[1]Область техники, к которой относится изобретение
[2]Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензорезистивным датчикам давления, и может быть использовано для измерения избыточного давления и разности давлений (дифференциального давления) жидкости и газов.
[4]В процессе эксплуатации датчики измеряют разность давлений между двумя давлениями, каждое из которых значительно превышает измеряемую разность давлений, поэтому при аварийных режимах резких скачках давления или пропадания давления в одном из каналов на чувствительные элементы датчиков, измеряющих разность давлений, могут воздействовать давления, значения которых на порядок превышают допускаемое, что приводит к выходу датчиков из строя.
[5]Изобретение позволяет защитить чувствительный элемент - тензопреобразователь от разрушения при случайной подаче перегрузочного давления, вызванного засорением каналов подвода давления или резкой подачей давления.
[6]Известен датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление мембраной, расположенной с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично установлен чувствительный элемент. Причем каждая полость соединяется с чувствительным элементом с помощью гидравлического дросселя, представляющего собой капиллярную трубку. Использование дросселей позволяет демпфировать воздействия скачков давления (или воздействие резкой подачи в датчик давлений) и, тем самым, предотвращать выход чувствительного элемента датчика из строя. Патент США № US 8132464, МПК G01L 13/02, 13.03.2012.
[7]Недостатком приведенного устройства является отсутствие защиты от статического перегрузочного давления и невозможность одновременного измерения и разности давлений, и статического давления.
[8]Наиболее близким известным техническим решением является датчик дифференциального давления, в котором частично устранены приведенные выше недостатки. Датчик содержит корпус, в котором жестко закреплены две разделительные мембраны, передающие давление посредством малосжимаемой электроизоляционной жидкости к измерительному узлу, состоящему из тензочувствительного элемента и защитной мембраны, защищающей чувствительный элемент от чрезмерного давления. Для исключения выхода из строя чувствительного элемента под действием резко (скачком) меняющегося давления в датчике установлены гидравлические дроссели, выполненные в виде коаксиальных зазоров, для чего в вертикальные отверстия в корпусе датчика установлены цилиндрические стержни (название по патенту - пламегасители). Патент РФ №2143673, МПК G01L 9/06, G01L 13/02, 18.08.1995. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
[9]Недостатком приведенного устройства является невозможность одновременного измерения и разности давлений и статического давления, а также то, что предложенная конструкция датчика при скачках давления не предотвращает критический рост давления, воздействующего на чувствительный элемент (тензопреобразователь), так как не демпфирует в достаточной степени скачки давления, что может приводить к выходу из строя тензопреобразователя.
[10]Раскрытие сущности изобретения
[11]Изобретение направлено на устранение указанного недостатка.
[12]Техническим результатом изобретения является защита чувствительных элементов (тензопреобразователей) при воздействии перегрузочных давлений, как статических, так и резких скачков давления, и одновременное измерение разности давлений и избыточного давления.
[13]Технический результат достигается тем, что в конструкцию датчика введена система гидравлических дросселей и мембран: разделительной, защитной и компенсационной, которые обеспечивают защиту тензопреобразователей от разрушения как при подаче разности давлений, превышающей допустимую, так и при резкой подаче перегрузочного давления. Для одновременного измерения разности давлений и избыточного давления в конструкции предусмотрена измерительная камера, где размещены два тензопреобразователя: один - измеряющий разность давлений, а второй - избыточное давление.
[14]Краткое описание чертежей
[15]Изобретение поясняется чертежами, где:
[16]I - узел приема давлений;
[18]III - компенсационный узел;
[19]IV - измерительный узел;
[20]1 - корпус защитного узла;
[21]2, 21 - камеры приема давлений в защитном узле;
[22]3, 19 - гидравлические дроссели защитного узла;
[23]4 - канал, соединяющий тензопреобразователь избыточного давления с атмосферным воздухом;
[24]5, 17 - компенсационные камеры;
[25]6, 15 - гидравлические дроссели измерительного узла;
[26]7, 18, 25, 26, 30 - проточные каналы;
[27]8, 13 - основание тензомодулей;
[29]10 - тензопреобразователь разности давлений;
[30]12 - тензопреобразователь избыточного давления;
[31]14 - измерительная камера;
[32]16 - компенсационная мембрана;
[33]20 - защитная мембрана;
[34]23, 28 - гидравлические дроссели узла приема давлений;
[35]24 - разделительная мембрана статического канала;
[36]27 - разделительная мембрана динамического канала;
[37]31, 32 - центральные каналы гидравлических дросселей;
[38]33, 34 - кольцевые каналы гидравлических дросселей;
[39]35, 36 - профилированные основания;
[40]37, 38 - приемные камеры;
[41]Р1 - динамическое давление;
[42]Р2 - статическое давление.
[43]На фиг. 1 представлена конструкция датчика дифференциального и избыточного давлений с защитой от скачков давления и перегрузки.
[44]На фиг. 2 представлен гидравлический дроссель защитного узла (разрез А-А).
[45]Осуществление изобретения
[46]Датчик дифференциального и избыточного давлений (фиг. 1) содержит узел приема давлений (I), защитный узел (II), компенсационный узел (III) и измерительный узел (IV). Все узлы соединены между собой проточными каналами 25, 26, 18, 30, 7 и гидравлическими дросселями 23, 28, 19, 3, 15, 6 и заполнены малосжимаемой электроизоляционной жидкостью (ПМС).
[47]В узле приема давлений (I) расположены две разделительные мембраны 24, 27, которые располагаются с зазором относительно профилированных оснований 35, 36 и образуют приемные камеры 37, 38. На выходе приемных камер установлены гидравлические дроссели 23, 28.
[48]Защитный узел (II) включает в себя защитную мембрану 20, гидравлические дроссели 3, 19 и проточные каналы 26, 25, 18. Для заполнения внутренних объемов датчика кремнийорганической жидкостью используются заливочные отверстия 22, 29.
[49]Компенсационный узел III состоит из двух камер 5, 17 и компенсационной мембраны 16.
[50]В измерительном узле IV установлены гидравлические дроссели 6, 15 и тензопреобразователи 10 и 12, состоящие из кремниевых мембран, на которых сформированы диффузионные тензорезисторы и гермовыводы 9, 11.
[51]Датчик работает следующим образом. При подаче, например, динамического давления Р1 на разделительную мембрану 27 она прогибается, зазор под ней уменьшается, и жидкость через гидравлический дроссель 28 поступает в защитную камеру 2. Повышение давления в защитной камере воздействует на защитную мембрану 20, вызывая ее деформацию. Одновременно давление жидкости через гидравлический дроссель 3 (дросселирующие отверстия в нем 31 и 33) и проточный канал 30 передается в компенсационную камеру 5, деформируя при этом компенсационную мембрану 16. Также давление через дроссель 6 поступает на тензопреобразователь разности давлений 10.
[52]Аналогичным образом статическое давление (Р2) воздействует на разделительную мембрану 24 и через гидравлические дроссели 23, 19 и 15 передается в измерительную камеру 14, воздействуя на тензопреобразователь избыточного давления 12 и на тензопреобразователь разности давлений 10.
[53]Таким образом, тензопреобразователь разности давлений 10 измеряет разность давлений (ΔP = Р1 - Р2), так как на одну сторону измерительной мембраны тензопреобразователя 10 подается динамическое давление Р1, а на другую сторону - статическое давление Р2. Тензопреобразователь избыточного давления 12 измеряет избыточное давление, так как на измерительную мембрану тензопреобразователя избыточного давления 12 действует с одной стороны статическое давление Р2, а с другой стороны, через канал 4, атмосферное давление.
[54]Электрический сигнал от тензопреобразователей через гермовыводы 9, 11 выводится на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).
[55]Гидравлические дроссели 23, 28, 3, 19, 6, 15 обеспечивают защиту тензопреобразователей разности давлений 10 и избыточного давлений 12 от выхода из строя при подаче давления с резким фронтом. Так, рост давления в защитных камерах 2, 21 ограничивают дроссели 28 и 23, рост давления в измерительной камере 14 ограничивают дроссели 6 и 15. Дроссели 3 и 19 ограничивают скорость нарастания давления в компенсационных камерах 5, 17 относительно камер приема давлений 2, 21 в защитном узле. Дроссели 3, 19 представляет собой металлические стержни со сквозными отверстиями 31, 32, выполненными по оси стержня (см. фиг. 2). Стержень устанавливается в отверстие, диаметр которого несколько больше диаметра стержня, в результате чего формируется кольцевой зазор 33, 34. Такое выполнение дросселя позволяет обеспечить увеличение гидравлического сопротивление дросселя за счет увеличения пути, который должна пройти жидкость при прохождении в измерительный узел из компенсационного узла. Сначала жидкость проходит через центральное отверстие 31 (32) в стержне, потом направление движения жидкости меняется на 180°, и она через кольцевой зазор попадает в измерительную камеру. Также такая смена направления движения жидкости приводит к тому, что ламинарное течение жидкости в дросселе при смене направления движения меняется на турбулентное, что также приводит к увеличению гидравлического сопротивления и, следовательно, ограничению скорости нарастания давления в измерительной камере при воздействии скачков давления.
[56]Кроме того, при резком возрастании измеряемого давления мембрана 16 компенсационной камеры прогибается, забирая часть жидкости из канала, подвергшегося перегрузке, что также ограничивает скорость нарастания давления в измерительной камере.
[57]Таким образом, при воздействии давлений, между которыми измеряется разность, мембраны тензопреобразователей 10, 12 деформируются и тензорезисторы преобразуют напряжение мембран в электрический сигнал, пропорциональный разности давлений ΔР для тензопреобразователя разности давлений 10 и пропорциональный избыточному давлению Р2 для тензопреобразователя избыточного давления 12. Далее выходные сигналы тензопреобразователей через монтажные проводники и гермовыводы 9, 11 выводятся на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).
[58]В зависимости от величины и скорости изменения подаваемых в него давлений датчик работает следующим образом.
[59]Вариант 1. Подача в датчик медленно меняющихся давлений Р1 и Р2, разность между которыми не превышает допустимую (см. фиг. 1, 2).
[60]В этом случае воздействие давления Р1 на мембрану 27 и давления Р2 на мембрану 24 вызывает давление жидкости в приемных камерах 37 и 38, которые через дросселирующие отверстия 28, 23, проточные каналы 26 и 25, гидравлические дроссели 3, 19, дросселирующие отверстия 6, 15 передаются на разные стороны мембраны тензопребразователя 10 и на мембрану тензопреобразователя 12, которые в свою очередь преобразуют напряжение мембран в электрический сигнал. При этом для обеспечения работоспособности датчика жесткость защитной мембраны 20 выбрана таким образом, что ее деформация суммарно с деформацией компенсационной мембраны 16 при воздействии рабочей разности давлений, не превышающей допустимые значения, не приводит к тому, что разделительные мембраны 27 или 24 «садятся» на профилированные основания 35, 36.
[61]Вариант 2. Подача давлений, при которых разность давлений превышает допустимую, например, со стороны Р1.
[62]В этом случае защитная мембрана 20 начинает прогибаться, забирая часть жидкости из зазора 37, при этом разделительная мембрана 27 «садится» на профилированное основание корпуса 35 и дальнейшее увеличение давления в полости 2 прекращается, что предохраняет тензопреобразователь 10 от разрушения.
[63]Аналогично защитная система работает при воздействии перегрузочного давления со стороны Р2.
[64]Вариант 3. Подача давления с резким фронтом, например, со стороны Р1.
[65]В этом случае давление, оказываемое мембраной 27 на электроизоляционную жидкость, передается через проточный канал 26 в защитную камеру 2, и через гидравлический дроссель 3 - в компенсационную камеру 5.
[66]Дроссель 3 ограничивает скорость нарастания давления в компенсационной камере 5, таким образом, давление между камерами 2 и 5 не может моментально выровняться, и скорость нарастания давления в компенсационной камере отстает по скорости нарастания от давления в защитной камере. При этом скорость нарастания давления в защитной камере ограничивается дросселем 28, а дроссель 6 ограничивает скорость нарастания давления в измерительной камере относительно компенсационной камеры.
[67]Поэтому при резкой подаче давления сначала прогибаются защитная и компенсационная мембраны, и только потом давление воздействует на тензопреобразователь, пройдя через систему гидравлических дросселей, что позволяет «сгладить» фронт импульса давления и приводит к тому, что рост давления в измерительной камере при резкой подаче давления отстает от роста давления в защитной камере. Кроме того, компенсационная мембрана при резком возрастании измеряемого давления прогибается, забирая часть жидкости из канала, подвергшегося перегрузке, что также ограничивает скорость нарастания давления в измерительной камере и обеспечивает дополнительную защиту тензопреобразователей от резких скачков давления.
[68]Аналогичный процесс ограничения роста давления в измерительной камере происходит и при подаче давления с резким фронтом со стороны Р2.
[69]Таким образом, предложенная конструкция датчика дифференциального и избыточного давлений обеспечивает защиту чувствительных элементов (тензопреобразователей) от воздействия как перегрузочных давлений, так и резких скачков давления.
