Дифференциальный датчик давления

Дифференциальный датчик давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах измерения малых перепадов давления газовых сред с помощью гибкой диафрагмы.

В связи с необходимостью создания портативных микроманометров на сегодняшний день существует проблема миниатюризации дифференциальных датчиков давления.

Известен дифференциальный датчик давления, содержащий корпус, выполненный в виде двух деталей с центральным отверстием, стянутых с помощью крепежных элементов, и плоскую натянутую мембрану, установленную между деталями корпуса и закрепленную по периферии (А.с. СССР №537272, 1976 г., МКИ G01L 7/08). Зажимные кольца этого датчика, натягивающие мембрану, выполнены в виде тора, срезанного снаружи по конусу, а детали корпуса снабжены упорами. Во время стягивания деталей корпуса крепежными элементами точка контакта торовой поверхности зажимного кольца с мембраной перемещается по радиусу, вызывая равномерное натяжение мембраны, что обеспечивает стабильность упругих свойств натянутой мембраны.

Недостатками конструкции этого датчика являются неповторяемость степени натяжения мембраны от датчика к датчику и неравномерность натяжения мембраны из-за возможного ее проскальзывания между двумя торовыми поверхностями зажимных колец в начальный момент стягивания, а также трудоемкость изготовления зажимных колец сложной формы и, следовательно, дороговизна датчика. Эти недостатки возрастают с уменьшением размеров датчика. Кроме того, место соединения двух корпусных деталей и мембраны требует герметизации.

Известен мембранный узел датчика давления, содержащий корпус с упругой мембраной, закрепленной внутри корпуса (патент РФ №2280242, 2006 г., МПК G01L 7/08). Он содержит регулировочное устройство для изменения жесткости мембраны. Сложность и громоздкость устройства исключают возможность миниатюризации такого датчика давления.

Известен дифференциальный датчик давления, содержащий мембрану и корпус, выполненный в виде двух плоских кольцеобразных деталей с центральным отверстием и кольцевыми выступами по периферии, обращенными к мембране, установленной между деталями корпуса, и сжимающие корпус элементы, в центральном отверстии корпуса установлены преобразователи перемещения, преобразующие отклонение мембраны в электрический сигнал и соединенные с измерительной схемой (патент РФ на полезную модель №29777, 2003 г., МПК G01L 7/08 - наиболее близкий аналог). В этом датчике простой конструкции за счет наличия плоских кольцевых выступов по периферии деталей корпуса при приложении сжимающего корпус усилия мембрана равномерно зажимается по окружности и натягивается. Натяжение мембраны происходит за счет эксцентриситета прилагаемой к крепежным элементам силы и реакции опоры в месте кольцевых выступов. Крепежные элементы расположены между кольцевыми выступами плоских кольцеобразных деталей корпуса и центральным отверстием корпуса, для чего в мембране и корпусе выполнены отверстия под крепежные элементы. За счет очень малой высоты (сотые доли мм) периферийных кольцевых выступов плоских кольцеобразных деталей корпуса натянутая мембрана под воздействием продолжающих сжимать корпус усилий оказывается защемленной краями центральных отверстий деталей корпуса, при этом фиксируется диаметр рабочей части мембраны, равный диаметру центрального отверстия корпуса.

Недостатки конструкции. В этом датчике рабочей является не вся площадь мембраны, а только ее центральная часть. При уменьшении размеров датчика уменьшается и рабочая часть мембраны, что ухудшает метрологические характеристики датчика. Наличие в мембране отверстий приводит к неравномерности натяжения рабочей части мембраны. Защемление мембраны краями центральных отверстий деталей корпуса происходит неравномерно, что требует дополнительной герметизации этих мест. Крепежные элементы, проходящие через корпус датчика и мембрану, при попытке пропорционального уменьшения их размеров и размеров корпуса датчика теряют свои прочностные свойства и не могут обеспечить необходимого сжимающего корпус усилия. Вследствие указанных недостатков невозможно уменьшение размеров датчика без потери его метрологических характеристик.

Задача заявляемого изобретения - миниатюризация дифференциального датчика давления.

Технический результат - увеличение рабочей части мембраны и повышение равномерности ее натяжения, упрощение герметизации датчика; сохранение метрологических характеристик и простоты конструкции датчика при уменьшении его размеров.

Этот результат достигается тем, что в дифференциальном датчике давления, содержащем мембрану и корпус, выполненный в виде двух плоских кольцеобразных деталей с центральным отверстием и кольцевыми выступами по периферии, обращенными к мембране, установленной между деталями корпуса, и сжимающие корпус элементы, при этом в центральном отверстии корпуса установлены преобразователи перемещения, преобразующие отклонение мембраны в электрический сигнал и соединенные с измерительной схемой, авторы предлагают сжимающие корпус элементы выполнить в виде двух стягиваемых внешним усилием плоских колец, установленных с внешних плоских сторон деталей корпуса соосно с ними, для подключения к источнику перепада давления в плоских кольцах сжимающих корпус элементов выполнить отверстия, а в плоских кольцеобразных деталях корпуса - пневмоканалы, при этом наружный диаметр плоских колец превышает диаметр корпуса, а внутренний диаметр равен диаметру центрального отверстия корпуса, между плоскими кольцами и деталями корпуса соосно с ними установить колечки, внутренний диаметр которых равен диаметру центрального отверстия корпуса и наружный диаметр много меньше внутреннего диаметра кольцевых выступов деталей корпуса, кольцевые выступы деталей корпуса имеют высоту, исключающую защемление мембраны краями центральных отверстий деталей корпуса при его сжатии. Колечки могут быть выполнены за одно целое с деталями корпуса или с плоскими кольцами. Плоские кольца могут быть стянуты внешним кожухом или крепежными элементами, расположенными снаружи корпуса.

Увеличение размера рабочей части мембраны и повышение равномерности ее натяжения по сравнению с прототипом достигается устранением крепежных элементов, проходящих через мембрану, и увеличением высоты кольцевых выступов. Отсутствие отверстий в мембране и исключение ее защемления краями центральных отверстий деталей корпуса при сжатии корпуса позволяют обеспечить равномерное натяжение мембраны и увеличить ее рабочую площадь, так как теперь она ограничена не внутренним диаметром центрального отверстия корпуса, как в прототипе, а внутренним диаметром кольцевого выступа детали корпуса. При этом отпала необходимость герметизации места контакта мембраны с деталями корпуса, так как усилие внешнего сжатия, действующее на мембрану, зажимает ее только по периферии, обеспечивая герметичность контактов.

Для исключения крепежных элементов, стягивающих корпус и проходящих через корпус датчика и мембрану в прототипе, и сохранения радиального натяжения мембраны авторы предлагают установить с внешних плоских сторон деталей корпуса сжимающие корпус элементы, выполненные в виде стягиваемых внешним усилием плоских колец, установленных на колечки. Наличие колечек, расположенных между корпусом и плоскими кольцами соосно с ними, обеспечивает при стягивании плоских колец внешним усилием увеличение радиальной составляющей силы, воздействующей на мембрану, за счет большего эксцентриситета (по сравнению с прототипом) между прилагаемым усилием сжатия, воздействующим на корпус через колечки, и реакцией опоры, возникающей на кольцевых выступах деталей корпуса. Это позволяет обеспечить достаточное натяжение мембраны при уменьшении диаметра корпуса и мембраны, сохраняя простоту конструкции датчика и не ухудшая его рабочих характеристик.

Использование заявляемого решения позволило сократить диаметр дифференциального датчика давления по сравнению с прототипом в 4 раза и разместить датчик при сохранении его метрологических характеристик и простоты конструкции в ручке первичного преобразователя портативного микроманометра.

На чертежах изображены два варианта датчика дифференциального давления: фиг.1 - датчик со стягивающими корпус крепежными элементами; фиг.2 - датчик со стягивающим корпус внешним кожухом.

Датчик дифференциального давления (фиг.1 и 2) содержит плоскую мембрану 1, размещенную между двумя плоскими кольцеобразными деталями 2 корпуса с центральным отверстием 3, в которое устанавливают преобразователи перемещения (например, индуктивные, емкостные и пр.) - на чертеже не показаны. Плоские кольцеобразные детали 2 корпуса со стороны мембраны 1 имеют по периферии плоские кольцевые выступы 4 (например, прямоугольного сечения), высота которых (например, более 0,5 мм) исключает защемление мембраны 1 краями центральных отверстий 3 плоских кольцеобразных деталей 2 корпуса при его стягивании. С наружных плоских сторон кольцеобразных деталей 2 корпуса на колечки 5, установленные соосно с ними, также соосно с ними установлены плоские кольца 6. Плоские кольца 6 могут иметь отверстия 7 (фиг.1) для установки снаружи корпуса крепежных элементов 8, стягивающих плоские кольца 6. Плоские кольца 6 могут быть стянуты внешним кожухом 9 (фиг.2). Для подключения к источнику перепада давления в плоских кольцеобразных деталях 2 корпуса выполнены пневмоканалы 10, а в плоских кольцах 6 - отверстия 11.

При сборке датчика крепежные элементы 8 (фиг.1) после их затягивании или внешний кожух 9 (фиг.2) после завальцовывания его краев стягивают плоские кольца 6, установленные на колечки 5. При этом возникают как усилие сжатия, действующее на плоские кольцеобразные детали 2 корпуса вблизи центрального отверстия 3 и выступов 4, зажимающих мембрану по периферии, так и реакция опоры в месте выступов 4 плоских кольцеобразных деталей 2. За счет эксцентриситета этих сил возникает радиальная составляющая, перемещающая кольцевые выступы 4 по радиусу и натягивающая мембрану 1 равномерно по окружности. После натяжения мембраны в центральное отверстие 3 устанавливают преобразователи перемещения, соединенные с измерительной схемой (не показаны), подключают к источнику перепада давления пневмоканалы 10 датчика, проходящие через отверстия 11 плоских колец 6.

Датчик дифференциального давления работает следующим образом. Измеряемое давление, подаваемое через пневмоканалы 10, воздействует на рабочую часть натянутой мембраны 1, вызывая ее отклонение от своего нейтрального положения. Это отклонение преобразователи перемещения преобразуют в электрический сигнал, по которому судят о величине перепада давления.

1. Дифференциальный датчик давления, содержащий мембрану и корпус, выполненный в виде двух плоских кольцеобразных деталей с центральным отверстием и кольцевыми выступами по периферии, обращенными к мембране, установленной между деталями корпуса, и сжимающие корпус элементы, в центральном отверстии корпуса установлены преобразователи перемещения, преобразующие отклонение мембраны в электрический сигнал и соединенные с измерительной схемой, отличающийся тем, что сжимающие корпус элементы выполнены в виде двух стягиваемых внешним усилием плоских колец, установленных с внешних плоских сторон деталей корпуса соосно с ними, для подключения к источнику перепада давления в плоских кольцах, сжимающих корпус элементов, выполнены отверстия, а в плоских кольцеобразных деталях корпуса - пневмоканалы, при этом наружный диаметр плоских колец превышает диаметр корпуса, а внутренний диаметр равен диаметру центрального отверстия корпуса, между плоскими кольцами и деталями корпуса соосно с ними установлены колечки, внутренний диаметр которых равен диаметру центрального отверстия корпуса и наружный диаметр много меньше внутреннего диаметра кольцевых выступов деталей корпуса, кольцевые выступы деталей корпуса имеют высоту, исключающую защемление мембраны краями центральных отверстий деталей корпуса при его сжатии.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что колечки выполнены за одно целое с деталями корпуса или с плоскими кольцами.

3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что плоские кольца стянуты внешним кожухом или крепежными элементами, расположенными снаружи корпуса.