ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С СИММЕТРИЧНОЙ ПОГРЕШНОСТЬЮ Российский патент 2007 года по МПК G01L13/02 

Настоящее изобретение относится к датчику относительного давления или дифференциальному датчику давления, в частности, с гидравлической передачей давления. Такие датчики давления с гидравлической передачей давления содержат, как правило, измерительный механизм с двумя полукамерами, закрытыми разделительной мембраной и заполненными рабочей средой. На разделительные мембраны воздействует соответственно измерительное или эталонное давление, передаваемое через разделительные мембраны в соответствующую полукамеру. Между собой полукамеры разделены чувствительным элементом датчика, причем последний содержит воспринимающий давление элемент, в частности измерительную мембрану, на первую поверхность которой воздействует гидравлическое давление в первой полуячейке, и на ее вторую поверхность - гидравлическое давление во второй полуячейке.

Разделительные мембраны имеют конечную жесткость, за счет которой давление в полуячейках отличается на величину давления dP_m от давления на разделительной мембране, при этом величина отклонения давления dP_m зависит от прогиба разделительной мембраны.

Учитывая, что измерительный элемент чувствительного элемента датчика обычно является очень жестким, то прогибом разделительной мембраны под действием колебаний наружного давления можно в основном пренебречь. Значительные прогибания вызываются тепловым расширением рабочей среды внутри полукамер измерительного механизма.

Вследствие конструктивных краевых условий и технологических допусков представляется очень затруднительным и практически невозможным создание измерительного механизма с совершенными симметричными полукамерами. Т.е. сохраняются незначительные расхождения между объемами обеих полукамер, и жесткость обеих разделительных мембран не является абсолютно идентичной. Это приводит к тому, что, например, при нагреве рабочей жидкости в обеих полукамерах на измерительный механизм с его обеих воспринимающих давление сторон воздействует разное гидростатическое давление, хотя, например, снаружи на обе разделительные мембраны воздействует идентичное давление. В результате происходит обусловленное температурой смещение нулевой точки измерительного сигнала. Поэтому в основу настоящего изобретения положена задача создания датчика перепада давлений, в котором отсутствуют указанные недостатки.

Поставленная задача решается с помощью дифференциального датчика давления с признаками пункта 1 формулы изобретения. Другие преимущества и аспекты изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и чертежей.

Дифференциальный датчик давления согласно изобретению содержит измерительный механизм с первой полукамерой с первым объемом V₁, закрытой мембраной с первым показателем жесткости E₁, и второй полукамерой со вторым объемом V₂, закрытой второй разделительной мембраной со вторым показателем жесткости Е₂, при этом первая полукамера отделена от второй полукамеры воспринимающим давление элементом, в частности измерительной мембраной, первая полукамера заполнена первой рабочей жидкостью с первым коэффициентом теплового расширения α₁, вторая полукамера заполнена второй рабочей жидкостью со вторым коэффициентом теплового расширения α₂, причем первое произведение от умножения первого показателя жесткости мембраны на первый объема и первый коэффициент теплового расширения в основном равен второму произведению от умножения второго показателя жесткости мембраны на второй объем и второй коэффициент теплового расширения (E₁·V₁·α₁=Е₂·V₂·α₂), при этом, по меньшей мере, один множитель первого произведения конструктивно отличается от соответствующего множителя второго произведения.

Абсолютное равенство обоих произведений, соответствующими множителями которых выступают технические параметры, при технической реализации практически никогда не достигается, хотя к нему и следует стремиться.

Выражение «в основном равные» означает, что произведения не должны различаться между собой более чем на 1%, предпочтительно более чем на 0,3% и особо предпочтительно более чем на 0,1%. Равенство произведений до указанных величин расхождения должно обеспечиваться при температуре 20°С, предпочтительно от 0 до 40°С, более предпочтительно от -20 до 60°С и особо предпочтительно от -40 до 80°С.

Согласно предпочтительному варианту выполнения измерительный механизм содержит, по меньшей мере, одну регулируемую насадку, изменяющую объем первой и второй полукамер настолько, что заданные произведения согласно изобретению становятся идентичными. В качестве опции обе полукамеры содержат регулируемую насадку.

Вместо описываемой регулируемой насадки или насадок, в качестве которых могут применяться, например, плунжеры, винты или поршни, способные постоянно изменять объем полукамер, возможны также решения, при которых несколько насадок располагают в соответствующем гнезде, сообщенном с одной из полукамер. Этими насадками могут служить, например, цилиндры или диски, которые в достаточном количестве вставляются в соответствующее сверление до тех пор, пока объем соответствующей полукамеры не будет соответствовать требуемой величине. Для предохранения насадок может использоваться, например, нажимная пружина, которая сама служит насадкой и аксиально зажимается между цилиндрами или дисками и запором, герметично отсекающим соответствующую полукамеру.

В нормальном случае в обеих полукамерах используется одинаковая гидравлическая рабочая среда, за счет чего первый коэффициент теплового расширения α₁ равен второму коэффициенту теплового расширения α₂. Как правило, возможно также выбирать коэффициент теплового расширения, по меньшей мере одной рабочей жидкости таким образом, чтобы достигалась требуемая идентичность произведений согласно изобретению. В смеси, например, силиконового и минерального масел коэффициент теплового расширения является функцией соответствующих долей этих масел. Таким образом требуемый коэффициент теплового расширения может быть задан соответствующим смешением масел. Также возможно задавать коэффициент теплового расширения смешением силиконовых масел с разным молекулярным весом. Такая альтернатива показана особенно в том случае, когда конструктивная свобода ограничена в отношении других параметров, т.е. когда объем можно варьировать только в жестких пределах, и когда объемы первой и второй полукамер отличаются между собой настолько, что это отличие не удается оптимально компенсировать подгонкой жесткости мембраны.

В предпочтительном варианте первый показатель жесткости мембраны отличается от второго показателя жесткости. Само собой разумеется, что и жесткость разделительных мембран является параметром, задаваемым при имеющемся диаметре и материале мембраны как через толщину мембраны, так и через величину ее волнистости.

Поэтому для осуществления настоящего изобретения в конструктивных краевых условиях, которые принудительно делают необходимыми разные объемы в первой и второй полукамерах, конструктивное уравнивание может достигаться за счет регулировки жесткости мембран. В предпочтительном варианте выполнения произведение от умножения первого показателя жесткости мембраны на первый объем равно произведению от умножения второго показателя жесткости мембраны на второй объем. Если в данном случае не удается достигнуть равенства названных произведений, то может проводиться дополнительное уравнивание выбором рабочих сред с соответствующим коэффициентом теплового расширения. Если описываемая регулировка производится конструктивным способом и обычно относится ко всей технологической серии датчиков давления, то в заключение может выполняться дополнительная точная регулировка объемов полукамер описанным способом с помощью насадок для компенсации индивидуальных тепловых колебаний нулевой точки на основе технологических допусков.

Ниже изобретение описывается с помощью вариантов выполнения, показанных на чертежах.

При этом изображено на:

фиг.1 - дифференциальный датчик давления с гидростатически закрепляемой измерительной ячейкой, поперечный разрез;

фиг.2 - датчик относительного давления асимметричной конструкции;

фиг.3а - детальный вид первого варианта выполнения устройства для контроля объема в полукамере;

фиг.3b - детальный вид второго варианта выполнения устройства для контроля объема в полукамере.

Изображенный на фиг.1 дифференциальный датчик давления содержит измерительный механизм 1 с цилиндрической основной частью 6, на обеих торцевых сторонах которой выполнена мембранная опора. Над мембранной опорой, с левой стороны фигуры, расположена разделительная мембрана 3, закрепленная своим краем на торцевой поверхности основной части 6. Также над мембранной опорой закреплена на противоположной торцевой поверхности основной части 6 разделительная мембрана 2. От торцевых поверхностей напорный канал 4, 5 проходит аксиально внутрь основной части, при этом в данном варианте выполнения оба напорных канала врезаны в участок секционной камеры, занимающий почти все поперечное сечение основной части 6. Между обоими участками 10, 11 секционной камеры расположена перегрузочная мембрана 8, выполненная значительно более жесткой по сравнению с обеими разделительными мембранами 2, 3. От обоих участков 10, 11 секционной камеры проходит канал 12, 13 к стороне высокого давления или стороне низкого давления измерительной мембраны 7 чувствительного элемента датчика, расположенного в корпусе 9, смонтированном на боковой поверхности основной части. Таким образом измерительная мембрана разделяет полукамеры между собой. Чувствительный элемент датчика располагается в корпусе 9 изостатически, т.е. на него воздействует давление рабочих жидкостей не только на участке измерительной мембраны, но также и на участке боковой поверхности. При этом давление на стороне высокого давления воздействует на наружную поверхность измерительной мембраны 7 и на наружные поверхности чувствительного элемента датчика через канал 12. Давление на стороне низкого давления воздействует по каналу 13 на внутреннюю поверхность измерительной мембраны 7 и на внутренние поверхности чувствительного элемента датчика. Совершенно очевидно, что при изостатическом закреплении описанного чувствительного элемента датчика не сразу происходит выравнивание объемов на сторонах высокого и низкого давлений. За счет соответствующего расположения каналов, т.е. за счет выбора длины каналов и их диаметра, могут быть снова достигнуты одинаковые объемы. Особенно для дифференциального датчика давления требуется применять в идеальном случае одинаковые разделительные мембраны на сторонах высокого и низкого давлений. Также желательно использовать на сторонах высокого и низкого давлений одинаковые рабочие жидкости, так как наряду с идентичными коэффициентами теплового расширения они обладают и идентичной вязкостью. Т.е. по возможности следует предпочесть решение, при котором объемы в секционных камерах выравниваются за счет конструкции. Для этого показанный на фиг.1 дифференциальный датчик давления может дополнительно оснащаться регулируемой насадкой при необходимости оптимизации объемов в первой и второй секционных камерах. Подробности относительно точной регулировки объемов поясняются ниже на примере фигур 3а и 3b. Если уравнивание объемов на основе конструктивных краевых условий не представляется возможным, то при существенно одинаковой жесткости мембран необходимо применять рабочие среды с разными коэффициентами теплового расширения.

На фиг.2 изображен датчик давления согласно изобретению, в частности, датчик относительного давления. Измерительный механизм 21 содержит основную часть 26 с существенно осесимметричной структурой, причем на первой торцевой стороне основной части 26 выполнено мембранное основание, над которым располагается разделительная мембрана 22, закрепленная своим краем на основной части 26. От мембранного основания проходит канал 24 для измерения давления в камеру 30, внутри которой расположен чувствительный элемент 27 датчика. В основной части выполнен также наполнительный канал 31, сообщающийся с напорной камерой 30 и герметично закрываемый посредством запорного элемента 28. В изображенном варианте выполнения этим запорным элементом служит стальной шарик, размещаемый на заданном уровне в наполнительном канале 31, однако для этого могут также применяться запорные элементы иных форм, о которых речь пойдет ниже в связи с фигурами 3а и 3b. Чувствительный элемент датчика своей базовой поверхностью герметично установлен в напорной камере 30 и изостатически закреплен. Первая полукамера измерительного механизма содержит объем, заключенный между разделительной мембраной 22 и мембранным основанием, канал 24 для измерения давления, объем камеры 30 датчика, расположенный вокруг чувствительного элемента 27 датчика, и наполнительный канал 31, простирающийся до запорного элемента 28. В связи с тем, что данный датчик относительного давления должен обладать температурной компенсацией, то атмосферное давление воздействует не прямо на обратную сторону измерительной мембраны чувствительного элемента 27 датчика, а происходит гидравлическая передача атмосферного давления, воздействующего через трубку 33 на расположенную на стороне атмосферы разделительную мембрану 23, закрепленную выше мембранного основания на второй торцевой стороне основной части 26. Ниже расположенной на стороне атмосферы разделительной мембраны 23 проходит от мембранного основания канал 25 эталонного давления до обратной стороны мембраны чувствительного элемента 27 датчика. От канала 25 эталонного давления располагается в радиальном направлении до боковой поверхности основной части 26 наполнительный канал 32, причем канал перекрыт запорным элементом 29, который для контроля за объемом может позиционироваться на любом уровне. Вместо показанного в виде шарика запорного элемента 29 возможно применение и других запорных элементов, о которых речь пойдет ниже в связи с фигурами 3а и 3b.

Объем, заключенный между расположенной со стороны атмосферы разделительной мембраной 23 и обратной стороной измерительной мембраны чувствительного элемента 27 датчика, образует вторую полукамеру. Поскольку при этом варианте выполнения конструктивные краевые условия усложняют полное уравнивание произведений от умножения показателя жесткости мембраны на соответствующий объем, то при необходимости в таком случае следует выбирать соответствующие силиконовые масла с разными коэффициентами теплового расширения для компенсации расхождений.

Пригодными являются, например, силиконовые масла из ряда АК, выпускаемые "Wacker Chemie". Приведенные в нижеследующей таблице силиконовые масла (диметилполисилоксаны) имеют одинаковую основную структуру и различаются между собой только длиной цепи.

ОбозначениеВязкостьКоэффициент теплового расширенияАК 1010 мм²/с10.0 см³/(см³ °C)×10⁴АК 2020 мм²/с9,7 см³/(см³ °C)×10⁴АК 3535 мм²/с9,5 см³/(см³ °С)×10⁴АК 100100 мм²/с9,4 см³/(см³ °C)×10⁴АК 500500 мм²/с9,25 см³/(см³ °C)×10⁴

В идеальном случае конструкция должна быть выполнена такой, чтобы соотношение между произведениями от умножения показателя жесткости мембраны на соответствующий объем соответствовало соотношению между коэффициентами теплового расширения масел обоих сортов. Здесь необходимо иметь в виду, что вязкость силиконовых масел с низким коэффициентом теплового расширения ограничивает свободу выбора. Теоретически для точного регулирования должны смешиваться силиконовые масла с разными коэффициентами теплового расширения для получения средней величины коэффициента теплового расширения. Однако в настоящее время в технологическом отношении предпочтение отдается больше точной регулировке объемов с помощью настраиваемых насадок или запорных элементов, чем адаптацией коэффициента теплового расширения рабочей жидкости смешением.

С помощью фигур 3а и 3b поясняются два устройства точной регулировки объемов полукамер. На фиг.3а показан детальный разрез по основной части 36 измерительного механизма на участке его боковой поверхности. От боковой поверхности проходит наполнительный канал 42 радиально внутрь и входит в канал 43, являющийся составной частью одной из обеих полукамер. Непосредственно перед вхождением в канал 43 наполнительный канал 42 имеет суженное поперечное сечение, благодаря которому образуется осевая упорная поверхность 41, на которую могут устанавливаться элементы 39, 40 насадки. Элементы 39, 40 насадки имеют заданный объем, который может регулироваться, например, при постоянной высоте и постоянном наружном диаметре путем изменения диаметра центрального сверления с помощью насадки. Выбором соответствующих насадок могут компенсироваться даже минимальные расхождения между произведениями от умножения указанных величин. В своей позиции насадки удерживаются нажимной пружиной 38, аксиально расположенной между насадками и винтовым запором 37.

Само собой разумеется, что пружина 38 одновременно служит и насадкой. Преимуществом описанной компоновки является то, что вытесняемая насадками рабочая жидкость может вытекать из отверстия, в котором располагаются насадки. При таком решении не требуется более дополнительного отверстия в корпусе, так как уже имеется отверстие для заполнения секционных камер. Однако такое решение является дорогостоящим настолько, насколько необходимо иметь в наличии в зависимости от требуемой точности регулировки большое количество насадок или обеспечить индивидуальное изготовление насадки с заданным объемом.

На фиг.3b показан вариант устройства регулировки объема секционной камеры, при котором не требуется набор разных насадок и совершенно отпадает необходимость в их индивидуальном изготовлении. В этом варианте основная часть 46 содержит сверление 51 с мелкой резьбой, сообщенное с каналом 52, являющимся частью полукамеры. С помощью мелкой резьбы завинчивается поршень 50, при этом резьба на поршне нарезана таким образом и входит в резьбу сверления 51 настолько плотно, что по ходам резьбы поршня рабочая жидкость практически не вытекает. Альтернативно боковая поверхность поршня может иметь покрытие из уплотнительной массы, которая при необходимости может быть термически отверждена. От канала 52 проходит наполнительный канал 55 до боковой поверхности основной части 46, при этом наполнительный канал 55 имеет на первом участке диаметр меньший, чем на втором участке, смежном с первым участком и простирающимся до боковой поверхности основной части 46. Поэтому между вторым и первым участками выполнена ступень, на которую аксиально опирается стальной шарик 53, диаметр которого меньше второго участка и больше первого участка. С помощью просверленного винта 54, взаимодействующего с резьбой стенки второго участка, шарик герметично прижимается к осевой упорной поверхности. Для точной регулировки объема сначала ослабляют просверленный винт 54, затем для корректировки объема поршень 50 завинчивают в сверление 51, при этом вытесняемая рабочая жидкость может вытекать по выходному каналу 55 около шарика 53 через просверленный винт 54. После установления необходимого объема винт 54 снова прочно затягивают. Для фиксации поршня 50 может применяться в случае необходимости заливка 48. Кроме того, сверление 51 может закрываться на боковой поверхности основной части 46 перекрывающим винтом 47 для предупреждения случайного изменения объема.

Конструктивно асимметричный дифференциальный датчик давления содержит измерительный механизм с первой полукамерой, содержащей первый объем и закрытой мембраной с первым показателем жесткости, и со второй полукамерой со вторым объемом закрытой второй разделительной мембраной со вторым показателем жесткости. Первая полукамера отделена от второй полукамеры воспринимающим давление элементом, в частности измерительной мембраной. Первая полукамера заполнена первой рабочей жидкостью с первым коэффициентом теплового расширения, а вторая полукамера заполнена второй рабочей жидкостью со вторым коэффициентом теплового расширения. Для симметрирования зависящей от температуры погрешности давления разделительной мембраны конструкция выполнена такой, чтобы первое произведение от умножения первого показателя жесткости мембраны на первый объем и на первый коэффициент теплового расширения в основном был равен второму произведению от умножения второго показателя жесткости мембраны на второй объем и на второй коэффициент теплового расширения. При этом по меньшей мере один множитель первого произведения конструктивно отличается от соответствующего множителя второго произведения. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Дифференциальный датчик давления или датчик относительного давления, содержащий

измерительный механизм (1) с первой полукамерой (4), содержащей первый объем и закрытой первой разделительной мембраной (2) с первым показателем жесткости, и второй полукамерой (5), содержащей второй объем и закрытой второй разделительной мембраной (3) со вторым показателем жесткости, при этом первая полукамера (4) отделена от второй полукамеры (5) измерительной мембраной (7), первая полукамера (4) заполнена рабочей жидкостью с первым коэффициентом теплового расширения, а вторая полукамера (5) заполнена второй рабочей жидкостью со вторым коэффициентом теплового расширения, отличающийся тем, что первое произведение от умножения первого показателя жесткости мембраны на первый объем и на первый коэффициент теплового расширения в основном равен второму произведению от умножения второго показателя жесткости мембраны на второй объем и на второй коэффициент теплового расширения, причем по меньшей мере один множитель первого произведения конструктивно отличается от соответствующего множителя второго произведения.