Датчик динамического давления и элемент, чувствительный к давлению

Датчик динамического давления и элемент, чувствительный к давлению

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к датчику давления или к элементу, чувствительному к давлению, с датчиком давления, предназначенному для регистрации давления среды. Эти датчики давления, в которых используется герметичная разделительная мембрана, или диафрагма, называют также медиаторами давления или промежуточными элементами для замера давления. Такие датчики давления включают в свой состав корпус датчика давления и разделительную мембрану, или перегородку. Разделительная мембрана крепится к корпусу датчика давления, образуя напорную камеру, расположенную между верхней поверхностью корпуса датчика давления и разделительной мембраной. Кроме того, имеется также напорный канал, сообщающийся с напорной камерой, в котором находится жидкость, передающая давление и обеспечивающая нагружение измерительного элемента за счет воздействия на него давления, превалирующего в напорной камере. В зависимости от того, в какой степени датчик давления конструктивно объединен в одно целое с элементом, чувствительным к давлению, или его измерительным элементом, напорный канал может проходить вплоть до камеры измерительного элемента и выходить внутрь нее. В том случае, если датчик давления располагается отдельно от элемента, чувствительного к давлению, к напорному каналу подводится капиллярная линия. Проходит эта капиллярная линия к элементу, чувствительному к давлению.

Когда в процессе проведения измерений наблюдается резкое повышение давления среды, происходит вытеснение жидкости, передающей давление, из напорной камеры в напорный канал. При этом жидкость, передающая давление, стремится с высокой скоростью перетечь из напорной камеры через узкое входное отверстие в напорный канал. Вследствие эффекта Вентури может при этом наблюдаться настолько существенное понижение давления в зоне входного отверстия, что произойдет местное присасывание разделительной мембраны к своему основанию на участке, непосредственно прилегающем к входному отверстию, и тогда мембрана перекроет собой входное отверстие. Измерение давления в таком состоянии становится более невозможным, поскольку прекращается сообщение между напорной камерой и измерительным элементом, осуществляющим замер давления. В том случае, когда входное отверстие напорного канала выполняют таким образом, чтобы оно сходилось на конус, такое же очертание приобретает также и разделительная мембрана, причем указанный эффект усиливается, потому что по мере приближения разделительной мембраны к напорному каналу образуется своего рода кольцевой канал между разделительной мембраной и напорным каналом в зоне расположения входного отверстия, при этом площадь проходного сечения, доступная для потока жидкости, становится тем меньше, чем ближе располагается разделительная мембрана к входному отверстию. Результирующий эффект выражается в возникновении положительной обратной связи с эффектом Вентури.

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании датчика давления, обладающего улучшенной динамической характеристикой.

Указанная задача решается с помощью датчика давления, выполненного в соответствии с независимым пунктом 1 формулы изобретения.

Датчик давления, согласно настоящему изобретению, включает в свой состав:

корпус датчика давления;

разделительную мембрану, крепящуюся к корпусу датчика давления таким образом, чтобы образовалась напорная камера, расположенная между верхней поверхностью корпуса датчика давления и разделительной мембраной;

первый напорный канал, который проходит между первым отверстием в напорной камере и общим путем передачи давления, и второй напорный канал, который проходит между вторым отверстием в напорной камере и общим путем передачи давления, при этом второй напорный канал обладает другими гидравлическими свойствами по сравнению с первым напорным каналом высокого давления.

К этим гидравлическим свойствам относятся гидродинамическое сопротивление и/или гидравлическая емкость первого или второго напорных каналов в зависимости от соответствующих обстоятельств.

Гидродинамическое сопротивление определяется как величина перепада давления при определенном значении объемного расхода при прохождении потока жидкости по тому или иному напорному каналу. Сопутствующим обстоятельством является в данном случае то, что при повышении давления среды возникает зависимость скорости течения жидкости по напорным каналам от гидродинамического сопротивления.

Гидравлическая емкость определяется как мера той массы жидкости, передающей давление, которая может быть размещена в том или ином напорном канале, в функции от воздействующего на нее давления. В связи с тем, что жидкость, передающая давление, обладает таким качеством, как сжимаемость, гидравлическая емкость представляет собой функцию постоянного внутреннего объема соответствующего напорного канала. Кроме того, напорный канал может иметь более высокую гидравлическую емкость благодаря обеспечению для него переменного объема. При этом переменный объем напорного канала может быть, например, обеспечен за счет применения упруго сжимаемых или деформируемых тел, например, соответствующего наполняющего тела или сильфона. Следовательно, скорость движения жидкости, передающей давление, на входе в напорные каналы может зависеть в случае повышения давления также и от гидравлической емкости соответствующего напорного канала.

Поскольку разность между коэффициентами теплового расширения для обычных жидкостей, используемых для передачи давления, и коэффициентами теплового расширения для обычных материалов, из которых изготавливаются датчики давления, может в действительности быть довольно значительной, то и сама возможность избирательного увеличения объема с целью обеспечения большей гидравлической емкости должна будет рассматриваться только в тех случаях, когда не ожидается возникновение каких-либо существенных температурных колебаний. Однако это ограничение неприменимо к регулированию гидродинамических сопротивлений.

Разные гидравлические свойства этих двух напорных каналов дают следующий эффект. По причине имеющихся различий в гидравлических свойствах весьма маловероятно, чтобы сразу в обоих напорных каналах одновременно возникли в случае резкого повышения давления в точности такие условия в зоне расположения их входных отверстий, при которых разделительные мембраны испытывают на себе достаточное всасывающее воздействие сразу в указанных двух участках в связи с возникновением там эффекта Вентури для того, чтобы перекрылись одновременно оба эти канала. Когда, например, вследствие возникновения эффекта Вентури перекрывается первый напорный канал, то тогда давление в этом первом напорном канале все же еще продолжает возрастать благодаря тому, что он сообщается со вторым напорным каналом, в связи с чем по истечении некоторого промежутка времени первый напорный канал вновь открывается, и по нему снова может передаваться давление. Теоретически, могут происходить колебания, при которых входное отверстие первого напорного канала попеременно находится то в перекрытом, то в открытом состоянии, либо входные отверстия первого и второго напорных каналов перекрываются поочередно, однако, в принципе, всегда какой-то один из этих каналов будет находиться в открытом состоянии, благодаря чему и обеспечивается непрерывная передача давления между напорной камерой и общим путем передачи давления.

По этому общему пути передачи давления происходит передача давления от места слияния первого напорного канала со вторым напорным каналом вплоть до самого выхода оттуда в измерительный элемент, осуществляющий замер давления, либо в соответствующий гидравлический регулятор. Такой общий путь передачи давления может, например, представлять собой еще один участок напорного канала, предусмотренный в корпусе датчика давления, вместе с соответствующими составными частями конструкции, присоединенными к нему, к примеру, такими как капиллярная линия или камера измерительного элемента. Когда, например, датчик давления конструктивно объединен в одно целое с измерительным механизмом элемента, чувствительного к давлению, то тогда может случиться и так, что место слияния первого напорного канала и второго напорного канала, обеспечивающего проведение измерений, будет находиться непосредственно в самой камере измерительного элемента. В этом случае, общий путь передачи давления будет включать в себя, по существу, только лишь камеру измерительного элемента.

Разное гидравлическое сопротивление может быть обеспечено посредством соответствующего изменения длины соответствующего напорного канала и/или диаметра этого канала.

Например, первый напорный канал и второй напорный канал могут быть выполнены каждый в виде внутреннего канала, особенно, в виде аксиального канала, проходящего из напорной камеры через корпус датчика давления, причем эти аксиальные внутренние напорные каналы затем различными путями сообщаются друг с другом, далее образуя при этом общий путь передачи давления.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первый напорный канал, выполненный в виде аксиального внутреннего канала, находится на одной прямой линии с аксиальным внутренним каналом общего пути передачи давления, т.е. первый внутренний канал, представляющий собой первый напорный канал, переходит непосредственно в общий канал передачи давления, тогда как линия сопротивления проходит между смещенными друг относительно друга в поперечном направлении аксиальным внутренним каналом, представляющим собой второй напорный канал, и аксиальным внутренним каналом общего пути передачи давления. Разность в гидродинамическом сопротивлении первого и второго каналов, по существу, определяется длиной и диаметром этой линии сопротивления. Предпочтительно, чтобы указанная линия сопротивления имела меньший диаметр, чем упомянутые аксиальные внутренние каналы, представляющие собой напорные каналы.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предусматривается наличие отдельных линий сопротивления, проходящих между первым напорным каналом, выполненным в виде аксиального внутреннего канала, и внутренним каналом общего пути передачи давления, а также между вторым напорным каналом, выполненным в виде аксиального внутреннего канала, и внутренним каналом общего пути передачи давления, причем эти линии сопротивления имеют разную длину.

Кроме того, линия сопротивления может быть, например, выполнена в корпусе датчика давления в виде внутреннего канала, в частности поперечного внутреннего канала, и этот внутренний канал может, например, также служить и для заправки датчика давления соответствующей жидкостью, передающей давление. В равной степени, корпус датчика давления может быть выполнен в виде некоторого множества, в частности двух, соединяемых между собой частей, при этом линии сопротивления формируются на одной из поверхностей или же на некотором множестве поверхностей, которые становятся затем внутренними после того как будет произведена сборка этих частей друг с другом. Формирование таких линий сопротивления может быть осуществлено, например, посредством выполнения соответствующих операций механической обработки на фрезерном или токарном станках.

Указанная задача решается также с помощью элемента, чувствительного к давлению, с измерительным элементом, осуществляющим замер давления, и датчиком давления, в котором указанный измерительный элемент, осуществляющий замер давления, выполнен с обеспечением возможности нагружения его за счет воздействия на него давления, превалирующего в напорной камере, с использованием при этом общего пути передачи давления.

Дополнительно элемент, чувствительный к давлению, содержит камеру измерительного элемента, которая образована в корпусе датчика давления, при этом указанный измерительный элемент, осуществляющий замер давления, расположен в камере измерительного элемента.

Сущность изобретения далее поясняется в следующем здесь ниже описании отдельных примеров его осуществления, показанных на прилагаемых чертежах, на которых:

фиг.1 - продольное сечение датчика давления, выполненного в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - продольное сечение датчика давления, выполненного в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - перспективный чертеж датчика давления, выполненного в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, где пунктирными линиями показаны скрытые элементы конструкции.

Датчик давления, показанный на фиг.1, включают в свой состав разделительную мембрану 1 и цилиндрический корпус 2 датчика давления, на верхней стороне которого крепится разделительная мембрана 1 таким образом, чтобы при этом образовалась напорная камера. Корпус 2 датчика давления состоит из цилиндрического корпуса 21, несущего мембрану, и цилиндрического корпуса 22 основания, которые соединяются вместе между собой своими взаимно обращенными друг к другу торцевыми поверхностями. Корпус 21, несущий мембрану, имеет на верхней своей стороне, противоположной той его стороне, которая обращена к корпусу основания, основание 23 под мембрану, которое накрывается мембраной 1. От середины основания под мембрану к нижней поверхности корпуса 2 датчика давления отходит сплошной первый аксиальный внутренний канал, первый участок 25 которого проходит через корпус 21, несущий мембрану, и образует собой первый напорный канал. Второй аксиальный внутренний канал 26 отходит со смещением в радиальном направлении относительно первого аксиального внутреннего канала от основания 23 под мембрану и проходит насквозь через весь корпус 21, несущий мембрану, вниз к поверхности раздела между корпусом, несущим мембрану, и корпусом 22 основания. На торцевой поверхности корпуса 22 основания, обращенной к корпусу 21, несущему мембрану, выполнена фрезерованием канавка 27, сообщающаяся со вторым аксиальным внутренним каналом 26 и выходящая во второй участок 24 первого аксиального внутреннего канала. Канавка 27 и второй аксиальный внутренний канал 26 вместе образуют собой второй напорный канал, причем гидродинамическое сопротивление второго напорного канала выше по сравнению с гидродинамическим сопротивлением первого напорного канала. В частности, величину гидродинамического сопротивления можно отрегулировать, подобрав соответствующим образом значение площади поперечного сечения канавки 27.

Второй участок 24 сплошного первого аксиального внутреннего канала образует собой первый участок общего пути передачи давления, продолжением которого в данном варианте осуществления настоящего изобретения служит затем соответствующая капиллярная линия 3.

В другом исполнении данного варианта осуществления настоящего изобретения вместо канавки 27 предусматривается наличие аналогичной канавки, выполненной на той торцевой поверхности корпуса 21, несущего мембрану, которая обращена в противоположную сторону относительно основания 23 под мембрану. При таком альтернативном варианте своего расположения указанная канавка проходит между первым участком 25 первого аксиального внутреннего канала и вторым аксиальным внутренним каналом 26. Этот вариант исполнения имеет преимущество в том случае, когда корпус основания имеет вращательную симметрию, потому что тогда не требуется обеспечить полное совмещение корпуса 21, несущего мембрану, с корпусом 22 основания по углу поворота при соединении их вместе между собой.

На фиг.2 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, имеющий, по существу, точно такую же конструкцию, как и рассмотренный выше первый вариант осуществления изобретения. Таким образом, корпус 102 датчика давления в данном случае также имеет корпус 121, несущий мембрану, и корпус 122 основания, которые соединяются вместе между собой, как это указывается в приведенном здесь выше описании. Кроме того, при этом предусматривается также наличие первого сплошного аксиального внутреннего канала, который имеет первый участок 125, проходящий насквозь через корпус 121, несущий мембрану, и второй участок 124, проходящий насквозь через корпус 122 основания, а также второго аксиального внутреннего канала 126, который соединен с указанным сплошным первым аксиальным внутренним каналом при помощи канавки 127, выполненной на торцевой поверхности корпуса 122 основания, которая обращена к корпусу 121, несущему мембрану. Однако, в этом случае, первый сплошной аксиальный внутренний канал находится уже не в середине основания 123 под мембрану, а проходит, вместо того, хотя и аналогичным образом, но с эксцентриситетом по отношению к основанию под мембрану. При этом первый и второй аксиальные внутренние каналы находятся на равном расстоянии от центральной оси корпуса 102 датчика давления, однако следует понимать, что эти каналы могут быть также расположены и на разных расстояниях от указанной оси. Смещение первого аксиального внутреннего канала в сторону относительно центральной оси означает, что длина хода мембраны над первым аксиальным внутренним каналом, которая зависит от давления и температуры, будет уже в меньшей степени отличаться от длины хода мембраны над вторым аксиальным внутренним каналом. Вполне естественно, что также и в этом варианте осуществления настоящего изобретения может вместо канавки 127, выполненной на торцевой поверхности корпуса 122 основания, предусматриваться наличие аналогичной канавки, выполненной на соседней с указанной поверхностью корпуса основания торцевой поверхности корпуса 121, несущего мембрану.

И, наконец, на фиг.3 показан такой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором конструкция датчика давления обеспечивает возможность простой настройки соотношения между гидродинамическими сопротивлениями каналов уже в процессе изготовления этого датчика. С этой целью, датчик давления снабжен таким корпусом 202 датчика давления, который и в данном случае также включает в свой состав корпус 222 основания и корпус 221, несущий мембрану, которые соединяются вместе между собой своими взаимно примыкающими друг к другу торцевыми поверхностями. В одной из этих взаимно примыкающих друг к другу торцевых поверхностях или же сразу в обеих указанных поверхностях выполняется кольцевая канавка 227, которая располагается соосно по отношению к корпусу 202 датчика давления и проходит по всей окружности круга. Эта канавка или же комплекс, образованный двумя совмещенными одна с другой канавками, служат в качестве линии гидравлического сопротивления. Сквозь корпус 222 основания проходит нижний аксиальный внутренний канал 224, который сообщается с кольцевой канавкой 227, т.е. этот аксиальный внутренний канал располагается на одном и том же радиусе с кольцевой канавкой и пересекает эту канавку. Нижний аксиальный внутренний канал 224 образует собой первый участок общего пути передачи давления, продолжением которого в данном варианте осуществления настоящего изобретения служит затем соответствующая капиллярная линия 203.

На верхней поверхности корпуса 221, несущего мембрану, где находится сама эта мембрана, образовано соответствующее основание 223 под мембрану, и это основание накрывается сверху указанной разделительной мембраной, которая для большей ясности на этом чертеже не показана. От основания 223 под мембрану отходят вниз проходящие насквозь через корпус, несущий мембрану, два верхних аксиальных внутренних канала 225 и 226, которые оба сообщаются с указанной кольцевой канавкой. Точное взаимное расположение этих двух внутренних каналов друг относительно друга ни в коей мере не является критическим показателем, хотя было бы, по-видимому, вполне уместно для решения указанной задачи расположить эти каналы на достаточно большом расстоянии один от другого. Максимальное расстояние между этими двумя внутренними каналами обеспечивается в том случае, когда они располагаются точно один напротив другого с выходом их в кольцевую канавку. В данном случае, когда во время проведения замеров происходит повышение давления среды, воздействующего на разделительную диафрагму, та жидкость, которая передает давление, должна будет при этом дойти до нижнего аксиального внутреннего канала 224 по двум верхним аксиальным внутренним каналам 225 и 226, а затем по кольцевой канавке 227. Действительные значения гидродинамического сопротивления для первого напорного канала и соответственно для второго напорного канала будут представлять собой в этом случае некую результирующую величину, складывающуюся из гидродинамического сопротивления верхних аксиальных внутренних каналов и гидродинамического сопротивления наикратчайшего соединения нижнего аксиального внутреннего канала 224 посредством кольцевой канавки 227.

Следовательно, подбирая соответствующим образом величину азимутального угла между корпусом 222 основания и корпусом 221, несущим мембрану, можно осуществить настройку соотношения гидродинамических сопротивлений уже в процессе сборки корпуса датчика давления. Например, как видно из чертежа, представленного на фиг.3, первый верхний аксиальный внутренний канал 225 располагается на одной прямой линии с нижним аксиальным внутренним каналом 224, тогда как второй верхний аксиальный внутренний канал смещен по отношению к нижнему аксиальному внутреннему каналу на угол в 180°. В данном случае разность между гидравлическими сопротивлениями будет максимальной. Если корпус, несущий мембрану, повернуть на угол в 90° по отношению к тому его положению, которое показано на чертеже, то тогда и указанные два верхние аксиальные внутренние канала также повернутся на угол в 90° по отношению к нижнему аксиальному внутреннему каналу, при этом в них будут наблюдаться одинаковые гидродинамические сопротивления при том условии, что эти два верхние аксиальные внутренние канала имеют одинаковый диаметр. Между этими двумя крайними ее значениями величина соотношения между гидродинамическими сопротивлениями каналов может определяться соответствующим подбором значения азимутального угла между корпусом 221, несущим мембрану, и корпусом 222 основания. Подбирая также соответствующим образом площадь поперечного сечения потока, проходящего по кольцевой канавке, предопределяют максимально возможную разность гидродинамических сопротивлений для указанных двух напорных каналов.

Во всех рассмотренных в приведенном здесь выше описании примерах, иллюстрирующих различные варианты осуществления настоящего изобретения, для лучшего понимания основополагающих принципов настоящего изобретения условно предусматривается всегда выполнять аксиальные внутренние каналы таким образом, чтобы они имели одинаковый диаметр. Естественно, что аксиальные внутренние каналы могут также выполняться и таким образом, чтобы они имели разный диаметр, благодаря чему обеспечиваются в них и разные гидродинамические сопротивления. Кроме того, внутренние каналы с этой же целью могут также быть выполнены таким образом, чтобы они проходили с отклонением от аксиального направления.

1. Датчик давления, содержащий корпус датчика давления, имеющий верхнюю поверхность; разделительную мембрану, крепящуюся к корпусу датчика давления таким образом, чтобы образовалась напорная камера, расположенная между верхней поверхностью и разделительной мембраной; первый напорный канал, который проходит между первым отверстием в напорной камере и общим путем передачи давления, и второй напорный канал, который проходит между вторым отверстием в напорной камере и общим путем передачи давления, при этом второй напорный канал выполнен с возможностью обладать другими гидравлическими свойствами по сравнению с первым напорным каналом.

2. Датчик давления по п.1, в котором гидравлические свойства включают в себя гидродинамическое сопротивление и/или гидравлическую емкость соответственно первого или второго напорных каналов.

3. Датчик давления по п.1, в котором общий путь передачи давления включает в себя капиллярную линию и/или камеру измерительного канала.

4. Датчик давления по п.1 или 2, в котором первый напорный канал и второй напорный канал выполнены каждый в виде аксиального внутреннего канала, проходящего из напорной камеры в корпус датчика давления, и в котором аксиальные внутренние каналы различными путями сообщаются друг с другом, образуя при этом общий путь передачи давления.

5. Датчик давления по п.4, в котором первый напорный канал, выполненный в виде аксиального внутреннего канала, находится на одной прямой линии с аксиальным внутренним каналом общего пути передачи давления и переходит в общий канал передачи давления, а между смещенными относительно друг друга в поперечном направлении аксиальным внутренним каналом, представляющим собой второй напорный канал, и аксиальным внутренним каналом общего пути передачи давления проходит линия сопротивления.

6. Датчик давления по п.5, в котором линия сопротивления имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем упомянутые аксиальные внутренние каналы, представляющие собой напорные каналы.

7. Датчик давления по п.4, в котором предусматривается наличие линий сопротивления, проходящих между первым напорным каналом, выполненным в виде аксиального внутреннего канала, и внутренним каналом общего пути передачи давления, а также между вторым напорным каналом, выполненным в виде аксиального внутреннего канала, и внутренним каналом общего пути передачи давления, причем эти линии сопротивления имеют разную длину.

8. Датчик давления по п.7, в котором линии сопротивления включают в себя участки кольцевого канала.

9. Датчик давления по одному из пп.1, 2, 5-8, в котором корпус датчика давления состоит, по меньшей мере, из двух частей, соединенных вместе между собой, по меньшей мере, один из напорных каналов имеет участок, сформированный на такой поверхности, которая становится внутренней поверхностью после того, как указанные части корпуса будут соединены друг с другом.

10. Датчик давления по п.9, в котором указанный участок выполняют в виде канавки посредством механической обработки на фрезерном или токарном станках.

11. Датчик давления по п.9, в котором указанный участок образует собой линию сопротивления.

12. Элемент, чувствительный к давлению, с измерительным элементом, осуществляющим замер давления, и датчиком давления в соответствии с пп.1-11, в котором указанный измерительный элемент, осуществляющий замер давления, выполнен с обеспечением возможности нагружения его за счет воздействия на него давления, превалирующего в напорной камере, с использованием при этом общего пути передачи давления.

13. Элемент по п.11, дополнительно содержащий камеру измерительного элемента, которая образована в корпусе датчика давления, при этом указанный измерительный элемент, осуществляющий замер давления, расположен в камере измерительного элемента.