ИНДИКАТОР РАВЕНСТВА ДАВЛЕНИЙ ДВУХ СРЕД Российский патент 1994 года по МПК G01L7/08 

Изобретение относится к измерительной технике, к классу устройств для измерения разности величин двух высоких статических давлений с помощью упруго деформируемых элементов мембранного типа.

Изобретение может быть использовано в экспериментальных, метрологических стендах, а также в качестве высокоточного реле в системах измерения и контроля высоких давлений химических производств, установках холодильной техники, пневматических механизмах.

Существуют условия, когда высокое давление некоторой агрессивной среды, находящейся в сосуде, может быть измерено только косвенным образом, т. е. с помощью уравновешивающей системы противодавления.

Известны устройства для измерения разности давления исследуемой среды и системы противодавления, содержащие плоскую упругую мембрану, разделяющую эти среды, размещенную в корпусе так, что ее прогиб при односторонних высоких давлениях ограничивается опорными поверхности. Минимальная разность или равенство давлений двух сред в устройствах определяется по положению занимаемому мембраной. Положение мембраны контролируется, например, с помощью индуктивного преобразователя перемещений, связанного с мембраной или по сигналу замыкания мембраны и электроконтакта, расположенного изолированно в корпусе.

Недостатками известных устройств является то, что они сложны по конструкции, требуют использования дополнительной специальной аппаратуры. В процессе эксплуатации снижается точность контроля нейтрального положения мембраны из-за ухудшения ее упругих свойств при многократных разносторонних прогиба от высоких давлений.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является индикатор равенства давлений двух сред (нуль-индикатор), содержащий плоскую упругую мембрану, разделяющую две среды, размещенные между опорными поверхностями разъемного корпуса, ограничивающими свободный прогиб мембраны электроконтактный элемент "плавающего" типа, установленный с возможностью взаимодействия с мембраной и выполненный в виде жесткого стержня с плечиками, подпружиненного внутри цилиндрической направляющей втулки, имеющей в продольном сечении ступенчатый профиль и размещенный электроизолированно в корпусе, при этом одна из упомянутых опорных поверхностей имеет вогнутый сферический профиль и расположена со стороны электроконтактного элемента, а другая - плоская. Торец направляющей втулки с выступающим рабочим концом электроконтактного стержня обращен к мембране и составляет центральную часть сферической опорной поверхности.

Под воздействием одностороннего давления исследуемой среды мембрана прогибается, замыкая и утопляя электроконтактный стержень внутрь направляющей втулки, и ложится на вогнутую опорную поверхность. При медленном увеличении противодавления мембрана отходит от опорной поверхности и размыкается с электроконтактным стержнем, который выталкивается до тех пор, пока не упрется плечиками в дно направляющей втулки. Равенство давлений двух сред фиксируется по сигналу размыкания электроконтактного элемента с мембраной, а давление исследуемой среды определяется из соотношения:
Р_и = Р_п - Р_м (t), где Р_и - давление исследуемой среды;
Р_п - противодавление;
Р_м(t) - поправка, учитывающая упругость мембраны при замыкании электроконтакта в зависимости от температуры (находится опытным путем).

Недостатки известного устройства: имеется нестабильность контроля положения мембраны, которая обусловлена тем, что при выравнивании давлений двух сред, жесткий электроконтактный стержень, упираясь плечиками в дно направляющей втулки, не всегда точно занимает свое исходное положение. Это может быть вызвано плохой чистотой сопрягаемых поверхностей дна направляющей втулки и плечиков стержня, но чаще всего попаданием между ними микрочастиц. Изменение контрольного положения электроконтактного стержня относительно мембраны приводит к искажению первоначальных показаний устройства. Дополнительно этому способствует тот факт, что мембрана под воздействием одностороннего давления исследуемой среды максимально прогибается, принимая форму вогнутой опорной поверхности, это приводит со временем к изменению ее упругости.

Расположенная со стороны электроконтактного элемента вогнутая сферическая опорная поверхность должна обрабатываться совместно с закрепленным соосно внутри корпуса торцом цилиндрической направляющей втулки, несущей электроконтактный стержень, это чрезвычайно сложно технологически, в случае несоответствия выступающего торца втулки и сферической опорной поверхности будет происходит значительная деформация центральной части мембраны, а следовательно, и снижение надежности работы устройства. Многократная деформация центральной части мембраны может привести к ее просечке, что особенно опасно при работе с агрессивной средой. Рассматриваемое устройство не имеет возможности производить настройку на необходимое взаимное расположение мембраны и электроконтактного стержня.

Целью изобретения является повышение надежности определения равенства давления двух сред за счет увеличения стабильности контроля положения мембраны, кроме того, облегчение настройки устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в индикаторе равенства давлений двух сред, содержащем плоскую упругую мембрану, размещенную между опорными поверхностями разъемного корпуса, одна из которых имеет вогнутый профиль, а другая - плоская, электроконтактный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с мембраной и размещенный вдоль оси направляющей втулки, жестко закрепленной в корпусе и электроизолированной от него, согласно изобретению, электроконтактный элемент выполнен в виде гибкого упругого стержня, плоская опорная поверхность размещена со стороны электроконтактного элемента и выполнена с центральным отверстием, кроме того, электроконтактный элемент снабжен винтом, установленным с возможностью перемещения вдоль оси направляющей втулки, а упомянутое центральное отверстие выполнено с минимальным размером, достаточным для свободого перемещения внутри него электроконтактного элемента.

Выполнение электроконтактного элемента в виде гибкого упругого стержня (волоска) позволяет исключить сопрягаемые поверхности присущие электроконтактному элементу "плавающего" типа и более стабильно контролировать положение мембраны, так как рабочий конец гибкого электроконтактного стержня в распрямленном состоянии всегда более точно будет занимать исходное положение, что способствует повышению надежности работы устройства.

Размещение плоской опорной поверхности со стороны электроконтактного элемента исключает прогиб мембраны при подаче одностороннего давления исследуемой среды, а превышение противодавления при поиске нейтрального положения мембраны, как правило, незначительно, таким образом упругие свойства мембраны сохраняются неизменными, что способствует повышению надежности работы устройства при длительной эксплуатации.

Выполнение центрального отверстия в опорной поверхности с минимальным размером, достаточным лишь для свободного перемещения электроконтактного стержня, также исключает деформацию мембраны и ее подтверждение односторонним давлением исследуемой среды. Все перечисленные факторы способствуют повышению надежности определения равенства давлений двух сред.

Перемещение электроконтактного элемента относительно мембраны с помощью винта позволяет производить настройку устройства на оптимальное значение поправки, учитывающей упругость мембраны.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и другими известными из научно-технической литературы решениями, не позволило выявить признаки, отличающие его от прототипа, что обеспечивает соответствие заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже представлен продольный разрез индикатора равенства давлений двух сред.

Индикатор содержит плоскую упругую мембрану 1, защемленную с предварительным натягом между плоской опорной поверхностью с центральным отверстием части 2 разъемного корпуса и вогнутой поверхностью части 3. Предварительный натяг мембраны обеспечивается кольцевым пазом и выступом 4, которые создают также и герметичность мембраной полости. Стяжка разъемных частей корпуса осуществляется фланцами 5. Электроконтактный элемент 6, выполнены в виде гибкого упруго стержня (волоска). Одним концом впаян в винт 7, а другим пропущен через центральное отверстие в плоской опорной поверхности для обеспечения взаимодействия с мембраной. При этом винт 7 установлен с возможностью перемещения по мелкой резьбе внутри направляющей втулки 8, выполненной в виде цилиндра, жестко закрепленного в части 2 корпуса гайкой 9 и электроизолированного от него прокладками 10 из среды. Опорные поверхности по обе стороны от мембраны ограничивают ее свободный прогиб в пределах зоны упругих деформаций. Центральная часть мембраны и рабочий конец электроконтактного стержня (волоска) залужены серебром для обеспечения надежного электроконтакта. Центральное отверстие в плоской опорной поверхности покрыто электроизоляционным слоем. Корпус 2 герметично закрывается пробкой с капилляром 11, в котором проложен электропроводник 12. Капилляр 11 соединен с электровводом 13, через который в индикатор подается противодавлением. Часть 3 разъемного корпуса снабжена штуцером 14, соединяющим индикатор с исследуемой средой.

Положение электроконтактного элемента индикатора определяется до полной сборки при максимальном давлении со стороны исследуемой среды. Для этого через штуцер 14 под мембрану подается одностороннее давление до 10 МПа из баллона, которое прижимает мембрану к плоской опорной поверхности. Затем винтом 7 к мембране плавно подводится электроконтактный стержень 6 до появления сигнала замыкания электрической цепи, после чего давление сбрасывается. Далее индикатор герметично закрывается пробкой 11 и соединяется с системой противодавления через электроввод 13. Поправка к давлению, учитывающая упругость мембраны в момент ее размыкания с электроконтактным элементом определяется опытным путем. Для этого на индикатор медленно подается противодавление до появления сигнала размыкания электрической цепи. Значение противодавления в момент размыкания фиксируется микроманометром. Зависимость полученной поправки от температуры определяется аналогичными замерами при размещении индикатора в термостате с изменяющейся температурой, причем штуцер 14 всегда должен быть соединен с атмосферой. По полученным замерам определяется зависимость поправки к давлению, учитывающей упругость мембраны от температуры в момент размыкания электрической цепи, которая может быть выражена в графической форме.

Индикатор работает следующим образом. Через штуцер 14 индикатор соединен с системой, содержащей исследуемую среду. Давление Р_и мембрана прижата к плоской опорной поверхности. Электроконтактный стержень замкнут с мембраной 1. Через электроввод 13 подается противодавление до тех пор, пока мембрана 1 не сойдет от плоской опорной поверхности и распрямившегося электроконтактного стержня 6. Электрическая цепь разомкнется. Далее противодавление медленно сбрасывается и при новом замыкании электрической цепи фиксируется грузопоршневым манометром.

Давление исследуемой среды определяется из соотношения
Р_и = Р_п - Р_м (t), где Р_и - давление исследуемой среды;
Р_п - противодавление;
Р_и(t) - поправка к давлению, учитывающая зависимость упругости мембраны от температуры в момент размыкания электрической цепи.

Таким образом, использование заявляемого устройства в сравнении с прототипом позволит повысить качество и надежность измерений давления исследуемой среды и снизить погрешность определения равенства давлений двух сред до уровня, близкого к пределу чувствительности, который в устройствах достигал значения ±10-20 Па. В процессе длительной эксплуатации индикатора обеспечивается сохранение высокого уровня стабильности контроля положения мембраны. Изменение профиля опорных поверхностей и применение нового типа электроконтактного элемента упрощает конструкцию и улучшает технологичность изготовления предлагаемого индикатора равенства давлений двух сред. (56) Лавреченко Г. К. , Валякин В. Н. Исследование фазовых равновесий в трехкомпонентных растворах хладагента с областью несмесимости в жидких фазах "Холодильная техника и технология". Респ. межвуз. научно-техн. сборник, 1985, вып. 40, с. 46-53, рис. 3.

Использование: экспериментальные, метрологические стенды, высокоточные реле в системах высокого давления химических производств, холодильных установок, пневматических механизмов. Сущность изобретения: индикатор содержит плоскую упругую мембрану 1, размещенную между опорными поверхностями частей 2 и 3 разъемного корпуса, причем опорная поверхность части 2 плоская, а части 3 вогнутая. Электроконтактный элемент 6 выполнен в виде гибкого упругого стержня, снабженного винтом 7 и пропущенного через центральное отверстие в плоской опорной поверхности для взаимодействия с мембраной. Винт 7 может перемещаться внутри цилиндрической втулки 8, жестко закрепленной в части 2 гайкой 9 и электроизолированной от нее прокладками 10. Корпус герметично закрыт пробкой с капилляром 11, в котором проложен электропроводник 12. Капилляр 11 соединен с электровводом 13 для подачи в индикатор противодавления и вывода электроконтактной цепи. Через штуцер 14 индикатор присоединяется к системе с исследуемой средой. Давлением исследуемой среды мембрана прижимается к плоской опорной поверхности и замыкается с электроконтактным стрежнем. При подаче противодавления мембрана отходит от плоской опорной поверхности и распрямившегося электроконтактного стрежня. Электрическая цепь разрывается. Противодавление медленно сбрасывается и фиксируется в момент нового замыкания электрической цепи. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ИНДИКАТОР РАВЕНСТВА ДАВЛЕНИЙ ДВУХ СРЕД, содержащий плоскую упругую мембрану, размещенную между плоской и вогнутой опорными поверхностями разъемного корпуса, и электроконтактный элемент, установленный в направляющей втулке с возможностью механического взаимодействия с мембраной, при этом направляющая втулка жестко закреплена в корпусе и электрически изолирована от него, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, электроконтактный элемент выполнен в виде гибкого упругого стержня, связанного одним концом с корпусом, а плоская опорная поверхность корпуса расположена со стороны электроконтактного элемента и выполнена с центральным отверстием с возможностью перемещения в нем электроконтактного элемента. 2. Индикатор по п. 1, отличающийся тем, что связь упругого стержня с корпусом осуществлена через введенный винт, установленный соосно с направляющей втулкой, внутри нее, а направляющая втулка выполнена с резьбой.