышенная тем30 пературная погрешность, что объясняется неодинаковой величиной изменения. емкости первой и второй пары от температуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо35 соб изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании электродов измерительного емкостного преобразователя соответственно на мембране, выполненной с периферий-

40 ным цилиндрическим опорным основани-, ем, и диске, закрепленном через прокладку диска на мембране, и формировании электродов эталонного емкостного преобразователя.

© Недостатком известного способа изготовления емкостного датчика давле" ния является сравнительно невысокий уровень технологичности, связанный. с невозМожностью изготовления датчи 0 кав с приемлемой точностью в условиях ,воздействия температур.

Целью изобретения является. уменьшение габаритов и увеличение точности за счет уменьшения температурной поM грешности а также повышение технологичности.

На чертеже изображен предлагаемый емкостный датчик давления.

5 1

Емкостный датчик давления содержит вакуумированный корпус 1, мембрану 2 с жестким центром и цилиндрическим опорным основанием 3, диск 4, закрепленный на мембране при помощи прокладки 5, емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов. Первая пара электродов 6 и 7 расположена по центру мембраны и диска соответственно.

Один из электродов 8 второй пары расположен на стороне диска, более удаленной от мембраны, а другой электрод

9 второй пары размещен на пластине

10, установленной при помощи прокладки 11 на расположенном в одной плоскости с более удаленной от мембраны поверхностью диске .втулки 12, размещенной концентрично мембране и диску.

Втулка жестко присоединена противолежащим торцом к опорному основанию мембраны, например, при помощи лазерной сварки. Величина межэлектродного зазора первой пары электродов равна величине межэлектродного зазора второй пары электродов и равна 40 мкм.

Электроды электрически соединены с выводами гермопроходника 13 при помощи тонких выводных проводников 14.

Упругий элемент, диск и пластина выполнены из сплава 70НХБМ10 (0 ц=

=13,5 10 С "), втулка выполнена из сплава 20Х13 (К =: 10, 1 10 6 0 С ).

На-поверхности мембраны и пластины нанесена диэлектрическая пленка в виде композиции А1 03 -SiO<. Электроды выполнены в виде композиции

No-Ni.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Формируют на мембране и диске методом тонкопленочной технологии электроды первой пары. Формируют методом тонкопленочной технологии электроды второй пары на стороне диска„более удаленной от мембраны, и на пластине.

Определяют значения емкости первой, пары электродов при наименьшей и наибольшей температуре рабочего диапазона температур. Закрепляют диск на мембране при помощи прокладки лазерной сваркой по периферии диска и упругого элемента (не показано) .

Изготавливают втулку из материала .,с TKIIP отличным от TKJlP упругого элемента. Длину втулки определяют в соответствии с заявляемым соотношением. В нашем случае при Q 0 40 мкм, :. :. 20 1

С 3,4 пФт Схо 2ь1 пФ, g 13,5к

600 С по формуле

\ а(с * — с () +ofg(t — ttt)2 1

x) (t- -о) получаем L = 3 4 — ?,1 (1 +

+ 13,5 10 (600 25)1ст7,6 мм. 10

Устанавливают торец втулки в од- ной плоскости с поверхностью Лиска, наиболее удаленной от мембраны. Установка может проводиться различным образом, например при помощи установки поверхности диска и торца втулки на эталонной поверхности. На торце втулки 3 устанавливают при помощи прокладки пластину и закрепляют ее лазерной сваркой по периферии с втулкой.

Емкостный датчик давления работает следующим образом .

Под воздействием измеряемого дав25 ления на мембрану датчика жесткий центр мембраны, а следовательно, и расположенный в области жесткого цент ра поцвижныи электрод измерительного конденсатора перемещаются в направлении неподвижного электрода. В резульЗ0,тате этого межэлектродный зазор этой пары электродов уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается .

Емкость второй пары электродов не зависит от измеряемого давления вследg5 ствие сравнительно массивного опорного основания. Значения емкостей первой и второй пары электродов через их контактные площадки и гермопроходники передаются на нормирующее

4р.устройство (не показаны), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения емкостей второй пары электродов и первой, а следовательно, и от измеряемого давления. При воз4 действии на датчик повышенной температуры емкость электродов первой пары изменяется в силу различных причин, Емкость электродов второй пары также изменяется, но так как

gg .длина втулки выбрана исходя из заявляемых соотношений, то изменение емкости электродов второй пары будет таково, что отношение емкостей второй и первой пары электродов в мини мальной степени будет зависеть от температуры. Один из электродов вто" рой пары расположен на стороне диска, более удаленной от мембраны, а другой электрод второй пары размещен

1732201 (3) (4) (7) или

С0о Сх, С01 СИ (8) на пластине, установленной при помощи прокладки на расположенном в одной плоскости с более удаленной от мембраны поверхностью диска торце

1 втулки, размещенной концентрично мембране и диску, для обеспечения уменьшения габаритных размеров, особенно в направлении, параллельном плоскости мембраны. Жесткое присоединение противолежащего торца втулки к опорному основанию также позволяет уменьшить габаритные размеры и температурную погрешность. Равенство величины межэлектродного зазора первой величине межэлектродного зазора второй пары позволяет уменьшить температурную погрешность вследствие обеспечения идентичности температурных зависимостей второй и первой пары электродов. Формирование электродов второй пары на стороне диска, более удаленной от мембраны, и на пластине также преследует цель уменьшить габаритные размеры. Установка втулки из материала с ТКЛР, отличным от ТКЛР упругого элемента, в одной плоскости с поверхностью диска, наиболее удаленной от мембраны, позволяет минимизировать температурную погрешность емкостного датчика, вследствие обеспечения термозависимости емкости второй пары электродов, близкой к термозависимости первой пары электродов.

Рассмотрим более подробно конструкцию дат4йка. Пусть при температуре t величина емкости измерительного конденсатора равна С„, а при температуре t. CX .

Несмотря на изменение емкости измерительного конденсатора от температуры выходной сигнал,. образован- .: HblH в соответствии с выбранньм алгоритмом, не должен изменяться от темпера туры. Общепринятый алгоритм образова- ния выходного сигнала для емкостных квазидифференциальных датчиков имеет следующий вид:

Х где Со — емкость образованного конденсатора;

С - емкость измерительного

Х конденсатора;

K), К - коэффициенты преобразования.

Прй температуре t

Со4

ЬЫХt f4(2 я6

При температуре .

Соо

ЬЫхо 10 2о

Для обеспечения независимости выходного сигнала от температуры необ10 ходимо, чтобы

"Ьых = "Ьыхо

Расшифровывая выражения, получим

Учитывая, что коэффициенты преобразования определяются электронным преобразователем, располагающимся на о некотором расстоянии от датчика и непосредственно не подвергающимся воздействию температуры измеряемой среды, можно записать

К <0 К1Ь

25 К2О = Кй (6) Тогда выражение (5) приводится к виду

Сор Cot

30 С„„С х

Емкость образцового конденсатора при температуре t равна (9) р где E. — относительная диэлектрическая проницаемость вакуума;

Я вЂ” абсолютная диэлектрическая проницаемость;

Зо — площадь поверхности электродов при температуре t<,.

Д, -..иежэлектродный зазор при, температуре t<.

Иякость образцового конденсатора при температуре t с учеЪом инвариант@ ности относительной и абсолютной ди электрической проницаемости вакуума от температуры будет равна

SS где 8о " площадь поверхности электpol7oB при .температуре t;

dory — межэлектродный зазор при температуре t.

9 17

Площадь электродов образцового конденсатора при температуре t равна

A 2

8oo " .too где r — радиус электрода при тем00 пер атур е.

Площадь электродов образцового конденсатора в случае выполнения пластины из материала упругого элемента при температуре равна

S>(=Ü - Ф г „ t1 +ю((t — t,)j,(12)

При изменении температуры от до величина межэлектродного) зазора эталонного конденсатора изменится от 6 на величину, определенную по соотйошению

3 doo = I.o(Î(„- О(,) (— й,), (13) где Ь - высота втулки.

Тогда межэлектродный зазор эталонного конденсатора при температуре

t будет равен

d о4, оо F5 оо (14

Поэтому емкость эталонного конденсатора при температуре t будет равна

so< е р <) (1 + ((t t 1

06= EO6,=. ь — Ь

Подставляя выражения (9) и (15) в выражение (8), после преобразований получим

EF вг b, o- Ьв(-Кв) (t — to) С!(о. о K () г, (1 +!)((t а,)) С„ (16)

Ь„Сха — Le, Сx+(o(q †(x o)(t — ) =

= с,g„(1 +в((t — t,) откуда оо(Сх - Cxo E++ e((t . to)3

Ь Сх 0(М ОСв t tq)

Емкостный датчик давления в соответствии с предлагаемым решением имеет присоединительные размеры с резьбой И18х1,5. Емкостный датчик давления, выполненный в соответствии с прототипом, имеет присоединительные размеры с резьбой N24x1,5. Габаритные размеры предлагаемого емкостного датчика давления 20хЗО мм, а габаритные размеры известных датчиков 27х30 мм.

Температурная погрешность в диапазоне температур 25-600 С емкостного датчика давления в соответствии с

1 i )() 1!

0 предпагаемьм решением с станляет

5 ° 10 С . Температурная погрешо ность в диапазоне температур 25-600 С

5 известного емкостного датчика давления составляет 2 10 " С . Таким образом, технико-экономическим преимуществом, по сравнению с прототипом, является уменьшение габаритных размеров на 307 и температурной погрешности за счет обеспечения одинакового относительного изменения емкостей первой и второй пары электродов.

Формула изобр етения

1. Емкостный датчик давления, содержащий мембрану с жестким цент2О ром и периферийным цилиндрическим опорньм основанием, образующим с крышкой вакуумированную полость, внутри которой на мембране через первую прокладку закреплен первый

25 диск, два емкостных преобразователя, каждый из которых выполнен в виде двух противолежащих электродов, причем один электрод первого емкостного преобразователя расположен на мембра не, а второй электрод на поверхности первого диска, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения габаритов и увеличения точности за счет уменьшения температурной погрешности, в него введены второй диск

З5 и втулка, которая закреплена на цилиндрическом опорном основании кон- центрично мембране, причем торец втулки установлен заподлицо с внешней поверхностью диска, при этом на внеш40 неи поверхности диска закреплен пер— вый электрод второго емкостного преобразователя., а на торце втулки через введенную вторую прокладку закреплен второй диск, на внутренней поверх" ности которого закреплен второй электрод второго Емкостного преобразоватеЛЯ е

2. Способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в

® формировании электродов измерительного емкостного преобразователя соответственно на мембране, выполненной с периферийньм цилиндрическим опорньм основанием, и диске, закреплении 5 через прокладку диска на мембране и формировании электродов эталонного емкостного преобразователя, о т л ич а ю шийся тем, что с целью

1 73? 201

Ы .э

: — температурный коэффициент

Ь линейного расширения соответственно мембраны и втулки;

Составитель Е. Белозубов

Техред А,Кравчук Корректор N. Самборская Редактор Л.Гратилло

Заказ 1576 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина,101 повышения технологичности, формируют первый электрод эталонного преобразователя на внешней стороне диска, измеряют емкость измерительного преоб", разователя при верхней и нижней температуре рабочего диапазона, определяют длину Ь втулки ио соотношению

gIñ „q с„(1 +g>(e ь ) l

c„ (g> - g ) (t —,) где g — межэлектродный зазор;

СХ1

С о — емкость измерительного.емкостного преобразователя, соответственно, при верх- ней и нижней температуре рабочего диапазона, t 1, — соответственно верхняя и нижняя температура рабочего диапазона

1О и закрепляют втулку на цилиндрическом опорном основании заподлицо с диском, а затем закрепляют на торце втулки через дополнительную прокладку дополнительный диск с .предварительно сформированным на нем вторым электродом эталонного емкостного преобразователя .