ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ, СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОПОРНОГО ОБЪЕМА Российский патент 2023 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к классу измерительных приборов и может быть использовано при разработке и изготовлении датчиков абсолютного давления с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

С целью повышения точности и устойчивости датчиков абсолютного давления к воздействию изменения температуры окружающей (измеряемой) среды применяют различные методы: производят вакуумирование опорного объема датчика до уровня высокого вакуума 10^-4 мм рт. ст. или компенсацию объемного расширения газа, находящегося в опорном объеме за счет применения различных схем термокомпенсации.

Из предшествующего уровня техники известен датчик абсолютного давления, конструктивно разделенный на две полости, одна из которых является опорным объемом и подвержена вакуумированию путем откачивания воздуха через ниппель и поглощением остаточных газов геттерным узлом до остаточного давления мм рт. ст.

(SU 1569608 A1, G01L 7/00, опубл. 1990.06.07)

К недостаткам первого метода можно отнести высокую сложность технологического процесса создания вакуума, а так же невысокую надежность, обусловленную потерей метрологических характеристик при натекании газа в опорный объем из-за высокого уровня разрежения в последнем.

Недостатки второго метода – невысокие метрологические характеристики при измерении низких давлений (менее 1 атм), а также необходимость применения дополнительных схем термокомпенсации.

Целью изобретения является повышение точности измерения и срока службы без необходимости создания высокого уровня разряжения в опорном объеме датчика абсолютного давления.

На фиг. 1 представлен датчик абсолютного давления; на фиг. 2 – кинематическая схема датчика абсолютного давления.

Датчик абсолютного давления содержит штуцер (1), через который воздействует измеряемое давление P_изм, воспринимающий элемент (3), выполненный в виде сильфона, соединенный со штуцером (1) с одной стороны и заглушкой (4) – с другой, шток (5), соединяющий заглушку (4), чувствительный элемент (6) и упругий элемент (7), выполненным в виде мембраны, корпус (2), соединяющий штуцер (1) и упругий элемент (7) и камеру разрежения (8), соединенную с упругим элементом (8).

Для изменения давления в камере разрежения служит ниппель 9.

В датчик абсолютного давления, состоящем из трех полостей: воспринимающей (ограниченной штуцером (1), воспринимающим элементом (3) и заглушкой (4)), средней (ограниченной штуцером (1), воспринимающим элементом (3), заглушкой (4), корпусом (2) и упругим элементом (7)) и опорной (ограниченной упругим элементом (7) и камерой разрежения (8)), создают разрежение в опорном объеме через открытый ниппель (9).

Величина создаваемого разряжения в опорном объеме Р₂ определяется по следующей формуле:

где Р₂ – давление в опорной полости;

Р₁ – давление в средней полости;

S₁ – эффективная площадь сильфона (3);

S₂ – эффективная площадь мембраны (7).

Формула 1 получена из условия равновесия кинематической схемы, показанной на фиг. 2:

где F_изм – сила, приложенная к сильфону от измеряемого давления P_изм;

F₁ – сила, приложенная к сильфону от давления в средней полости Р₁;

F₂ – сила, приложенная к мембране от давления в средней полости Р₁;

F₃ – сила, приложенная к мембране от давления в опорной полости Р₂;

F_б – реакционная сила чувствительного элемента.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению давления Р₁ и Р₂ в средней и опорной полостях датчика и, как следствие, к изменению усилий F₁, F₂, F₃.

где α – температурный коэффициент давления газа;

– изменение температуры газа.

Увеличение точности измерений достигается исключением влияния изменения давлений Р₁ и Р₂ в средней и опорной полостях датчика, что достигается выполнением условия:

При изменении температуры окружающей среды, с учетом формул 3, 4, 5 формула 6 примет вид:

После преобразования формулы 7 получим следующее выражение:

Таким образом, точность измерения повышается за счет исключения влияния изменения температуры в средней и опорной полостях датчика.

Пример. Применяя параметры конструктивных элементов датчика абсолютного давления такие как: эффективная площадь сильфона , эффективная площадь мембраны , а так же учитывая технологические возможности производства и принимая рассчитывается необходимое давление разряжения в опорной полости:

Таким образом, увеличение точности измерений и срока службы достигается ограничением полостей датчика конструктивным методом.

Изобретение относится к классу измерительных приборов и может быть использовано при разработке и изготовлении датчиков абсолютного давления с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Устройство включает штуцер (1), воспринимающий элемент (3), выполненный в виде сильфона, соединенный со штуцером (1) с одной стороны и заглушкой (4) - с другой, шток (5), соединяющий заглушку (4), чувствительный элемент (6) и упругий элемент (7), выполненный в виде мембраны, корпус (2), соединяющий штуцер (1) и упругий элемент (7) и камеру разрежения (8), соединенную с упругим элементом (7). При этом в нем имеется три полости: воспринимающая, ограниченная штуцером (1), воспринимающим элементом (3) и заглушкой (4), средняя, ограниченная штуцером (1), воспринимающим элементом (3), заглушкой (4), корпусом (2) и упругим элементом (7), и опорная, ограниченная упругим элементом (7) и камерой разрежения (8), в которой создается разрежение через открытый ниппель (9). Технический результат заключается в увеличении точности измерений и срока службы датчика. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик абсолютного давления, включающий штуцер (1), воспринимающий элемент (3), выполненный в виде сильфона, соединенный со штуцером (1) с одной стороны и заглушкой (4) - с другой, шток (5), соединяющий заглушку (4), чувствительный элемент (6) и упругий элемент (7), выполненным в виде мембраны, корпус (2), соединяющий штуцер (1) и упругий элемент (7) и камеру разрежения (8), соединенную с упругим элементом (7), отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения и срока службы, в нем имеется три полости: воспринимающая, ограниченная штуцером (1), воспринимающим элементом (3) и заглушкой (4)), средняя, ограниченная штуцером (1), воспринимающим элементом (3), заглушкой (4), корпусом (2) и упругим элементом (7), и опорная, ограниченная упругим элементом (7) и камерой разрежения (8), в которой создается разрежение через открытый ниппель (9).

2. Способ создания опорного объема датчика абсолютного давления, охарактеризованного по п. 1, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения и срока службы в опорной полости создают давление, равное разности между давлением в средней полости и произведением давления в средней полости и отношения эффективной площади сильфона к эффективной площади мембраны.