ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для измерения разности двух величин давления жидкости или газа с помощью упругодеформируемых элементов в качестве чувствительных элементов путем измерения изменений электрической емкости.
Известна конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления (см. патент RU 2545085, МПК G01L 19/00, опубл. 27.03.2015). Датчик содержит электронно-индикаторный блок, два плоских присоединительных фланца, между которыми размещен мембранный блок измерительного преобразователя, содержащий емкостную ячейку цилиндрической формы с измерительной мембраной, размещенной в полости ее корпуса, помещенного рядом с размещенными в корпусах разделительными гофрированными мембранами.
Однако известная конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления является сложной, так как имеет большое количество сварных соединений.
Известно устройство для измерения давления, выполненное в виде двухпроводного датчика, содержащего первое и второе емкостные сенсорные средства, реагирующие на первое P1 и второе P2 давления, чтобы выработать выходной сигнал, характеризующий разность давлений (см. патент RU 2139509, МПК G01L 27/00, G01L 9/06, G01L 9/12, опубл. 10.10.1999). В зависимости от разницы между давлениями Р1 и Р2 диафрагма внутри камеры отклоняется либо к одной пластине, либо к другой. Это отклонение вызывает изменение величин реактивного импеданса или емкости переменных конденсаторов.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за большого количества уплотнений и сварных соединений, кроме того, снижающих устойчивость конструкции к вибрации и механическим ударам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является датчик перепада давления (см. патент RU 2243518, МПК G01L 13/02, G01L 9/00, опубл. 27.12.2004). Датчик перепада давления содержит корпус с цилиндрическим кожухом и крышкой, закрепленные на корпусе внутри кожуха электронную плату и емкостный преобразователь, а также выполненные в корпусе два мембранных блока, причем емкостный преобразователь содержит полость, два гермовывода с обкладками, электрически соединенными с электронной платой, и измерительную мембрану, закрепленную в полости между обкладками так, чтобы делить полость на две части, каждая из которых при помощи капиллярной трубки соединена с соответствующим мембранным блоком, при этом полость емкостного преобразователя, капиллярные трубки и мембранные блоки заполнены кремнийорганической диэлектрической жидкостью.
Однако известный датчик характеризуется наличием заметной паразитной емкости между емкостными обкладками (электродами) и корпусными деталями датчика, которые отрицательно сказываются на погрешности измерения, поскольку уменьшают соотношение сигнал/шум и обусловливают необходимость применения специальных схем, снижающих влияние паразитных емкостей. Кроме того, большая масса измерительной системы (ячейки), включающей в себя мембрану, обкладки в виде стеклянных (керамических) полусфер, токоподводы, выведенные перпендикулярно плоскости измерительной мембраны через полусферы, существенно снижают вибростойкость датчика. Изготовление известного датчика сопряжено со значительными технологическими трудностями, связанными с изготовлением прецизионных массивных стеклянных (керамических) полусфер и нанесением на их внутреннюю поверхность электродов (обкладок), что значительно повышает трудоемкость изделия и его себестоимость.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении стабильности технических характеристик за счет:
1) повышения вибростойкости датчика благодаря
а) заполнению корпуса кремнийорганическим компаундом с демпфирующими полыми стеклянными микросферами,
б) снижению массы емкостного преобразователя при упрощении конструкции обкладок,
2) снижения паразитной емкости между обкладками и деталями корпуса благодаря использованию стеклянных втулок.
Указанный технический результат достигается тем, что емкостный датчик перепада давления содержит корпус с цилиндрическим кожухом и крышкой, закрепленные на корпусе внутри кожуха электронную плату и емкостный преобразователь, а также выполненные в корпусе два мембранных блока, причем емкостный преобразователь содержит полость, два гермовывода с обкладками, электрически соединенными с электронной платой, и измерительную мембрану, закрепленную в полости между обкладками так, чтобы делить полость на две части, каждая из которых при помощи капиллярной трубки соединена с соответствующим мембранным блоком, при этом полость емкостного преобразователя, капиллярные трубки и мембранные блоки заполнены кремнийорганической диэлектрической жидкостью, согласно решению каждая обкладка выполнена плоской со стороны мембраны и изолирована от гермовывода при помощи стеклянной втулки, каждая капиллярная трубка изолирована от гермовывода при помощи стеклянной втулки, а пространство внутри кожуха заполнено кремнийорганическим компаундом, содержащим полые стеклянные микросферы.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция емкостного датчика перепада давления (разрез), на фиг. 2 - конструкция емкостного преобразователя. Позициями на чертежах обозначены:
А - внутреннее пространство емкостного датчика перепада давления, заполненное кремнийорганическим компаундом, содержащим полые стеклянные микросферы;
Б - внутреннее пространство емкостного преобразователя, капиллярных трубок и мембранных блоков, заполненное кремнийорганической диэлектрической жидкостью;
1 - штуцер;
2 - разделительная мембрана;
3 - кремнийорганическая диэлектрическая жидкость (КОДЖ);
4 - емкостный преобразователь;
5 - обкладка;
6 - измерительная мембрана;
7 - гермовывод;
8 - блок печатных плат;
9 - капиллярная трубка;
10 - корпус;
11 - крышка;
12 - заливочный капилляр;
13 - стеклянная втулка;
14 - корпус гермовывода;
15 - кожух;
16 - мембранный блок.
Конструкция заявленного емкостного датчика перепада давления представлена на Фиг.1. Емкостный датчик перепада давления (далее датчик) содержит корпус 10 с цилиндрическим кожухом 15, прикрепленным одним торцом к корпусу 10, и круглой крышкой 11, прикрепленной к второму торцу кожуха 15 и снабженной вилкой для электрического подключения датчика к источнику питания и регистрации выходного сигнала. На корпусе внутри кожуха закреплен емкостный преобразователь 4, а над ним внутри кожуха закреплен блок печатных плат 8, снабженный выводами, электрически соединенными с вилкой крышки 11. Пространство А внутри кожуха заполнено кремнийорганическим компаундом «Виксинт ПК-68 марки А», содержащим полые стеклянные микросферы диаметром 0,1 мм, благодаря чему обеспечивается стойкость и надежность конструкции к вибрации и ударам за счет демпфирования колебаний. Емкостный преобразователь 4 содержит два гермовывода 7, соединенные между собой при помощи сварки с образованием полости между гермовыводами (фиг. 2). Каждый из гермовыводов 7 содержит корпус 14 гермовывода и обкладку 5, выполненную в форме круглого плоского диска с тонким стержнем, расположенным на одной оси с диском, причем стержень обкладки 5 закреплен в корпусе 14 гермовывода через изолирующую стеклянную втулку 13 и электрически соединен с блоком печатных плат 8, а диск расположен в полости между гермовыводами 7. Емкостный преобразователь 4 содержит измерительную мембрану 6, закрепленную в полости между обкладками 5 параллельно их дискам так, чтобы делить полость на две части, каждая из которых при помощи капиллярной трубки 9 соединена с соответствующим мембранным блоком 16, выполненным в корпусе 10. Каждый из мембранных блоков 16 представляет собой полость с разделительной мембраной 2, при этом полость с одной стороны мембраны выполнена с возможностью соединения со штуцером 1, а полость с другой стороны разделительной мембраны 2 соединена с соответствующей капиллярной трубкой 9. Каждая капиллярная трубка 9 изолирована от корпуса 14 гермовывода 7 при помощи стеклянной втулки 13. Втулки 13 изготовлены из специального состава стекла, образующего компрессионный вакуум-плотный спай, способный сохранять герметичность и выдерживать воздействие перегрузочных давлений в широком диапазоне температур. Пространство Б каждой капиллярной трубки 9 и соединенных с ней части полости емкостного преобразователя 4 и части полости мембранного блока 16 заполнено кремнийорганической диэлектрической жидкостью 3 (КОДЖ). Для осуществления такого заполнения корпус 14 каждого гермовывода 7 емкостного преобразователя 4 снабжен заливочным капилляром 12. Кремнийорганическая диэлектрическая жидкость 3 применяется в качестве рабочего тела, передающего давление от разделительных мембран 2 к измерительной мембране 6 емкостного преобразователя 4. Выбор конкретной марки кремнийорганической диэлектрической жидкости 3 производится исходя из заданного диапазона рабочих температур датчика. Для обеспечения длительной стабильности характеристик и минимальной температурной погрешности датчика конструкционные материалы выбраны с учетом их температурного коэффициента линейного расширения.
x1
x2
x1
x2
Чувствительным элементом емкостного преобразователя 4 является измерительная мембрана 6, изготовленная из сплава, специально предназначенного для изготовления упругих элементов приборов. Толщина и форма гофр измерительной мембраны 6 подбирается, исходя из требуемого рабочего диапазона перепада давлений. Под воздействием перепада измеряемых давлений Р1 и Р2, переданных через диэлектрическую кремнийорганическую жидкость 3, измерительная мембрана 6 прогибается в сторону обкладки 5 с меньшим давлением. Прогиб мембраны 6 вызывает пропорциональное изменение двух электрических емкостей C и C между мембраной 6 и одной из обкладок соответственно, образующих дифференциальный конденсатор. Построение емкостного преобразователя 4 по схеме дифференциального конденсатора позволяет скомпенсировать изменение емкостей C, C между обкладками 5 и измерительной мембраной 6, обусловленное зависимостью диэлектрической проницаемости кремнийорганической жидкости 3 от температуры.
Емкостный датчик перепада давления работает следующим образом.
x1
x2
x1
x2
Реализуемый принцип преобразования давления в электрический сигнал основан на использовании зависимости электрических емкостей конденсаторов C, C от зазора между обкладками 5 и измерительной мембраной 6. Измеряемые давления рабочей среды P1 и P2 поступают через штуцеры 1 и вызывают прогиб разделительных мембран 2. Давления через кремнийорганическую диэлектрическую жидкость 3 поступают в емкостный преобразователь 4 и воздействуют с разных сторон на измерительную мембрану 6. В зависимости от величины прогиба измерительной мембраны 6 происходит перераспределение зазоров между обкладками 5 и измерительной мембраной 6 и, соответственно, изменение значений рабочих емкостей C, C. Электрическая схема блока печатных плат датчика преобразует изменение емкостей дифференциального конденсатора в выходной электрический сигнал, пропорциональный измеряемому перепаду давлений, который поступает на вилку.