Емкостный датчик давления и устройство формирования его выходного сигнала

Емкостный датчик давления и устройство формирования его выходного сигнала

Реферат

 

Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован для измерения статико - динамических давлений. Изобретение направлено на создание возможности измерения избыточного давления или разности давлений. Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит основной упругий элемент в виде мембраны, электроды, размещенные в центральной части основного упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором дополнительный аналогичный упругий элемент с ответными электродами, проводники, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Периферийный электрод дополнительного упругого элемента размещен на его мембране. Жесткий центр дополнительного упругого элемента жестко и негерметично соединен с опорным основанием. Дополнительный упругий элемент герметично соединен с гермоколодкой при помощи первой втулки. Герметичное соединение дополнительного упругого элемента с основным осуществляется через гермоколодку и вторую втулку. Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления содержит первый и второй усилители, эталонный конденсатор, включенный на вход первого усилителя, и измерительный конденсатор, включенный в цепь обратной связи первого усилителя. Опорный конденсатор включен в цепь обратной связи первого усилителя. Причем опорный и измерительный конденсаторы попеременно подключаются в цепь обратной связи через первый коммутационный ключ, а выход первого усилителя попеременно подключается через ключ синхронно первому ключу к неинвертируемому и инвертируемому выходам усилителя, выход которого через детектор подключен к интегратору. 2 с. и 1 з. п. ф - лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления, предназначенным для использования в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогнутую мембрану и плоскую металлическую пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода; первый является измерительным, второй - эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогнутой 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 [1] .

Известен датчик давления, содержащий упругую мембрану с жестким центром и опорным основанием, дополнительный аналогичный упругий элемент, закрепленный на мембране, и емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, расположенных на мембране и дополнительном упругом элементе [2] .

Недостатком известных устройств является невозможность измерения избыточного давления и разности давлений.

Известно устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, содержащее первый усилитель, эталонный конденсатор, включенный на вход первого усилителя, и измерительный конденсатор, включенный в цепь обратной связи первого усилителя [3] .

Недостатком известного устройства является невозможность формирования выходного сигнала при измерении избыточного давления и разности давлений.

Изобретение направлено на создание возможности измерения избыточного давления и разности давлений за счет модуляции величины межэлектродного зазора периферийных электродов основного и дополнительного упругих элементов атмосферным давлением или вторым измеряемым давлением и за счет формирования выходного сигнала, пропорционального разности обратных величин опорной и измерительной емкостей.

В емкостном датчике давления, содержащем основной упругий элемент, выполненный за одно целое с опорным основанием, центральный и периферийный электроды, размещенные соответственно в центральной части упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный по периферии с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, опорным основанием и с ответными электродами, образующими измерительный и опорный конденсаторы, а также выводные проводники, соединенные с контактами гермоколодки, периферийный электрод дополнительного упругого элемента размещен на его мембране, а его жесткий центр с помощью введенного кольца жестко и герметично соединен с опорным основанием, которое герметично соединено по периферии при помощи введенной первой втулки с гермоколодкой, герметично соединенной при помощи введенной второй втулки с опорным основанием основного упругого элемента, при этом выводные проводники частично расположены в межэлектродном зазоре, жесткость первой втулки меньше жесткости второй втулки, а площадь S_o периферийных электродов и площадь S_x центральных электродов связаны определенным соотношением, а первая втулка выполнена в виде сильфона.

Кроме того, в устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, содержащее усилитель, вход которого через эталонный конденсатор соединен с генератором напряжения, при этом измерительный конденсатор датчика включен в цепь обратной связи первого усилителя, введены первый и второй коммутационные ключи и последовательно соединенные второй усилитель, синхронный детектор и интегратор, при этом опорный конденсатор датчика включен в цепь обратной связи первого усилителя параллельно измерительному конденсатору через первый коммутационный ключ, выход первого усилителя подключен через второй коммутационный ключ к неинвертирующему и инвертирующему входам второго усилителя, а выход интегратора является выходом устройства.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2 - предлагаемое устройство формирования выходного сигнала. Соотношение между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит основной упругий элемент в виде мембраны 1, выполненной за одно целое с опорным основанием 2, электроды 3 и 4, размещенные в центральной части основного упругого элемента и на его опорном основании, расположенный с зазором и герметично соединенный по периферии с основным упругим элементом дополнительный упругий элемент в виде мембраны 5 с жестким центром 6 и опорным основанием 7 и с ответными электродами 8 и 9, выводные проводники 10, частично расположенные в межэлектродном зазоре. Периферийный электрод 9 дополнительного упругого элемента размещен на его мембране. В области размещения периферийного электрода может быть выполнено кольцевое утолщение 11. Жесткий центр 6 дополнительного упругого элемента жестко и негерметично соединен, например, при помощи сварки с опорным основанием дополнительного упругого элемента, например, при помощи кольца 12. Негерметичность соединения может обеспечиваться как негерметичным сварным швом, так и специально выполненными в кольце отверстиями. Дополнительный упругий элемент герметично соединен с гермоколодкой при помощи первой втулки 13. Для изоляции электродов на планарных поверхностях упругих электродов расположена диэлектрическая пленка 14 из композиции окислов алюминия и кремния. Герметичное соединение дополнительного упругого элемента с основными осуществляется через гермопереходник 15 и вторую втулку 16. Основные и дополнительные упругие элементы выполнены из сплава 29Н26КХБТЮ, гермопроходник и втулка - из сплава 29НК.

При S_o = S_x = 12 мм² и R_x = 0,3 мкм/МПа; R_o = 0,3 мкм/МПа.

Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления содержит первый и второй усилители У1 и У2 соответственно, эталонный конденсатор С_э, включенный на вход первого усилителя, и измерительный конденсатор С_х, включенный в цепь обратной связи первого усилителя. Опорный конденсатор С_о включен в цепь обратной связи первого усилителя. Причем опорный и измерительный конденсаторы попеременно подключаются в цепь обратной связи через первый коммутационный ключ К1, а выход первого усилителя через ключ К2 попеременно подключается синхронно первому ключу к неинвертируемому и инвертируемому входам усилителя У2.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана основного упругого элемента 1, а следовательно, и его жесткий центр с электродом 3, размещенным в центральной части основного упругого элемента, прогибается в сторону дополнительного упругого элемента. Вследствие этого емкость измерительного конденсатора, образованного электродами 3 и 8, размещенными в центральной части основного и дополнительного упругих элементов, увеличивается. Емкость опорного конденсатора, образованного электродами 4 и 9, размещенными по периферии основного и дополнительного конденсаторов, не зависит от величины измеряемого давления вследствие существенно большей жесткости опорного основания по сравнению с жесткостью мембраны 1 основного упругого элемента. Атмосферное давление (в случае измерения избыточного давления) или второе измеряемое давление (в случае измерения разности давлений) воздействует на дополнительный упругий элемент. Вследствие жесткой связи жесткого центра 6 дополнительного элемента с его опорным основанием 7 жесткий центр не перемещается в сторону основного упругого элемента. В связи с размещением периферийного электрода 9 дополнительного упругого элемента на его мембране периферийный электрод 9 дополнительного упругого элемента перемещается в сторону периферийного электрода 4 основного упругого элемента. Вследствие этого емкость опорного конденсатора увеличивается. В случае уменьшения величины атмосферного давления (в случае измерения избыточного давления) или второго измеряемого давления (в случае измерения разности давлений) периферийный электрод 9 дополнительного упругого элемента удаляется от периферийного электрода 4 основного упругого элемента, вследствие чего емкость опорного конденсатора уменьшается. Таким образом, емкость опорного конденсатора однозначно отражает величину атмосферного или второго измерительного давления. Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов через выводные проводники передаются на устройство формирования (фиг. 2), которое формирует выходной сигнал, зависящий от разности обратных величин опорной и измерительной емкостей, а следовательно, и от разности измеряемого и атмосферного давления (так как величины емкостей пропорциональны соответствующим давлениям) или от разности первого измеряемого и второго измеряемого давлений.

Формирование выходного сигнала происходит следующим образом.

Напряжение с генератора Г через эталонный конденсатор подается на вход усилителя У1, в цепь обратной связи которого попеременно подключается при помощи коммутационного ключа К1 опорный конденсатор С_о или измерительный конденсатор С_х. В результате этого на выходе первого усилителя У1 попеременно формируется сигнал U₁, зависящий от отношения емкостей эталонного и опорного конденсаторов или отношения емкостей эталонного и измерительного конденсаторов. Напряжение U₁ попеременно коммутируется на неинвертируемый и инвертируемый входы усилителя У2, на выходе которого попеременно формируются разнополярные сигналы, пропорциональные напряжению U₁. После детектирования в синхронном детекторе СД и интегрирования в интеграторе И на выходе устройства формируется сигнал, пропорциональный разности давлений, воздействующих на основной и дополнительный упругие элементы. Размещение периферийного электрода дополнительного упругого элемента на его мембране обеспечивает изменения емкости опорного конденсатора от атмосферного или второго измерительного давления. Жесткий центр дополнительного упругого элемента жестко соединен с опорным основанием дополнительного упругого элемента для обеспечения независимости емкости измерительного конденсатора от атмосферного давления или второго измеряемого давления. В случае жесткой связи жесткого центра дополнительного упругого элемента с его опорным основанием будет невозможно измерение избыточного или разности давлений вследствие синфазности зависимости емкости измерительного и опорного конденсаторов от атмосферного или второго измеряемого давления.

Негерметичное соединение жесткого центра с опорным основанием дополнительного упругого элемента обеспечивает воздействие атмосферного давления или второго измерительного давления на дополнительный упругий элемент. Дополнительный упругий элемент герметично соединен по периферии при помощи первой втулки с гермоколодкой, герметично соединенной при помощи второй втулки с опорным основанием основного упругого элемента, для обеспечения герметичности и возможности вакуумирования межэлектродных зазоров, а следовательно, для обеспечения измерения избыточного давления или разности давлений. Жесткость первой втулки меньше жесткости второй втулки позволяет устранить влияние элементов конструкции на дополнительный упругий элемент, т. е. позволяет устранить влияние внешних воздействий (механических и температурных деформаций) на измерение избыточного давления или разности давлений. Причем для устранения влияния продольных и поперечных деформаций необходимо минимальное значение поперечной и продольной жесткости первой втулки по сравнению с второй, так как только в этом случае обеспечивается независимость измерений избыточного давления или разности давлений от внешних воздействий при обеспечении необходимой жесткости конструкции датчика в целом. Выполнение первой втулки в виде сильфона обеспечивает минимальную продольную и поперечную жесткость, а следовательно, и минимальность внешних воздействий на дополнительный упругий элемент. (56) 1. Патент США N 4562742, кл. G 01 L 9/12, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1702197, кл. G 01 L 9/12, 1989.

3. Патент СССР N 593674, кл. G 01 L 9/12, 1974.

Формула изобретения

ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЕГО ВЫХОДНОГО СИГНАЛА 1. Емкостный датчик давления, содеpжащий основной упpугий элемент, выполненный за одно целое с опоpным основанием, центpальный и пеpифеpийный электpоды, pазмещенные соответственно в центpальной части упpугого элемента и на его опоpном основании, pасположенный с зазоpом и геpметично соединенный по пеpифеpии с основным упpугим элементом дополнительный упpугий элемент в виде мембpаны с жестким центpом, опоpным основанием и с ответными электpодами, обpазующими измеpительный и опоpный конденсатоpы, а также выводные пpоводники, соединенные с контактами геpмоколодки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измеpения избыточного давления и pазности давлений с повышенной точностью, пеpифеpийный электpод дополнительного упpугого элемента pазмещен на его мембpане, а его жесткий центp с помощью введенного кольца жестко и негеpметично соединен с опоpным основанием, котоpое геpметично соединено по пеpифеpии пpи помощи введенной пеpвой втулки с геpмоколодкой, геpметично соединенной пpи помощи введенной втоpой втулки с опоpным основанием основного упpугого элемента, пpи этом выводные пpоводники частично pасположены в межэлектpодном зазоpе, жесткость пеpвой втулки меньше жесткости втоpой втулки, а площадь S₀ пеpифеpийных электpодов и площадь S_x центpальных электpодов связаны соотношением S₀ R_x = S_x R₀, где R₀ и R_x - чувствительность периферийных и центральных электродов опорного и измерительного конденсаторов к воздействующим давлениям соответственно.

2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что в нем пеpвая втулка выполнена в виде сильфона.

3. Устpойство фоpмиpования выходного сигнала емкостного датчика давления, содеpжащее пеpвый усилитель, вход котоpого чеpез эталонный конденсатоp соединен с генеpатоpом напpяжения, пpи этом измеpительный конденсатоp датчика включен в цепь обpатной связи пеpвого усилителя, отличающееся тем, что с целью обеспечения фоpмиpования сигнала пpи измеpении избыточного давления и pазности давлений и повышения линейности, в него введены пеpвый и втоpой коммутационные ключи и последовательно соединенные втоpой усилитель, синхpонный детектоp и интегpатоp, пpи этом опоpный конденсатоp датчика включен в цепь обpатной связи пеpвого усилителя паpаллельно измеpительному конденсатоpу чеpез пеpвый коммутационный ключ, выход пеpвого усилителя подключен чеpез втоpой коммутационный ключ к неинвеpтиpующему и инвеpтиpующему входам втоpого усилителя, а выход интегpатоpа является выходом датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2