ПОРОГОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01L7/02 G01L19/12 

Изобретение относится к приборостроению, точнее к средствам контроля, и может быть применено, например, в системах с гидравлической и газовой рабочей средой для измерения момента достижения заданного порога давления.

При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены наиболее близкие аналоги изобретения:

а) индикатор давления, приведенный в каталоге "Приборы и средства автоматизации. Индикаторы давления типа ИД-1" М.: Информприбор, 1993, с.21. Устройство содержит корпус, чувствительный орган, установленный со стороны поступления рабочей среды, и передаточное звено в виде штока, преобразующее поступательное движение чувствительного органа в поворотное перемещение якоря контактной группы;

б) сигнализатор давления, приведенный в авт. св. SU 761859, МПК G01L 7/08, публикация 1980. Устройство содержит корпус, неподвижные регулируемые контакты и чувствительный орган, установленный со стороны поступления рабочей среды и взаимодействующий через шток и пружину с подвижным токопроводящим контактом, выполненным в виде плоской пружинной гребенки, обозначенной выступающими контактными пластинами.

Недостатком аналогов является невозможность блокировки замкнутого состояния электрического контакта после срабатывания прибора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является датчик давления по патенту RU 2120115, МПК⁶ G01L 7/08, 19/12, приоритет 20.06.96, публикация 10.10.98. Устройство выполняется с заданным порогом срабатывания и содержит корпус, неподвижные регулируемые контакты и чувствительный орган, установленный со стороны поступления рабочей среды и взаимодействующий через шток и пружину с подвижным токопроводящим контактом. На штоке выполнен паз. Подвижный токопроводящий контакт размещен на оси вращения, снабженной рычагом, жестко закрепленным на ней с возможностью введения рычага в паз штока, обеспечивающего преобразование поступательного движения элементов чувствительного органа во вращательное движение подвижного токопроводящего контакта. Чувствительный орган выполнен в виде гофрированной хлопающей мембраны с тонкой стенкой и большим диаметром. Передача взаимодействия чувствительного органа с подвижным токопроводящим контактом осуществлена через центр мембраны.

Данное устройство выбрано за прототип.

К недостаткам конструкции этого измерительного прибора следует отнести прежде всего невозможность его использования в системах с перегрузочными давлениями Р_пер, превышающими рабочее давление Р_раб, эквивалентное порогу его срабатывания. Практически такие системы встречаются чаще всего, при этом перегрузочные давления могут превышать рабочую величину более чем на порядок. Указанный недостаток обусловлен в основном конструкцией используемой мембраны и большим диаметром, по которому она герметизируется. Тонкая стенка мембраны, геометрия ее гофр и диаметр обеспечивают требуемый порог чувствительности и заданный порог срабатывания устройства. Однако наличие большого диаметра приводит к значительной величине усилия, действующего на корпус прибора при перегрузочном давлении. За счет этого от воздействия давления большего Р_раб, но даже меньшего Р_пер, тонкая стенка мембраны может испытывать прогиб по гофрам не в упругой, а в пластической области деформации, что приводит к нарушению геометрии гофр и потере возможности прогиба мембраны в обратную сторону. В местах герметичной заделки мембраны могут возникать напряжения сверх допустимых значений, из-за чего возможно ее разрушение, приводящее к разгерметизации полости с рабочей средой и потере работоспособности системы, в которой будет использоваться этот прибор.

В известном устройстве от воздействия на мембрану усилия, эквивалентного давлению Р_пер, еще до разгерметизации мембраны может разрушиться и корпус, так как конструктивные запасы по прочности довольно сложно выполнить достаточными ввиду недопустимости увеличения массы и габаритов. Невозможно исключить указанный недостаток и путем увеличения толщины мембраны, так как при этом снижается порог чувствительности, а порог срабатывания увеличивается и выходит за пределы заданных значений.

Кроме того, приборы подобного типа при изготовлении должны, как правило, подвергаться контролю прочности пробным давлением Р_проб, значение которого может превышать значение Р_пер с коэффициентом от 1,25 до 1,5 раз. Известное устройство в процессе проведения такого контроля может быть испорчено, так как его мембрана или потеряет возможность прогиба в обратную сторону, или потеряет герметичность, а корпус может быть разрушен.

Потеря способности прогиба мембраны в обратную сторону, то есть ее возврата в исходное состояние при падении давления рабочей среды, приводит к дополнительным недостаткам конструкции устройства, выбранного за прототип, к которым следует отнести невозможность его повторного использования.

У прототипа составные части чувствительного органа, в том числе места герметичной заделки мембраны по контуру, фактически не защищены от внешней среды со стороны токопроводящих контактов, так как полость, в которой размещены эти контакты, чаще всего выполняется негерметичной. Поэтому на пороги чувствительности и срабатывания прибора будет оказывать влияние фактическое значение давления окружающей среды. Кроме того, длительное воздействие внешней окружающей среды, которая может быть агрессивной, на тонкостенную мембрану и места ее герметичной заделки может привести к дополнительному изменению порогов чувствительности и срабатывания. В таких случаях это будет приводить к дополнительному снижению надежности его работы.

Как отмечалось выше, существенным отличием прототипа от аналогов является наличие блокировки замкнутого состояния электрического контакта после срабатывания прибора. Данное качество следует отнести к достоинствам прототипа. Это качество сохранено и в конструкции предлагаемого устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение уровня надежности работы устройства с обеспечением возможности контроля прочности пробным давлением и многократного использования, а также с сохранением порога срабатывания и снижением его зависимости от давления окружающей среды.

При использовании предлагаемого изобретения достигается следующий технический результат:

а) повышение уровня надежности срабатывания устройства;

б) обеспечение возможности контроля прочности пробным давлением;

в) уменьшение влияния давления окружающей среды на порог срабатывания и обеспечение сохранности этого порога в пределах гарантийного срока хранения и эксплуатации;

г) обеспечение возможности многократного использования.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, неподвижные регулируемые контакты, чувствительный орган, установленный со стороны поступления рабочей среды и взаимодействующий через шток и пружину с подвижным токопроводящим контактом, на штоке выполнен паз, подвижный токопроводящий контакт размещен на оси вращения, снабженной рычагом, жестко закрепленным на ней с возможностью введения рычага в паз штока, обеспечивающего преобразование поступательного движения чувствительного органа во вращательное движение токопроводящего контакта, согласно предлагаемому изобретению чувствительный орган выполнен в виде поджатого пружиной поршня с фланцем и ступенчатым толкателем, в теле поршня установлен герметизирующий элемент, изолирующий полость с подвижным токопроводящим контактом от рабочей среды, между фланцем поршня и корпусом установлен дополнительный герметизирующий элемент, при этом пружина, поджимающая поршень, выбрана с усилием, эквивалентным порогу срабатывания, передача взаимодействия чувствительного органа с подвижным токопроводящим контактом осуществлена через ступенчатый толкатель, а ступенька толкателя выполнена на длине, обеспечивающей возможность перемещения поршня в пределах допустимого сжатия его поджимающей пружины.

Выполнение чувствительного органа в виде поджатого пружиной поршня с фланцем и ступенчатым толкателем уменьшает возможность таких воздействий внешней окружающей среды, которые могли бы привести или к порче его элементов, или к изменению порогов чувствительности и срабатывания. Это способствует возможности повышения параметрической надежности и поддержания ее на высоком уровне.

Рабочая площадь поршня без нарушения работоспособности прибора может быть выполнена меньше рабочей площади гофрированной хлопающей мембраны в десятки раз, что приводит к пропорциональному снижению усилия, действующего на корпус прибора при перегрузочном давлении. Это способствует возможности повышения прочностной надежности и поддержания ее на высоком уровне.

Кроме того, пропорционально будет снижена зависимость порога срабатывания от фактического значения давления окружающей среды. Это способствует возможности повышения параметрической надежности и поддержания ее на высоком уровне.

Установка в теле поршня герметизирующего элемента, изолирующего полость с подвижным токопроводящим контактом от рабочей среды, исключает воздействие рабочей среды на элементы чувствительного органа и тем самым уменьшает вероятность изменения порогов чувствительности и срабатывания. Это способствует возможности повышения параметрической надежности и поддержания ее на высоком уровне.

Установка между фланцем поршня и корпусом дополнительного герметизирующего элемента, изолирующего канал, в котором находится поршень, от полости с подвижным токопроводящим контактом, исключает воздействие внешней окружающей среды на первый герметизирующий элемент. Поэтому вероятность порчи элементов чувствительного органа или изменения порога срабатывания от воздействия внешней окружающей среды в пределах гарантийного срока хранения и эксплуатации в данном устройстве уменьшается. Это способствует возможности повышения параметрической надежности и поддержания ее на высоком уровне.

Выбор пружины, поджимающей поршень с усилием, эквивалентным порогу срабатывания, обеспечивает возможность повышения как прочностной, так параметрической надежности работы и поддержания ее на высоком уровне. Это обусловлено тем, что в данном устройстве пружина размещена со стороны полости с подвижным токопроводящим контактом и выполнена нечувствительной к величине давления и степени агрессивности внешней окружающей среды, действующей на нее с этой стороны. Рабочая среда возможности контакта с пружиной не имеет.

Осуществление передачи взаимодействия чувствительного органа с подвижным токопроводящим контактом через ступенчатый толкатель совместно с пружиной, поджимающей поршень, исключает возможность невозвращения чувствительного органа в исходное состояние после падения давления рабочей среды. Это обеспечивает предложенному устройству возможность контроля пробным давлением при изготовлении и многократного использования по назначению.

Выполнение ступеньки толкателя на длине, обеспечивающей возможность перемещения поршня в пределах допустимого сжатия его поджимающей пружины, уменьшает вероятность как порчи элементов чувствительного органа, так и снижения порога его чувствительности или изменения порога срабатывания при проведении контроля пробным давлением в процессе изготовления прибора и его многократного использования по назначению.

Конструктивная схема предлагаемого устройства показана на чертеже, при этом для удобства чтения иллюстрационного материала отдельные детали изображены условно.

Устройство содержит корпус 1, неподвижные регулируемые контакты 2, чувствительный орган, выполненный в виде поршня 3, шток 4, пружину 5, подвижный токопроводящий контакт 6, рычаг 7, пружину кручения 8, ось вращения 9, электрический соединитель 10. Поршень 3 установлен в канале корпуса 1 со стороны поступления рабочей среды, а с противоположной стороны поджат пружиной 11. На поршне 3 выполнен фланец 12, а за поршнем установлен толкатель 13. В теле поршня 3 установлен герметизирующий элемент 14, а между фланцем 12 и телом корпуса 1 установлен дополнительный герметизирующий элемент 15. В теле корпуса 1 выполнен торец А. На толкателе 13 выполнена ступенька с торцем Б.

Герметизирующий элемент 14 изолирует от рабочей среды полость, в которой размещены неподвижные регулируемые контакты 2, пружина 5, подвижный токопроводящий контакт 6, рычаг 7, пружина кручения 8 и ось вращения 9. Этим самым исключается возможность воздействия рабочей среды на чувствительный орган прибора.

В исходном состоянии прибора дополнительный герметизирующий элемент 15 изолирует канал, в котором установлен поршень 3, от полости, в которой размещены неподвижные регулируемые контакты 2. Этим самым исключается возможность воздействия внешней среды, в которой находится прибор, на герметизирующий элемент 14.

Устройство работает следующим образом.

После установки прибора в систему, для которой он предназначен, при значениях давления рабочей среды менее Р_раб поршень 3 сохраняет свое исходное состояние.

В случае возрастания давления рабочей среды поршень 3 с фланцем 12, преодолевая сопротивление пружины 11, сдвигается относительно исходного положения. При этом происходит временное разуплотнение поршня 3 по дополнительному герметизирующему элементу 15, но за счет герметизирующего элемента 14 рабочая среда остается изолированной от полости, в которой размещены неподвижные регулируемые контакты 2. Герметичность системы, в которой прибор установлен, не нарушается.

При дальнейшем повышении давления рабочей среды до значения Р_раб поршень 3, преодолевая возрастающее сопротивление пружины 11, продвигается на большее расстояние. Толкатель 13 вступает в контакт со штоком 4, который перемещается синхронно с поршнем 3. За счет выбора пружины 11 с усилием, эквивалентным порогу срабатывания, шток 4 перемещается до попадания в его паз рычага 7, за счет чего под действием пружины кручения 8 подвижный контакт 6 приобретает возможность поворота.

Взаимодействие толкателя 13 со штоком 4 обеспечивает преобразование поступательного движения поршня 3 во вращательное движение подвижного токопроводящего контакта 6. За счет пружины кручения 8 подвижный контакт 6 после поворота вокруг своей оси 9 располагается между пластинами неподвижных контактов 2, что позволяет сохранять надежный электрический контакт. Блокировочный механизм, состоящий из рычага 7 и штока 4 с пазом, обеспечивает замкнутое (разомкнутое) состояние неподвижных контактов 2. Это достигается после перемещения штока 4 и попадания рычага 7 в паз штока 4, за счет чего надежно сохраняется его положение, так как подвижный контакт 6 остается поджатым усилием пружины кручения 8 и возвратиться назад не имеет возможности.

При дальнейшем перемещении поршня 3 торец Б толкателя 13 вступает в контакт с торцом А корпуса 1 и поршень останавливается, ограничивая тем самым величину сжатия пружины 11. В процессе повышения давления в интервале практически от значения Р_раб до значения Р_пер все усилие, которым поршень 3 нагружен, воспринимается торцом А корпуса 1, исключая тем самым возможность повреждения элементов чувствительного органа прибора.

После падения давления в системе пружина 11 возвращает поршень 3 в исходное состояние, при этом дополнительный герметизирующий элемент 15 поджимается фланцем 12 к телу корпуса 1 и изолирует канал, в котором установлен поршень 3, от полости, в которой размещены неподвижные регулируемые контакты 2. Этим самым снова исключается возможность воздействия внешней среды, в которой находится прибор, на герметизирующий элемент 14.

Следует отметить, что прибор обеспечивает возможность контроля прочности пробным давлением в процессе его изготовления. При выполнении этого контроля в момент достижения значения Р_раб процесс срабатывания устройства происходит так же, как изложено выше. Потеря работоспособности или снижение каких-либо рабочих характеристик при контроле прибора пробным давлением не происходят. За счет этого датчик давления может использоваться многократно. В данном устройстве достигаются также уменьшение влияния давления окружающей среды на порог срабатывания и обеспечение сохранности этого порога в пределах гарантийного срока хранения и эксплуатации. Надежность устройства достигает уровня не менее Р=0,9995 с доверительной вероятностью Р=0,9.

Работоспособность устройства и его надежность были подтверждены экспериментально на опытном образце при срабатывании в разных температурных условиях до 500 раз. При этом в опытном образце силовая часть корпуса 1 (со стороны поступления рабочей среды и в месте размещения торца А), поршень 3 с фланцем 12 и ступенчатый толкатель 13 с торцом Б изготавливались из стали, пружина 11 - из стальной проволоки диаметром от 1 до 2 мм и с защитным покрытием, герметизирующий элемент 14 - из резиновой смеси, а герметизирующий элемент 15 - из фторопластовой пленки. Рабочий диаметр поршня 3 был равен 8 мм. Расстояние от штока 4 до ступенчатого толкателя 13 было выбрано равным 0,8 мм, а зазор между торцами А и Б - 1,8 мм.

Практические результаты, полученные при срабатывании опытного образца прибора, показывают, что в случае выполнения конструкции согласно предлагаемому изобретению, данное устройство в полном объеме удовлетворяет требованиям, обеспечивающим достижение технического результата.

Изобретение может быть применено в гидравлических и газовых системах с перегрузочными давлениями, значительно превышающими рабочее давление. Пороговый датчик давления содержит корпус, неподвижные регулируемые контакты и чувствительный орган, взаимодействующий через шток и пружину с подвижным токопроводящим контактом. На штоке выполнен паз. Подвижный токопроводящий контакт размещен на оси вращения, снабженной рычагом, жестко закрепленным на ней с возможностью введения рычага в паз штока, обеспечивающего преобразование поступательного движения чувствительного органа во вращательное движение подвижного токопроводящего контакта. Чувствительный орган выполнен в виде поджатого пружиной поршня с фланцем и ступенчатым толкателем, причем ступенька толкателя выполнена на длине, обеспечивающей возможность перемещения поршня в пределах допустимого сжатия его поджимающей пружины. В теле поршня установлен герметизирующий элемент, изолирующий полость с подвижным токопроводящим контактом от рабочей среды, а между фланцем поршня и корпусом - дополнительный герметизирующий элемент. Пружина, поджимающая поршень, выбрана с усилием, эквивалентным порогу срабатывания. Передача взаимодействия чувствительного органа с подвижным токопроводящим контактом осуществлена через ступенчатый толкатель. Техническим результатом является повышение надежности устройства. 1 ил.

Пороговый датчик давления, содержащий корпус, неподвижные регулируемые контакты, чувствительный орган, установленный со стороны поступления рабочей среды и взаимодействующий через шток и пружину с подвижным токопроводящим контактом, на штоке выполнен паз, а подвижный токопроводящий контакт размещен на оси вращения, снабженной рычагом, жестко закрепленным на ней с возможностью введения рычага в паз штока, обеспечивающего преобразование поступательного движения чувствительного органа во вращательное движение подвижного токопроводящего контакта, отличающийся тем, что чувствительный орган выполнен в виде поджатого пружиной поршня с фланцем и ступенчатым толкателем, в теле поршня установлен герметизирующий элемент, изолирующий полость с подвижным токопроводящим контактом от рабочей среды, между фланцем поршня и корпусом установлен дополнительный герметизирующий элемент, при этом пружина, поджимающая поршень, выбрана с усилием, эквивалентным порогу срабатывания, передача взаимодействия чувствительного органа с подвижным токопроводящим контактом осуществлена через ступенчатый толкатель, а ступенька толкателя выполнена на длине, обеспечивающей возможность перемещения поршня в пределах допустимого сжатия его поджимающей пружины.