Полупроводниковый преобразователь гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления агрессивных жидких сред. Цель - создание полупроводникового преобразователя гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред, погружаемого в измеряемую среду и позволяющего обеспечить высокую коррозионную стойкость в агрессивных жидких средах, а также повысить его эксплуатационную надежность. Сущность изобретения: в преобразователе давления разделительная мембрана 8 выполнена съемной из фторопластовой пленки и поджата к корпусу 6 прижимной гайкой 10 через уплотнительное кольцо 9, при этом между кремниевой 1 и разделительной 8 мембранами расположена разделительная среда 7, выполненная из последовательно расположенных слоя силиконового геля и слоя силиконового масла, а корпус 6 снабжен металлическим стаканом 11, навинченным на него со стороны разделительной мембраны 8. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления агрессивных жидких сред.

Известен датчик давления, содержащий полупроводниковую мембрану с тензорезисторами, вмонтированную в корпус, и металлическую гофрированную мембрану, приваренную по ее торцу к корпусу, объем между мембранами заполнен силиконовым маслом [1] Известная конструкция датчика давления обладает рядом недостатков, к которым относятся: сложность изготовления датчика с металлической мембраной со стабильными свойствами на все время его эксплуатации, так как металлическая мембрана подвергается воздействию высокой температуры в процессе ее закрепления к корпусу путем сварки или пайки, в результате чего происходит нарушение упругих свойств материала, из которого выполнена мембрана; и относительно высокая трудоемкость процедуры заполнения объема между мембранами силиконовым маслом, для чего использована система с двумя шариковыми или игольчатыми клапанами, что приводит к существенному удорожанию конструкции датчика.

Известен датчик давления, содержащий металлическую мембрану, закрепленную корпусом и опорным кольцом, штуцер с элементами натяжения защитной металлической мембраны, измерительный модуль, полупроводниковую мембрану с тензорезисторами, элементы балансировки и термокомпенсации, разъем. С внутренней стороны металлической мембраны нанесен слой полиорганического силоксана, который покрывает торец измерительного модуля и полупроводниковой мембраны [2] Известный датчик давления обладает следующими недостатками: замкнутый объем полиорганического силоксана между двумя мембранами и корпусом датчика вызовет резкое увеличение дополнительной погрешности датчика за счет изменения объема силоксана в диапазоне рабочих температур; технологический разброс толщины наносимого слоя силоксана между мембранами в различных образцах датчиков приведет к значительным колебаниям значений дополнительной погрешности в соответствующих образцах, что весьма затрудняет достижение требуемых значений дополнительной погрешности датчиков в условиях серийного производства.

Известен полупроводниковый датчик давления, который выбран в качестве прототипа [3] Известный полупроводниковый датчик давления содержит металлический корпус, выполненную за одно целое с корпусом разделительную мембрану и расположенную соосно с ней полупроводниковую мембрану с тензорезисторами, опорное стеклянное кольцо и стеклянный стержень, при этом стеклянное кольцо закреплено между корпусом и периферийной частью полупроводниковой мембраны, а стержень между центром разделительной мембраны и центральной жесткой частью полупроводниковой мембраны.

Одним из основных недостатков известного датчика является то, что используемые в качестве разделительной мембраны материалы, в том числе и нержавеющая сталь, практически не выдерживают коррозионного воздействия агрессивной среды.

Другим недостатком известной конструкции является опасность нарастания на датчике биологических волокон, которые существенно снижают его метрологические характеристики, в результате чего требуется частая профилактика с метрологической проверкой, так как в результате очистки разделительной мембраны от биологических волокон может произойти ее деформация.

Все перечисленные недостатки известной конструкции в значительной мере влияют и на сокращение срока службы датчика.

Задача предлагаемого технического решения направлена на создание полупроводникового преобразователя гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред, погружаемого в измеряемую среду и позволяющего обеспечить высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, а также повысить его эксплуатационную надежность.

Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред, содержащем установленные в металлическом корпусе разделительную мембрану и соосно с ней кремниевую мембрану с полупроводниковыми тензорезисторами, разделительная мембрана выполнена съемной из фторопластовой пленки и поджата к корпусу введенной прижимной гайкой через введенное уплотнительное кольцо, при этом между кремниевой и разделительной мембранами расположена введенная в преобразователь разделительная среда, выполненная из последовательно расположенных слоя силиконового геля и слоя силиконового масла, а корпус снабжен металлическим стаканом, навинченным на него со стороны разделительной мембраны.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются: съемная разделительная мембрана из фторопластовой пленки, прижимная гайка, уплотнительное кольцо, разделительная среда, выполненная из последовательно расположенных слоя силикатного геля и слоя силиконового масла, а также металлический стакан, навинченный на корпус со стороны разделительной мембраны.

Выполнение разделительной мембраны съемной позволило исключить такие сложные операции, присущие прототипу, как очистка разделительной мембраны от следов коррозии в виде различных наростов, высаливаний, в том числе и нарастаний биологических волокон. В результате такой очистки мембрана подвергается механическим воздействиям, что может деформировать ее, а это в свою очередь приводит к ухудшению метрологических характеристик датчика и вызывает необходимость частой профилактики с последующей обязательной метрологической проверкой.

В отличие от прототипа, в котором разделительная мембрана выполнена за одно целое с корпусом из нержавеющей стали, в предлагаемой конструкции полупроводникового преобразователя гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред, разделительная мембрана выполнена из фторопластовой пленки, материала, который практически не подвергается коррозии и не обладает адгезией, что позволяет легко осуществлять замену разделительной мембраны, не нарушая конструкцию преобразователя.

Наносимый на поверхность силиконового геля, обладающего постоянными упругими свойствами в диапазоне рабочих температур и в течение всего срока службы, слой силиконового масла имеет по сравнению с гелем практически одинаковые температурные коэффициенты и выполняет роль контактного и уплотнительного слоя между поверхностью силиконового геля и разделительной мембраной, обеспечивая также с уплотнительным кольцом и прижимной гайкой надежную герметизацию.

Введенный в преобразователь металлический стакан, навинченный на корпус со стороны разделительной мембраны, позволил при погружении преобразователя в измеряемую среду получить дополнительную защиту разделительной мембраны от воздействия агрессивной среды в виде "воздушной подушки" между разделительной мембраной и измеряемой средой.

Таким образом, предлагаемая совокупность существенных признаков позволила создать полупроводниковый преобразователь гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред, погружаемый в измерительную среду, и обеспечить высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, а также повысить его эксплуатационную надежность.

На фиг. 1 показана измерительная часть полупроводникового преобразователя гидростатического давления; на фиг. 2 конструкция полупроводникового преобразователя гидростатического давления.

Полупроводниковый преобразователь гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред (фиг. 1 и 2) содержит кремниевую мембрану 1 с полупроводниковыми тензорезисторами, соединенными в измерительный мост, установленную на стеклянной шайбе 2, которая закреплена на втулке 3, контактную плату 4 с выводами 5. Кремниевая мембрана 1 со стеклянной шайбой 2, втулкой 3 и контактной платой 4 установлены в металлическом корпусе 6. На кремниевую мембрану 1 нанесен слой силиконового геля и слой силиконового масла, которые образуют разделительную среду 7 между кремниевой мембраной 1 и разделительной мембраной 8, выполненной из фторопластовой пленки. Разделительная мембрана 8 поджата к корпусу 6 уплотнительным кольцом 9 с помощью прижимной гайки 10. Металлический корпус 6 снабжен специальным металлическим стаканом 11, навинченным на него со стороны разделительной мембраны 8 с помощью уплотнительного кольца 12, обеспечивающего надежную герметизацию. Внутри металлического стакана 11 формируется дополнительная разделительная среда 13 в виде "воздушной подушки" между разделительной мембраной 8 и измеряемой средой. Металлический корпус 6 герметически соединен с металлическим кожухом 14, выполненным в виде стальной трубы, внутри которой размещен электронный блок вторичного преобразователя (на чертеже не показан). На верхнюю часть кожуха 14 герметично устанавливается сальник 15, через который проходит соединительный кабель 16.

Полупроводниковый преобразователь гидростатического давления работает следующим образом: В рабочем состоянии предлагаемый преобразователь гидростатического давления должен устанавливаться вертикально металлическим стаканам 11 вниз, погружаемым в измеряемую среду.

Преобразователь погружают в измеряемую жидкую среду и жестко фиксируют его положение. При погружении преобразователя в жидкую среду в металлическом стакане 11 происходит формирование "воздушной подушки", которая является дополнительной разделительной средой 13 между измеряемой средой и разделительной мембраной 8.

Измеряемое давление P_изм. агрессивных жидких сред подается на преобразователь гидростатического давления со стороны разделительной мембраны 8. Измерение уровня жидкости преобразуется в изменение давления на разделительной мембране 8 через "воздушную подушку" 13 и через упругую плотную разделительную среду 7, образованную слоями силиконового геля и силиконового масла, подается на кремниевую мембрану 1 без искажений и потерь, вызывая соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, соединенных по схеме моста Уитстона. Атмосферное давление P_атм. подается через кабель 16 и кожух 14 на обратную поверхность кремниевой мембраны 1.

Появляющаяся разница давлений между P_изм. и P_атм. вызывает изменение сигнала на выходе моста Уитстона, которое с помощью электронного блока, размещенного в металлическом кожухе 14, усиливается, нормируется, температурно-компенсируется и подается на выход в виде гостовского аналогового токового или потенциального выходного сигнала.

Таким образом, предлагаемая конструкция преобразователя позволила обеспечить высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, а также повысить его эксплуатационную надежность.

Источники информации, принятые во внимание: 1. US, патент N 4303903, кл. H 01 L 10/10, 1981.

2. SU, авторское свидетельство N 1760411, кл. G 01 L 9/04, 1992.

3. SU, авторское свидетельство N 1583768, кл. G 01 L 9/04, 1990.

Формула изобретения

Полупроводниковый преобразователь гидростатического давления для коррозионно-активных жидких сред, содержащий установленные в металлическом корпусе разделительную мембрану и соосно с ней кремниевую мембрану с полупроводниковыми тензорезисторами, отличающийся тем, что в нем разделительная мембрана выполнена съемной из фторопластовой пленки и поджата к корпусу введенной прижимной гайкой через введенное уплотнительное кольцо, при этом между кремниевой и разделительной мембранами расположена введенная в преобразователь разделительная среда, выполненная из последовательно расположенных слоя силиконового геля и слоя силиконового масла, а корпус снабжен металлическим стаканом, навинченным на него со стороны разделительной мембраны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2