ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАНОМЕТР Российский патент 2025 года по МПК G01L9/10 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к технике для измерения давлений. Отдельным направлением является измерение разницы давлений в двух разных точках. Для этой цели используются так называемые дифференциальные манометры, или диффманометры. Известно большое количество вариантов конструкций как манометров, так и диффманометров. В последнее время наибольшее распространение получили приборы, позволяющие выводит количественное значение измеряемого параметра в виде стандартного электрического сигнала, пригодного для математической обработки в компьютерах. Конкретное предназначение предполагаемого изобретения связано с его использованием в установке для исследования кинетики взаимодействия водорода с металлами и сплавами (патент №2817517).

Так, например, в манометре абсолютного давления [RU №2016102914] в U-образную трубку, заполненную флюидной жидкостью, помещены поплавки в виде пустотелых стаканов, в которых находятся кольцевые магниты, которые под действием разности давлений изменяют своё положение, тем самым давая возможность определить давление в коленах трубки. Герметизация системы достигается за счет нахождения снаружи стаканов магнитной жидкости, удерживаемой магнитными силами кольцевых магнитов. Измерение положения поплавков проводится интерференционным методом за счет электромагнитного излучения и приема отраженного сигнала.

Недостатками датчика можно назвать возможность измерения только абсолютного давления, а также высокая сложность конструкции, предусматривающая использование магнитной жидкости, электронных блоков излучения и приема отраженного сигнала, блока преобразования интерференционного сигнала в стандартный электрический сигнал, пригодный для восприятия компьютером.

Известна конструкция поплавкового дифференциального манометра [RU №2006018], состоящего из широкого и узкого сообщающихся сосудов, заполненных жидкостью. Сосуды соединяются с источниками давления Р1 и Р2. В широком сосуде расположен поплавок, который перемещается вверх или вниз за счёт движения столба жидкости в сосуде под действием разности давлений. В качестве преобразователя перемещения поплавка используется упругая нить из токопроводящей резины, подключённая к омметру. При движении поплавка нить растягивается или сжимается, тем самым изменяя своё сопротивление, которое фиксирует омметр.

К недостаткам конструкции можно отнести использование токопроводящей нити, помещенной в упругий чехол, который растягивается и сжимается одновременно с нитью. При этом значительная часть перепада давления на измерительной ячейке обеспечивает не растяжение чувствительного элемента (нити), а растяжение чехла, что снижает чувствительность системы измерения. Другим недостатком является то, что датчик может работать только при растяжении нити, что возможно только если давление в камере с нитью больше, чем в свободном колене, если перепад давления меняет знак, то происходит неупругое смятие чувствительного элемента с потерей линейной зависимости сопротивления от перепада давления, и датчик теряет работоспособность. Кроме того, чувствительный элемент, выполненный из токопроводящей резины, не обладает достаточной стабильностью свойств и со временем теряет исходную калибровку.

Известна также конструкция мембранного манометра [RU №2620450], состоящая из упругого чувствительного элемента (ЧЭ), который воспринимает давление контролируемой среды. ЧЭ соединён осью с ферромагнитным сердечником, помещённым в дифференциально-индуктивный преобразователь. Под действием давления ЧЭ выгибается, что приводит к перемещению сердечника внутри катушек и изменению индуктивности преобразователя.

Недостатком конструкции является то, что измеряется только абсолютное давление.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является датчик разности давлений [RU 2645442], Датчик дифференциального давления, содержащий индуктивный преобразователь, состоящий из индуктивного трансформатора и плунжера, и двух упругих чувствительных элементов - измерительного и компенсационного, причем плунжер связан осью с подвижным жестким центром измерительного чувствительного элемента. измерительный и компенсационный чувствительные элементы связаны не прямой, а обратной связью через дополнительно вводимый специальный канал. Чувствительными элементами являются мембраны, помещённые в независимые друг от друга камеры, на которые действует давление Р1 и Р2 соответственно. Мембраны создают разность давлений, которая передаётся на индуктивный преобразователь, состоящий из плунжера, связанного осью с ЧЭ и индуктивного трансформатора. Давление, оказываемое на мембраны, передаётся на ферромагнитный сердечник, который при движении в катушке вызывает изменение индуктивности, которое фиксируют и в дальнейшем обрабатывают.

Недостатком конструкции является исходное расположение совмещенных катушек относительно сердечника, при котором изменение индуктивности при сдвиге сердечника относительно катушек будет линейным, но минимально возможным в данной конфигурации. В связи с этим, положение сердечника при нулевом перепаде давления будет определяться с минимальной точностью.

Задачей предполагаемого изобретения является возможность позиционирования измерительного элемента диффманометра с максимальной точностью в исходном нейтральном положении при появлении перепада давлений любого знака на диффманометре.

Поставленная задача была решена за счет того, что дифференциальный манометр включает U-образную трубку с расположенными снаружи последовательно соединенными одинаковыми катушками, заполненную наполовину манометрической жидкостью, в оба колена U-образной трубки помещены плавающие измерительные элементы, выполненные из ферритовых стержней длиной, равной высоте катушки, изолированных фторопластовой оболочкой, при этом катушки закреплены таким образом, чтобы, при отсутствии перепада давления на дифференциальном манометре, центр ферритового стержня в одном колене был на уровне нижнего края катушки, а в другом колене - центр ферритового стержня был на уровне верхнего края катушки.

Технический результат, заключающийся в возможности фиксирования перемещения измерительных элементов дифференциального манометра, присоединенного к двум раздельным камерам, достигается за счет измерения суммы изменений индуктивности обеих катушек, и компенсации этой величины за счет изменения давления в одной из камер с помощью присоединенного шприца с исследуемым газом.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 приведена принципиальная схема дифференциального манометра.

На схеме (фиг.1) показаны:

1 - U-образная трубка; 2 - манометрическая жидкость (чувствительный элемент); 3 - измерительные элементы диффманометра (ферритовые стержни); 4 - фторопластовая оболочка; 5 - катушки индуктивности; 6 - контакты катушек.

На фиг.2 приведена зависимость индуктивности катушек дифференциального манометра от величины изменения объёма в активной емкости.

На фиг.3 приведен пример последовательных компенсаций давления в активной емкости за счет вывода избыточного газа с помощью шприца.

Дифференциальный манометр состоит из U-образной трубки 1, заполненной наполовину манометрической жидкостью 2, например, ртутью. В оба колена трубки 1 на ртуть помещены плавающие стержни из феррита 3 во фторопластовой оболочке 4.

На каждом колене U-образной трубки 1 закреплены последовательно соединенные одинаковые катушки индуктивности 5, смещенные по высоте относительно друг друга. Катушки 5 закреплены таким образом, чтобы, при отсутствии перепада давления на манометре, центр ферритового стержня 3 в одном колене был на уровне нижнего края катушки 5, а в другом колене - центр ферритового стержня 3 был на уровне верхнего края катушки 5.

Длина ферритовых стержней - поплавков 3 равна высоте катушки 5.

От катушек 5 выведены контакты 6 для последовательного включения катушек.

Преимуществами данной конструкции является высокая чувствительность и точность измерений.

Высокая чувствительность достигается за счёт использования двух ферритовых стержней-поплавков двигающихся относительно катушек в одинаковой фазе, и независимых катушек индуктивности, включенных последовательно, в связи с чем при данной конфигурации изменения индуктивности будут складываться. Максимальное и синхронное изменение индуктивности при разнонапрвленном движении сердечников обеспечивается исходным положением системы, при котором сердечники введены в катушки ровно наполовину.

Принцип измерения положения сердечников заключается в следующем.

В исходной конфигурации манометр присоединен к двум независимым емкостям, причем в одной из них протекают процессы с изменением объёма и, связанного с этим, давления газов. К этой же емкости присоединен шприц, заполненный наполовину идентичным газом. Начальное положение ферритовых стержней - поплавков соответствует нейтральному положению.

Изменение давления газа в активной емкости приводит к нарушению нейтрального положения поплавков, которое фиксируется измеряющим прибором как изменение индуктивности системы катушек. Изменение давления в активной емкости компенсируется путем введения или выведения газа с помощью шприца таким образом, чтобы показания измеряющего прибора вернулись к первоначальному значению индуктивности катушек, соответствующему исходному нейтральному положению измерительных элементов. Изменение объема газа в системе при этом считывается со шкалы шприца. Эти измерения могут проводиться как во времени, так и при изменении температуры. Электрическая схема измерения допускает автоматизацию компенсации объёма.

Характеристика дифференциального манометра (зависимость индуктивности катушек дифференциального манометра от величины изменения объёма в активной емкости) приведена на фиг.2.

Исследование характеристики показало, что максимум чувствительности диффманометра, определяемый по наклону зависимости индуктивности от разности давлений (объёмов) газа в емкостях, находится в двух точках перегиба кривой. В связи с этим, для максимальной точности позиционирования ферритовых стержней (и уровня разделительной жидкости), необходимо обеспечить их исходное начальное положение вблизи одной из этих точек характеристики.

На фиг. 3 приведен пример определения холостого хода системы при нагреве обеих почти одинаковых емкостей с газом до температуры 980°С при регулярной компенсации разности давлений за счет вывода части газа из активной емкости. Основной задачей при выводе газа является достижение или пересечение горизонтальной линии (фиг.3), соответствующей начальному равенству давлений в активной и пассивной емкостях. Эксперимент показал, что лучшим вариантом является пересечение, поскольку при обратном естественном ходе кривой появляются дополнительные точки пересечения - равенства давлений, - что повышает точность измерений.

Описанный дифференциальный манометр обеспечивает позиционирование измерительного элемента с максимальной точностью в исходном нейтральном положении при появлении перепада давлений любого знака на диффманометре.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность позиционирования измерительного элемента диффманометра с максимальной точностью в исходном нейтральном положении при появлении перепада давлений любого знака на диффманометре существенно повышает чувствительность и точность измерений.

Изобретение предназначено для использования в приборах, для определения изменения относительного объема в замкнутых емкостях, связанного с протеканием процессов выделения или поглощения газа в одной из них, путем измерения разницы давлений с помощью индукционного датчика. Имеет выходной электрический сигнал. Дифференциальный манометр включает U-образную трубку с расположенными снаружи последовательно соединенными одинаковыми катушками, заполненную наполовину манометрической жидкостью. В оба колена U-образной трубки помещены плавающие измерительные элементы, выполненные из ферритовых стержней длиной, равной высоте катушки, изолированных фторопластовой оболочкой. При этом катушки закреплены таким образом, чтобы, при отсутствии перепада давления на дифференциальном манометре, центр ферритового стержня в одном колене был на уровне нижнего края катушки, а в другом колене - центр ферритового стержня был на уровне верхнего края катушки. Технический результат - обеспечение позиционирования измерительного элемента с максимальной точностью в исходном нейтральном положении при появлении перепада давлений любого знака на диффманометре. 3 ил.

Дифференциальный манометр, включающий U-образную трубку с расположенными снаружи последовательно соединенными одинаковыми катушками, заполненную наполовину манометрической жидкостью, в оба колена U-образной трубки помещены плавающие измерительные элементы, выполненные из ферритовых стержней длиной, равной высоте катушки, изолированных фторопластовой оболочкой, при этом катушки закреплены таким образом, чтобы, при отсутствии перепада давления на дифференциальном манометре, центр ферритового стержня в одном колене был на уровне нижнего края катушки, а в другом колене – центр ферритового стержня был на уровне верхнего края катушки.