УСТРОЙСТВО ДАТЧИКА РАСХОДА ЖИДКОСТИ И ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК G01F1/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для контроля расхода жидкости и газа в производственных технологических процессах и научных экспериментах.

Наиболее близким аналогом изобретения является полупроводниковый датчик расхода жидкости и газа, в котором в стенках трубопровода, по которому перемещается поток среды, вытравлены две канавки, в которых размещаются две электрические емкости. Между ними располагается консоль, выступающая на пути потока. Под действием потока консоль смещается в направлении скорости таким образом, что нарушается баланс емкостей. Путем измерения емкостей определяют расход потока в трубопроводе.

Консоль перемещается между чипами свободно (т.е. не имеет жесткой привязки к трубопроводу) под воздействием динамического и статического давления среды, это делает датчик такого типа незащищенным от вибраций, т.е. при вибрации трубопровода датчик будет давать значительную погрешность расхода среды. Кроме того, если в жидкости или газе будут присутствовать твердотельные загрязнения (взвеси), то они могут попасть между датчиком и консолью и полностью исключат возможность измерения расхода.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерения в условиях вибрации, температурных колебаний и наличия взвесей в измеряемом потоке.

Это достигается тем, что электрические емкости образованы двумя боковыми и одной центральной мембранами, закрепленными в корпусе и гальванически развязанными с корпусом и между собой, при этом корпус закреплен на стенке трубопровода консольно посредством крепежного стакана. При этом боковых мембран может быть больше двух, корпус датчика имеет ребра жесткости и распорки, проходящие через отверстия, выполненные в мембранах, поверхности мембран покрыты тонкой диэлектрической пленкой, а их длина и ширина могут быть переменными, причем длина мембран значительной меньшей радиуса их кривизны.

На фиг. 1 показана конструкция датчика; на фиг. 2 - способ установки датчика в трубопроводе; на фиг. 3 - упрощенно состояние чувствительного элемента, когда движение среды в трубопроводе отсутствует; на фиг. 4 - упрощенно состояние чувствительного элемента, когда поток, воздействующий на датчик, движется слева направо (направление указано стрелкой); на фиг. 5 - конструкция датчика с несколькими мембранами, ребрами жесткости и противосдавливающими распорками; на фиг. 6 - основные геометрические характеристики мембран и их покрытие диэлектрической пленкой; на фиг. 7 - различные формы поверхности мембран.

Датчик состоит из защитного корпуса 1, мембран 2 и 3, центральной мембраны 4, мембраны 2,3 и центральная мембрана образуют чувствительный элемент датчика и крепятся в защитном корпусе 1 с помощью диэлектрических держателей 5 и 6, над верхним держателем выступают электрические контакты 7, обеспечивающие соединение датчика с преобразователем посредством проводов 8, защитный корпус 1 крепится к крепежному стакану 9, посредством которого датчик крепится к трубопроводу, на крепежный стакан 9 навинчивается защитная крышка 10 с пробкой 11, под защитную крышку 10 ставится уплотнительное кольцо 12.

В случае использования нескольких мембран 2,3 они закрепляются в корпусе посредством распорок 14, проходящих через отверстия 15 в мембранах, а также ребер жесткости 16. Боковые края мембран выполнены с площадками 17 для крепления. Корпус закреплен внутри трубопровода 18 на его стенке консольно.

Принцип действия датчика заключается в следующем. Датчик крепится в трубопроводе 18 (фиг. 2). При движении потока по трубопроводу на датчик расхода действует разность давлений, пропорциональная скорости потока, а, следовательно, и расходу среды. Когда среда не движется (отсутствует поток), чувствительный элемент находится в положении, показанном на фиг. 3, в этом положении емкость конденсатора, образованного мембраной 2 и центральной мембраной 4, находится в равновесном соотношении с емкостью конденсатора, образованного центральной мембраной 4 и мембраной 3. Под действием этой разности давлений упруго деформируется защитный корпус 1, и, соответственно, мембраны 2 - 4, (фиг. 4). Как видно из фиг. 4, при изгибе центральной мембраны 4 центр мембраны 2 приближается к ней, а центр мембраны 3 удаляется. В результате чего емкость, образованная мембранами 2 и 4, увеличивается, а емкость, образованная мембранами 4 и 3, уменьшается. Диэлектрические держатели 5 и 6, выполненные из смолы или керамики, обеспечивают гальваническую развязку мембран и жесткое крепление их краев в защитном корпусе 1. Над держателем 6 выступает продолжение мембран, которое является электрическими контактами 7, к которым присоединяются провода 8. Посредством этих проводов датчик подсоединяется к преобразователю величины емкости в величину электрического напряжения (или тока). Напряжение, пропорциональное изменению емкости датчика и соответственно расхода среды, поступает на дальнейшую обработку сигнала с помощью индицирующего прибора или ЭВМ.

На фиг. 5 показан датчик расхода, в котором применяется несколько мембран. Применение нескольких мембран позволяет повысить чувствительность датчика, т.к. крутизна характеристики деформация-емкость увеличивается. На фиг. 5 показаны распорки 14, которые проходят через отверстия в мембранах 15 и ребра жесткости 16, позволяющие повысить механическую прочность датчика и тем самым позволяющие его применение при больших статистических давлениях, что повышает его динамический диапазон.

Чтобы мембраны электрически не перемыкались, при больших деформациях их покрывают тонкой диэлектрической пленкой (из лака или краски), как показано на фиг. 6 штрих-пунктирной линией. На фиг. 6 показаны три геометрических параметра, характеризующие мембраны: длина мембраны L; ширина S; толщина d; радиус кривизны мембраны R. Длина мембраны должна быть значительно меньшее ее радиуса кривизны, в этом случае обеспечивается линейность характеристики деформация-емкость. Ширина пластины S определяет начальную статистическую емкость датчика. Толщина мембран d определяет динамический диапазон датчика, т.к. чем больше толщина, тем мембраны жестче и их деформация, а следовательно и чувствительность, уменьшаются, и наоборот. Боковые края мембраны должны иметь на краях площадки для крепления 17. Форма поверхности мембраны определяет характеристику изменения емкости датчика от деформации и может быть произвольной.

Использование: в измерительной технике для контроля расхода жидкости и газа в производственных технологических процессах. Сущность изобретения: устройство содержит корпус 1, боковые мембраны 2, 3, центральную мембрану 4, диэлектрические держатели 5, 6, крепежный стакан 9 с защитной крышкой 10, уплотнительное кольцо 12, лепестки 13, распорки, ребра жесткости, отверстия в мембранах, площадки для крепления. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство датчика расхода жидкости и газа, содержащее две электрические емкости, установленные в трубопроводе и механически связанные между собой, отличающееся тем, что электрические емкости образованы двумя боковыми и одной центральной мембранами, закрепленными в корпусе и гальванически развязными с корпусом и между собой, при этом корпус закреплен на стенке трубопровода консольно посредством крепежного стакана. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковых мембран может быть больше двух. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что корпус датчика имеет ребра жесткости и распорки, проходящие через отверстия, выполненные в мембранах. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхности мембран покрыты тонкой диэлектрической пленкой. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что длина мембран значительно меньше радиуса их кривизны. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что мембраны выполнены переменной длины. 7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что мембраны выполнены переменной ширины.