ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01L7/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к датчикам давления.

Известен датчик давления, содержащий корпус, имеющий приемную полость и полость преобразователя перемещения чувствительного элемента, чувствительный элемент, состоящий из пружины и сильфона, штанги, взаимодействующие с преобразователем перемещения и с чувствительным элементом, и направляющие штанги.

Недостатком данного датчика давления является малая разрешающая способность чувствительного элемента датчика больших давлений, ограниченные функциональные возможности, сложность конструкции и недостаточная надежность отдельных элементов, сложность подбора как пружин, так и сильфонов для заданных параметров датчика [1]
Целью изобретения является создание универсального датчика давления, позволяющего снимать датчиком больших давлений с повышенной точностью малые давления и разряжения, получить более высокую надежность, расширить возможности упругого элемента (сильфона) без предварительного подбора.

Поставленная цель достигается тем, что измерение давления осуществляется на растянутом или нерастянутом диапазонах линейной и ломаной характеристик комбинированного чувствительного элемента датчика, состоящего из корпуса, имеющего две разделенные полости, приемную и преобразователя перемещения чувствительного элемента, штанги, нижний конец которой скреплен с сильфоном, в верхней части на его выступе смонтирована втулка с фланцем, на опорной плоскости которого находится втулка с внутренней резьбой, в которую ввернут нижний конец пружины чувствительного элемента, на верхнюю опорную плоскость пружины опирается вторая втулка, между торцами втулок и плоскостями заглушки, неподвижно соединенной с вторым концом сильфона, и гайки с внутренней и наружной резьбой и ввеpнутыми в корпус, имеются регулируемые зазоры, причем в гайку ввернут преобразователь перемещения чувствительного элемента (например, оптический) и также имеющий регулируемый зазор между ним и торцом штанги.

На фиг.1 изображен датчик давления.

На фиг.2 и фиг.3 изображены схемы нагружения сильфонов.

На фиг.4 изображен график ломаной характеристики, на котором можно измерять с большой точностью малые давления и с обычной точностью большие давления.

На фиг. 5 изображен график характеристики чувствительного элемента на растянутой деформации, позволяющего замерять серийным сильфоном повышенные (в два раза) давления и допускающего измерение разрежений.

Датчик (фиг.1) состоит из корпуса 1, сильфона 2 с жестко закрепленной к нему штангой 3 и проходящей через отверстия прокладки 4 и заглушки 5, жестко закрепленной с другим концом сильфона и ввернутой в корпус, причем на выступе свободного конца штанги смонтирована втулка 6 и втулка 7, между фланцами которых размещена пружина 8, свободный конец которой ввернут в резьбовую втулку 9, опирающуюся на фланец первой втулки, гайки 10 с наружной и внутренней резьбой, ввернутой в корпус, причем между наружными поверхностями фланцев втулок, заглушки и гайки образуются регулируемые зазоры Δ₁ и Δ₂, в гайку ввернут преобразователь перемещения чувствительного элемента 11, например, оптический, и в свою очередь имеющего зазор между ним и штангой Δ₃ и центрируемый с штангой одной из втулок, причем зеркальный торец штанги может быть видоизменен с монтированием штифта 12 с зеркальным наружным торцом и с фаской на другом торце для демонтажа посредством дополнительного отверстия, перпендикулярного продольной оси штанги.

В зависимости от необходимых параметров датчика устанавливаются соответствующие зазоры в очередности: зазор Δ₁, затем Δ₂ и Δ₃.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление преобразуется чувствительным элементом (сильфон 2 и пружина 8) в зависимости от проведенной регулировки зазоров в перемещение штанги 3, преобразуемое в электрический сигнал преобразователем перемещения чувствительного элемента 11.

Авторы разработали конструкцию датчика давления и провели некоторые расчеты, которые прилагаются как обоснование.

По ГОСТ 21482-76 принят для расчета сильфон F_э 0,4 см²; d 5,5 мм; d_в 3,8 мм; n 10; t 1,4 мм; S_o 0,16 мм; δ 0,8 мм; Р_мах 28,5 кг/мм²; материал Бр Б₂, термообработанная; s_пч 125 кг/мм²; σ_упр 77 кг/мм²; σ_пр 75 кг/мм²; Е 1,35• 10⁴ кг/мм².

При расчете в основном использовался материал из книги Л.Н. Андреевой "Упругие элементы приборов". М. 1965.

Для приведенных схем нагружения (фиг.2 и фиг.3) приняты следующие формулы.

где
n 10 число гофр;
; h_o S_o 0,16 мм;

A_Q; B_Q; A_p; B_p коэффициенты, определяются по книге Л.Е.Андреевой.

Формулы 1; 2 предназначены для расчета согласно схеме нагружения сильфона фиг.2.

Формулы 3; 4; 5 соответственно фиг. 3.

Жесткость принятого сильфона Z 12±35% т.е. может колебаться в пределах от 7,8 кг/мм до 16,2 кг/мм.

Конструкция датчика допускает регулирование жесткости пружины в тех же пределах, не меняя деталей датчика, т.е. можно сохранить жесткость упругого элемента постоянной при допускаемых отклонениях параметров серийных сильфонов.

Суммарная жесткость упругого элемента определяется как сумма жесткостей
Z_у Z_c + Z_пр,
принимаем Z_c 7,8 кг/мм; Z_пр 22,2 кг/мм.

Максимальная деформация принятого по ГОСТ сильфона как при сжатии, так и при растяжении δ=0,8 мм = λ мм, но в книгах Л.Е.Андреевой "Упругие элементы приборов" и Д. Д.Агейкина "Датчики контроля и регулирования" рекомендуется использовать половину, т.е. 0,5δ=λ_c=0,4 мм.
Так как допустимую деформацию сильфона рекомендуется уменьшить вдвое, то вместо δ_o 0,8 мм принимаем 0,4 мм. В конструкции датчика имеются регулируемые зазоры. Установим зазор Δ₁ 0,1 мм, тогда получим следующую ломаную характеристику изменения давления в диапазоне λ 0,4 мм

На участке 0,3 мм

P₁ + P₂ 24,45 атм.

Кроме этого, указанный датчик позволяет измерять разрежение.

Точность измерения на различных участках ломаной характеристики графика см. фиг. 4. В пределах допустимой деформации сильфона, т.е. λ_c 0,4 мм можно путем регулировки зазора Δ₁ изменять размеры l₁ и l₂ и жесткость второго участка при тех же деталях датчика.

Зазор Δ₂ принимаем равным или несколько большим λ_c 0,4 мм.

С помощью гайки и пружины осуществляем растяжение сильфона на допустимую величину λ_c 0,4 мм, при этом величину напряжения в сильфоне определяем по формуле (2) и она равняется σ_чн2 32,8 кг/мм².

При подаче давления в приемную часть сильфон и пружина сжимаются. Рассмотрим случай, когда λ_c 0, но в этот момент на сильфон действуют давление Р и сила Q, которые вызывают напряжение изгиба, кроме того, давление Р дает дополнительное напряжение растяжения или сжатия, определяемое по формуле

Считая для данных нагрузок закон независимости действия сил справедливым, для выбранного сильфона определим его основные параметры при сжатии давлением Ратм.

При λ_сраст-λ_ссж=λ_с=0
напряжение изменилось от 32,8 кг/мм² до 18,2 кг/мм², давление от Р 0 до Р 30 атм (см. фиг.5).

При дальнейшем сжатии сильфона на величину λ_c 0,4 мм давление увеличивается до 60 атм, а напряжение возросло до σ 36,03 кг/мм².

Предел пропорциональности s_пр 74 кг/мм².

Таким образом, сильфон работает на деформации λ_раст+λ_сж 0,8 мм при изменении давления от 0 до 60 атм при допустимых напряжениях.

Формулы 2 4 получены при некоторых допущениях, и тем не менее Л.Е.Андреева отмечает, что сильфон при нагружении снаружи может выдержать давление в 1,5 2 раза выше, чем при нагружении изнутри. (Давление изнутри для данного сильфона Р 28,5 атм). Расчетом показано, что сильфон выдерживает при допустимых напряжениях давление, в два раза большее при удвоении деформации λ_c 0,8 мм, если использовать предварительное растяжение сильфона.

Использование: в контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: датчик состоит из корпуса, имеющего две разделенные полости, приемную и преобразователя перемещения чувствительного элемента, штанги, нижний конец которой скреплен с сильфоном, в верхней части на его выступе смонтирована втулка с фланцем, на опорной плоскости которого находится втулка с внутренней резьбой, в которую ввернут нижний конец пружины чувствительного элемента, на верхнюю опорную плоскость пружины опирается вторая втулка, между торцами втулок и плоскостями заглушки, неподвижно соединенной с вторым концом сильфона, и гайки с внутренней и наружной резьбой и ввернутыми в корпус; имеются регулируемые зазоры, причем в гайку ввернут преобразователь перемещения чувствительного элемента, например оптический, и также имеющий регулируемый зазор между ним и торцом штанги. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Датчик давления, содержащий чувствительный элемент, измерительный преобразователь перемещения, подвижную штангу, направляющую втулку и корпус с приемной полостью и полостью измерительного преобразователя перемещения, а также ввинченную в корпус гайку, при этом чувствительный элемент выполнен в виде включенных параллельно в силоизмерительную цепь пружины и сильфона, один конец которого по периметру герметично скреплен с корпусом, а другой конец заглушен и через подвижную штангу связан с измерительным преобразователем перемещения, отличающийся тем, что он снабжен втулкой с фланцем и втулкой с внутренней резьбой, при этом подвижная штанга выполнена с утоньшенной частью, со ступенькой, на которой установлена втулка с фланцем, на опорной плоскости которого размещена втулка с внутренней резьбой, в которую частично ввернута нижним концом пружина, направляющая втулка оперта на верхнюю опорную плоскость пружины, ввинченная в корпус гайка выполнена с наружной и внутренней резьбой, в которую ввернут измерительный преобразователь перемещения, выполненный, например, оптическим и установленный с рабочим зазором между ним и торцом подвижной штанги, причем в корпусе в месте крепления сильфона образован внутренний кольцевой уступ, которым образован, совместно с нижней торцевой поверхностью втулки с фланцем, один из установочных зазоров, а другой установочный зазор образован между верхней торцевой поверхностью направляющей втулки и ввинченной в корпус гайкой. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на торце подвижной штанги установлен цилиндр с отражающей зеркальной поверхностью. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что шаг резьбы втулки с внутренней резьбой не равен шагу навивки пружины в свободном состоянии.