Датчик разности давлений с защитой от скачков давления и перегрузки Российский патент 2025 года по МПК G01D3/28 G01L9/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению разности давлений электрическими методами с помощью чувствительного элемента - тензопреобразователя, и может быть использовано для измерения разности давлений (дифференциального давления) жидкости и газов.

Уровень техники

Как правило, датчики разности давлений измеряют разность давлений между двумя рабочими давлениями, каждое из которых значительно превышает измеряемую разность давлений. Поэтому в процессе эксплуатации при аварийных режимах (например, из-за пропадания давления в одном из каналов) на чувствительные элементы датчиков могут воздействовать давления, значения которых на порядок превышают измеряемое, что приводит к выходу датчиков из строя. Также, при скачках давления подаваемого в датчик, на чувствительный элемент могут воздействовать давления, значения которых превышают допустимые.

Изобретение позволяет защитить чувствительный элемент - тензопреобразователь от разрушения при случайной подаче давления, связанной с ошибкой оператора, засорением каналов подвода давления или резкой подаче давления.

Известен датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление мембраной, расположенной с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично установлен чувствительный элемент. Причем каждая полость соединяется с чувствительным элементом с помощью гидравлического дросселя, представляющего собой капиллярную трубку. Использование дросселей позволяет демпфировать воздействия скачков давления (или воздействие резкой подаче в датчик давлений) и тем самым предотвращать выход чувствительного элемента датчика из строя. Патент США № US 8132464, МПК G01L 13/02, 13.03.2012.

Недостатком приведенного устройства является отсутствие защиты от перегрузочного давления и снижение быстродействия датчика, так как предложенное устройство защиты от скачков давления (гидравлические дроссели) работает постоянно - и в аварийных режимах, и при измерении рабочей разности давлений.

Наиболее близким известным техническим решением является датчик дифференциального давления, в котором частично устранены приведенные выше недостатки. Датчик содержит корпус, в котором жестко закреплены две разделительные мембраны, передающие давление, посредством малосжимаемой электроизоляционной жидкости, к измерительному узлу, состоящему из тензочувствительного элемента и компенсационной мембраны, защищающей чувствительный элемент от чрезмерного давления. Для исключения выхода из строя чувствительного элемента под действием резко меняющегося (скачком) давления в датчике установлены гидравлические дроссели, выполненные в виде коаксиальных зазоров, для чего в вертикальные отверстия в корпусе датчика установлены цилиндрические стержни (название по патенту - пламегасители). Патент РФ №2143673, МПК G01L 9/06, G01L 13/02, 18.08.1995. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком приведенного устройства является низкое быстродействие датчика, так как устройство защиты от перегрузочных давлений (гидравлические дроссели) работает постоянно - и в аварийных режимах, и при измерении рабочей разности давлений (значение которой не превышает допустимых значений). Обеспечение требуемого быстродействия (в подобной конструкции) возможно за счет уменьшения гидравлического сопротивления дросселей путем увеличения их проходного сечения. Однако, в этом случае, предложенная конструкция датчика при скачках давления не предотвращает критический рост давления в воздействующий чувствительный элемент (не демпфирует в достаточной степени скачки давления), что может приводить к выходу из строя чувствительного элемента (тензопреобразователя).

Раскрытие сущности изобретения

Предлагаемое изобретение направлено на решение указанной задачи.

Задачей изобретения является создание датчика разности давлений, имеющего высокое быстродействие в рабочем диапазоне давлений и обеспечивающего защиту чувствительного элемента при воздействии перегрузочного давления. Для этого предусмотрено введение в конструкцию быстродействующего лепесткового клапана, который при резкой подаче давления закрывается, прерывая подачу давления внутрь датчика и, тем самым, обеспечивает защиту чувствительного элемента от скачков давления. Также в конструкцию введены гидравлические дроссели, одни из которых служат для создания необходимого гидравлического напора, обеспечивающего срабатывания лепесткового клапана (в этом случае лепестковый клапан срабатывает раньше, чем давление в приемной камере достигнет критической величины), другие для уменьшения скорости роста давления в измерительной камере, относительно камеры с компенсационной мембраной.

Техническим результатом является обеспечение стойкости к перегрузочным давлениям, скачкам давления и повышение быстродействия.

Технический результат достигается тем, что в конструкцию датчика введена система гидравлических дросселей, мембран (разделительной, защитной, компенсационной) и лепестковых клапанов, которые обеспечивают защиту тензопреобразователей от разрушения как при подаче разности давлений, превышающей допустимую, так и при резкой подаче перегрузочного давления.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Изобретение поясняется чертежами, где:

1 - корпус;

2 - первая приемная камера;

3 - вторая приемная камера;

4 - первая разделительная мембрана;

5 - вторая разделительная мембрана;

6, 7 - проточные каналы;

8, 9 - лепестковые клапаны;

10, 11 - проточные каналы;

12, 13 - защитные камеры;

14, 15 - защитные мембраны;

16, 17 - гидравлические дроссели;

18 - компенсационная мембрана;

19, 20 - гидравлические дроссели;

21 - чувствительный элемент (тензопреобразователь) на основе структуры «кремний на кремнии»;

22 - измерительная камера;

23 - гермовыводы;

24, 25 - основание;

26 - уплотняющее кольцо;

27 - основание лепесткового клапана;

28 - монтажные проводники;

29 - компенсационная камера;

30, 31 - каналы для подачи атмосферного давления;

32, 33 - профилированные основания.

На фиг. 1 представлена конструкция датчика разности давлений с защитой от скачков давления и перегрузки.

На фиг. 2 представлен лепестковый клапан.

На фиг. 3 представлен внешний вид лепесткового клапана при подаче давления скачком.

Осуществление изобретения

Датчик разности давлений (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором выполнены камеры (приемная 2, 3, защитная 12, 13, компенсационная 29, измерительная 22) соединенные между собой проточными каналами 6, 7, 10, 11 и гидравлическими дросселями 16, 17, 19, 20 и заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Приемные камеры 2, 3 загерметизированы воспринимающими давление разделительными мембранами 4, 5, расположенными с зазором относительно профилированных оснований. На выходах приемных камер установлены лепестковые клапаны 8, 9 (вид А фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3); клапан представляет собой диск из пружинного сплава (толщиной 0,08 - 0,12 мм), центральная часть которого отогнута для свободного перетекания жидкости в измерительную камеру при подаче в датчик давлений, разность которых не превышает допустимую (или при медленной подаче давлений между которыми измеряется разность). Лепестковый клапан фиксируется в корпусе с помощью уплотняющего кольца 26, которое также обеспечивает герметичность клапана и стыка. В защитных камерах 12, 13 установлены защитные мембраны 14, 15, которые, при воздействии давления, «садятся» на основания (подложки) 24, 25. На одну сторону защитных мембран воздействуют измеряемые давления (через проточные каналы 10, 11), на противоположную сторону воздействует атмосферное давление, для чего в защитных камерах выполнены каналы 30, 31.

Давления, между которыми измеряется разность, поступают через дроссели 16, 17, в компенсационную камеру 29, в которой установлена компенсационная мембрана 18. В измерительную камеру 22 давления подаются через дроссели 19, 20. В измерительной камере установлен чувствительный элемент (тензопреобразователь) на основе структуры «кремний на кремнии» 21, состоящий из кремниевой мембраны, на которой сформированы диффузионные тензорезисторы. Электрический сигнал от чувствительного элемента 21 через монтажные проводники 28 и гермовыводы 23 выводится на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).

Датчик работает следующим образом. При подаче давления, например, на разделительную мембрану 4, она прогибается, зазор под ней уменьшается, и находящаяся в приемном отсеке камеры 2 жидкость через проточный канал 6 и лепестковый клапан 8 поступает в защитную камеру 12 и через гидравлический дроссель 16 - в компенсационную камеру 29. Под действием давления защитная мембрана 14 деформируется, возрастает поток жидкости, походящий через лепестковый клапан 8, который при сильном потоке жидкости закрывается, увеличивая гидравлическое сопротивление. Также повышение давления в компенсационной камере 29 воздействует на компенсационную мембрану 18, вызывая ее деформацию. Одновременно давление жидкости через гидравлический дроссель 19 передается в измерительную камеру 22, воздействуя на одну из сторон чувствительного элемента 21 (мембраны с тензорезисторами). При воздействии давления мембрана тензопреобразователя деформируется и тензорезисторы преобразуют напряжение мембраны в электрический сигнал. Гидравлические дроссели 16, 17, 19, 20 обеспечивают дополнительную защиту чувствительного элемента от выхода из строя при подаче давления с резким фронтом. Так, рост давления в компенсационной камере ограничивают дроссели 16, 17: давление между камерами не может моментально выровняться, так как между ними установлены дроссели, поэтому скорость нарастания давления в компенсационной камере будет отставать по скорости нарастания от давления в защитной камере. Аналогично, дроссели 19, 20 ограничивают скорость нарастания давления в измерительных камерах относительно компенсационной камеры. Таким образом, срабатывание лепесткового клапана происходит раньше по времени, чем рост давления в измерительной камере доходит до уровня, приводящего к выходу из строя мембраны тензопреобразователя. При этом проходное сечение дросселей выбрано таким, что величина их гидравлического сопротивления, с одной стороны, обеспечивает необходимое быстродействие датчика при штатной работе датчика, с другой - обеспечивает срабатывание лепесткового клапана.

Аналогично, давление через вторую разделительную мембрану 5 передается на другую сторону мембраны с тензорезисторами 21.

В зависимости от величины и скорости изменения подаваемых в него давлений датчик работает следующим образом.

Вариант 1. Подача в датчик давлений Р₁ и Р₂ разность которых не превышает допустимую (см. фиг. 1).

В этом случае воздействие давления Р₁ на мембрану 4 и давления Р₂ на мембрану 5 вызывает давление жидкости в полостях корпуса 2, 3, которое через проточные каналы 6, 7, лепестковые клапаны 8, 9 и дросселирующие отверстия 16, 17 и потом 19, 20 соответственно передаются на разные стороны мембраны с тензорезисторами 21, которые в свою очередь преобразуют напряжение мембраны в электрический сигнал.

Для обеспечения работоспособности датчика в диапазоне рабочих перепадов давлений жесткость компенсационной мембраны 18 выбрана таким образом, что ее деформация суммарно с деформацией защитных мембран 14, 15 при воздействии рабочей разности давлений - не превышающей допустимые значения - не приводит к тому, что разделительные мембраны 4 или 5 «садятся» на профилированные основания 32, 33 корпуса 1 (уменьшая величину зазора между мембраной и профилированными основаниями до нуля). А жесткость лепестковых клапанов 8, 9 выбрана такой, что скорость потока жидкости (при подаче давления без резкого фронта) через них недостаточна для срабатывания (закрытия) лепесткового клапана 8.

Вариант 2. Подача давлений, при которых разность давлений превышает допустимую, например, со стороны приемной камера 2.

В этом случае компенсационная мембрана 18 начинает прогибаться, забирая часть жидкости из зазора между мембраной 4 и основанием 32 приемной камеры 2, в результате чего разделительная мембрана 4 «садится» на профилированное основание 32 и увеличение давления в приемной камере 2 прекращается, что предохраняет полупроводниковый чувствительный элемент 21 от разрушения. Аналогичная картина происходит при воздействии перегрузочного давления со стороны приемной камеры 3.

Вариант 3. Подача давления с резким фронтом, например, со стороны приемной камеры 2.

В этом случае давление, создаваемое мембраной 4 на электроизоляционную жидкость, поступает через проточный канал 6 на лепестковый клапан 8. После лепесткового клапана жидкость через проточный канал 10 поступает в защитную камеру 12, воздействуя на защитную мембрану 14, вызывает ее прогиб, что увеличивает объем защитной камеры 12, и тем самым создает поток жидкости (гидравлическое давление) в проточном канале 6, обеспечивающий закрытие лепесткового клапана 8.

При этом рост давления в компенсационной камере ограничивает дроссель 16, установленный между защитной и компенсационной камерами, благодаря которому давление между камерами не может моментально выровняться, поэтому скорость нарастания давления в компенсационной камере будет отставать по скорости нарастания от давления в защитной камере. Аналогично, дроссель 19 ограничивает скорость нарастания давления в измерительной камере, и поэтому срабатывание лепесткового клапана, ограничивающего рост давления в компенсационной камере, происходит раньше по времени, чем рост давления в измерительной камере привел бы к выходу из строя мембраны чувствительного элемента (тензопреобразователя). В результате при резкой подаче давления со стороны приемной камеры 2 дроссели 16, 19 ограничивают скорость нарастания давления в измерительной камере, а лепестковый клапан под воздействием возникающего потока жидкости (который поддерживается увеличением объема защитной камеры 12) закрываться, увеличивая гидравлическое сопротивление в цепи передачи давления к мембране тензопреобразователя (см. фиг. 3) и тем самым предотвращается рост давления в измерительной камере и, следовательно, происходит демпфирование перегрузочных давлений, что в свою очередь обеспечивает защиту тензопреобразователя 21 от воздействия перегрузочного давления с резким фронтом.

Таким образом, предложенная конструкция датчика разности давления обеспечивает защиту чувствительного элемента (тензопреобразователя) от воздействия перегрузочных давлений как статических, так и динамических, не снижая при этом быстродействия датчика в рабочем диапазоне измеряемых давлений.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано для измерения разности давлений. Устройство содержит корпус, в котором выполнены приемная, защитная, компенсационная и измерительная камеры, соединенные между собой проточными каналами и гидравлическими дросселями и заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Каждая приемная камера загерметизирована воспринимающей давление разделительной мембраной, расположенной с зазором относительно профилированного основания. На выходе каждой приемной камеры установлен лепестковый клапан в виде диска из пружинного сплава, который при резкой (скачкообразной) подаче давления закрывается, предотвращая рост давления в измерительной камере. На выходе лепесткового клапана и на входе в измерительную камеру установлены гидравлические дроссели, которые совместно с лепестковым клапаном предотвращают выход из строя чувствительного элемента (тензопреобразователя) от скачков давления и перегрузки статическим давлением. Технический результат заключается в обеспечении стойкости к перегрузочным давлениям, скачкам давления и повышении быстродействия датчика. 3 ил.

Датчик разности давления, содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление профилированной разделительной мембраной, расположенной с зазором относительно профилированных оснований, причем давление, создаваемое мембранами на электроизоляционную жидкость, передается с помощью гидравлических дросселей, представляющих собой проточные каналы, к измерительному узлу, состоящему из компенсационной мембраны и полупроводниковых тензочувствительных элементов на основе структуры «кремний на кремнии», отличающийся тем, что между разделительной мембраной и компенсационной мембраной установлены лепестковый клапан и защитная камера с защитной мембраной таким образом, что давление поступает к компенсационной мембране и к измерительному узлу с помощью системы дросселей с переменной производительностью, зависящей от скорости нарастания измеряемого давления.