Датчик давления

 

Использование: измерительная техника, измерение гидростатического давления. Сущность изобретения: избыточное давление воздействует на дно, герметично связанное с корпусом через сильфон. Шток жестко связан с дном и мембраной, которую деформирует. Мембрана связана с преобразователем деформаций в выходной сигнал, и ее площадь S_м связана с эффективной площадью S_сф сильфона соотношением: S_сф>1/4S_м . 1 ил.

Изобретение относится к области измерения давления и, в частности, гидростатического давления, величина которого определяет значение уровня жидкости.

Известны датчики давления, действие которых основано на измерении деформации упругого элемента, воспринимающего измеряемое давление. Упругие элементы, обычно используемые в датчиках давления, - мембраны, сильфоны, манометрические трубчатые пружины и т.п. В этих датчиках деформация упругого элемента с помощью преобразователя трансформируется в сигнал в форме, удобной для дальнейшего преобразования, обработки и хранения.

Например, в измерителе давления - манометре [1] чувствительным элементом давления является мембрана, защемленная по краям. Преобразователем деформации мембраны (перемещения центра мембраны) является ленточная пружина, к центральной части которой прикреплена стрелка с ползунком потенциометра. При воздействии давления на мембрану центр ее перемещается, ленточная пружина раскручивается и ползунок стрелки движется по потенциометру. Величина изменения сопротивления потенциометра является мерой измеряемого давления.

К основным недостаткам этих датчиков давления относится значительный гистерезис выходного сигнала датчика за счет трения в кинематической схеме преобразователя перемещений центра мембраны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь давления измерительный вибростержневой частотный типа ПДВ [2] (в дальнейшем преобразователь).

В этом устройстве в качестве чувствительного элемента используется мембрана, которая воспринимает измеряемое давление. На мембране размещен преобразователь деформаций мембраны в электрический сигнал, содержащий плоскую перемычку, натянутую между двумя кронштейнами, возбудитель, электромагнитный адаптер и усилитель. Кронштейны установлены на мембране по ее диаметру на равном расстоянии от центра. Для исключения люфтов в соединениях и уменьшения гистерезиса перемычка и кронштейны выполнены за одно целое с мембраной. Все узлы (кроме мембраны) заключены в герметичный корпус.

Возбуждение и поддержание колебаний перемычки, выполняющей функцию резонатора, обеспечивается возбудителем и электромагнитным адаптером, установленным по обе стороны плоской перемычки. Усилитель поддерживает колебания перемычки в режиме автоколебаний. При изменении давления мембрана прогибается (деформируется), кронштейны несколько расходятся и натяжение перемычки увеличивается, тем самым увеличивается частота механических колебаний перемычки и, соответственно, увеличивается выходная частота преобразователя. Таким образом, значение частоты следования электpических импульсов устройства является мерой величины давления.

Основным недостатком преобразователя, описанного выше, является его низкая чувствительность по давлению (далее чувствительность). Для повышения чувствительности необходимо уменьшить жесткость мембраны, а это приводит к потере жесткости системы, состоящей из чувствительного элемента - мембраны и вибрационной системы - кронштейнов и перемычки. По этой причине преобразователи давления типа ПДВ [2] имеют минимальное значение верхнего предела измерения, равное 1 МПа (или примерно 100 м вод.ст.). При рабочем диапазоне измерения частоты колебаний перемычки порядка 1000 Гц для всех диапазонов измерения давления максимальное значение чувствительности датчика по давлению составляет 10 Гц/м вод.ст. При увеличении значения верхнего предела измерения давления чувствительность преобразователя соответственно снижается.

Поскольку колебания уровня воды в естественных водоемах (реки, озера, моря) обычно не превышает 10 м, выпускаемые промышленностью преобразователи давления типа ПДВ не обеспечивают в ряде случаев необходимой чувствительности по давлению.

Целью изобретения является повышение чувствительности по давлению путем увеличения деформации мембраны от измеряемого давления за счет концентрации воздействующего на мембрану усилия, При этом жесткость мембраны не уменьшается и обеспечивается измерение давления практически в любых малых диапазонах давления.

Цель достигается тем, что в предлагаемом датчике давления, содержащем установленные в герметичном корпусе с дном чувствительный элемент в виде мембраны и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, дополнительно введены шток и сильфон, через который дно герметично соединено с корпусом, при этом мембрана и сильфон установлены коаксиально, шток жестко закреплен на центрах дна и мембраны, а эффективная площадь сильфона S_сф и площадь мембраны S_м связаны между собой соотношением: S_сф> S_м (1) Таким образом, предлагается воздействие на мембрану давления заменить на воздействие усилия, приложенного к центру мембраны.

В этом случае, изменяя эффективную площадь сильфона, воспринимающего измеряемое давление, можно изменить чувствительность датчика по давлению.

Действительно, прогиб центра плоской круглой мембраны, характеризующий деформацию мембраны, от воздействующего на мембрану давления Р определяется выражением ω_o= , (2) где ω_o - прогиб центра мембраны; μ - коэффициент Пуассона; R - радиус мембраны; E - модуль упругости материала мембраны; h - толщина мембраны.

Учитывая, что для металла коэффициент Пуассона μ = 0,3, получаем следующее расчетное выражение для прогиба центра мембраны от давления: ω_o= 0,17 (2^I) С другой стороны, прогиб центра плоской круглой мембраны от усилия F, приложенного в центре мембраны перпендикулярно к ее плоскости, определяется выражением
ω_o= 0,68 (3)
Таким образом, если давление Р, воздействующее на круглую мембрану радиуса R, сконцентрировать и приложить к центру мембраны, то возникает усилие, равное
F=Pπ R², (4) которое вызовет перемещение центра мембраны на величину
= 0,68 = 0,68 (5) (что получается после подстановки выражения (4) в формулу (3)).

Сопоставляя выражения (2^I) и (5), видим, что прогиб от давления Р, воздействующего на круглую плоскую мембрану, в 4 раза меньше, чем прогиб той же мембраны от усилия, возникающего при воздействии давления Р и приложенного к центру мембраны.

Поэтому, если коаксиально с мембраной установить сильфон, воспринимающий измеряемое давление, через который дно герметично соединено с корпусом, а центр мембраны и центр дна жестко соединить штоком, то при равенстве площади измерительной мембраны S_м = π R² и эффективной площади сильфона S_сф (S_м = S_сф) прогиб центра мембраны будет в 4 раза больше, чем при восприятии измеряемого давления непосредственно мембpаной. В этом случае для получения того же значения выходного сигнала от преобразователя деформаций мембраны, который возникает у прототипа от давления Р, достаточно приложить в предлагаемом устройстве давление в 4 раза меньшее, что соответствует увеличению чувствительности датчика также в 4 раза.

Изменяя величину эффективной площади сильфона S_сф (по отношению к площади мембраны S_м) можно увеличить чувствительность датчика на необходимую величину. Так, при S_сф = 2S_м (или при среднем радиусе сильфона R_сф = 1,4 R_м) чувствительность предлагаемого датчика будет в 8 раз выше, чем у прототипа.

На чертеже показана схема предлагаемого датчика давления.

Датчик давления содержит чувствительный элемент в виде мембраны 1 и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, который выполнен в виде двух кронштейнов 2 и 3, установленных по диаметру вибрационной перемычки 4, натянутой между кронштейнами 2 и 3, возбудителя 5, электромагнитного адаптера 6 и усилителя 7. Мембрана и все элементы преобразователя деформаций мембраны размещены в герметичном корпусе 8 с крышкой 9 и дном 10. Для обеспечения стабильности работы датчика и уменьшения гистерезиса его показаний мембрана 1, кронштейны 2 и 3, перемычка 4 и корпус 8 выполнены за одно целое.

В герметичном корпусе 8 с дном 10 коаксиально с мембраной 1 установлены сильфон 11, через который дно герметично соединено с корпусом, и шток 12, жестко закрепленный на центрах дна и мембраны, при этом эффективная площадь сильфона S_сф и площадь мембраны S_м связаны между собой соотношением S_сф> S_м.

Преобразователь деформаций мембраны электрически соединен с измерительной системой, обеспечивающей вторичное преобразование выходного сигнала преобразователя, индикацию и регистрацию показаний датчика. Измерительная система на схеме не показана.

Датчик давления работает следующим образом.

При воздействии измеряемого давления Р на сильфон 11 на центр мембраны 1 с помощью штока 12 подается усилие F, равное величине PS_сф, где S_сф - эффективная площадь сильфона 11. Усилие F деформирует мембрану 1, при этом кронштейны 2 и 3 расходятся друг от друга, натягивая вибрационную перемычку 4.

Возбудитель 5 колебаний, электромагнитный адаптер 6 и усилитель 7 поддерживают вибрационную перемычку 4 в режиме автоколебаний, при этом частота колебаний f перемычки связана с величиной измеряемого давления Р выражением
f = A, (6) где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров датчика.

При равенстве эффективной площади сильфона 11 S_сф и площади мембраны 1 S_м, согласно формулам (2¹) и (5) перемещение центра мембраны от давления будет в 4 раза больше, чем для случая, когда давление Р воспринимается непосредственно мембраной 1. Это позволяет в 4 раза уменьшить эффективную площадь сильфона 11, но при этом получить такое же перемещение центра мембраны 1, какое имеется у прототипа. В свою очередь, это означает, что при условии равенства S_сф = S_мчувствительность датчика по давлению увеличивается в 4 раза по сравнению с чувствительностью прототипа.

Следовательно, при условии S_сф> S_м чувствительность датчика по давлению будет выше чувствительности прототипа и можно уменьшить, соответственно, величину верхнего предела диапазона измерения давления. Таким образом, с помощью предлагаемого датчика возможно измерение с высокой точностью колебаний уровня воды с диапазоном 10 м вод.ст. и менее. Существующие преобразователи давления типа ПДВ такой возможности обеспечить не могут.

Формула изобретения

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий установленные в герметичном корпусе с дном чувствительный элемент в виде мембраны и преобразователь деформаций мембраны в выходной сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности к изменению давления, в него введены шток и сильфон, через который дно герметично соединено с корпусом, при этом мембрана и сильфон установлены коаксиально, шток жестко закреплен на центрах дна и мембраны, а эффективная площадь сильфона S_сф и площадь мембраны S_м связаны между собой соотношением
S_сф > 1/4 S_м.

РИСУНКИ

Рисунок 1