Пороговый датчик давления Российский патент 2025 года по МПК H01H35/14 G01L19/12 

Изобретение относится к области приборостроения для использования в системах коммутации электрических цепей технологического оборудования и технических объектов при превышении перепада давлений некоторого порогового значения.

Известные в настоящее время пороговые датчики давления имеют значительные температурные погрешности срабатывания, которые могут ограничивать их область применения в технических объектах, от которых требуется работоспособность в широком диапазоне температур внешней среды при малых пороговых значениях давления.

Известен пороговый датчик давления исполнительного коммутирующего устройства [патент РФ №2617708, МПК H01H 35/14, опуб. 26.04.2017], содержащий кожух с расположенным в нем герметичным корпусом, в котором с образованием внутренних объемов закреплены на кронштейнах встречно друг к другу упругие мембраны с контактами в центре на внешних поверхностях.

Известный пороговый датчик давления может быть настроен на малое пороговое давление срабатывания, однако он имеет значительную температурную погрешность.

Известен пороговый датчик давления исполнительного коммутирующего устройства [патент РФ №2707879, МПК H01H 35/14, опубл. 20.09.2019], содержащий корпус, изолированные от корпуса соосные встречно направленные друг к другу фланцами кронштейны с закрепленными на них по внешнему диаметру мембранами с контактами в центре на внешних поверхностях.

Известный пороговый датчик давления может быть настроен на малое пороговое превышение давления срабатывания (уставку), однако он, не смотря на приведенные в описании патента конструктивные меры с использованием компенсационной втулки из составных частей, выполненных из разных материалов, согласованных по тепловому коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалом корпусных деталей и мембран, все же имеет значительную температурную погрешность. При температурном изменении площадей мембран их центры сближаются (при нагреве) или удаляются (при охлаждении) друг от друга, то есть зазор между контактами отслеживает суммарные перемещения центров обеих мембран, увеличивая погрешность срабатывания.

Данный пороговый датчик давления рассматривается в качестве прототипа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является возможность обеспечения малой температурной погрешности срабатывания датчика в широком диапазоне температур внешней среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в пороговом датчике давления, содержащем корпус, встречно направленные друг к другу фланцами кронштейны, изолированные от корпуса путем установки их между основанием и крышкой, соединенных кольцом, причем на кронштейнах по внешнему диаметру закреплены мембраны с контактами в центрах, отличающийся тем, что мембраны ориентированы относительно друг друга разноименными поверхностями, кольцо выполнено из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно меньшим температурного коэффициента линейного расширения материала основания, крышки и кронштейнов.

Установка мембран относительно друг друга разноименными поверхностями обеспечивает компенсацию температурной погрешности вследствие неизбежного различия коэффициентов линейного теплового расширения материала мембран и кронштейнов, а также зоны соединяющего их сварного шва. Центры, имеющих одинаковый профиль, мембран с закрепленными контактами при изменении температуры окружающей среды (следовательно, и изменения площади мембран) всегда перемещаются в одну и ту же сторону, сохраняя зазор между контактами, следовательно, компенсируя температурную погрешность порогового датчика давления.

Кольцо, выполненное из материала с температурным коэффициентом линейного расширения (КЛТР), значительно меньшим КЛТР материала основания, крышки и кронштейнов, при уменьшении или увеличении температуры окружающей среды, незначительно укорачивается или соответственно удлиняется вдоль оси, вызывая лишь незначительные изменения зазора между контактами, следовательно, и порогового значения превышения давления (уставки) датчика.

Температурное уменьшение осевых размеров основания, крышки и кронштейнов, а также контактов при понижении температуры окружающей среды также уменьшает зазор между контактами. Соответственно температурное увеличение осевых размеров основания, крышки и кронштейнов при повышении температуры окружающей среды увеличивает зазор между контактами. Температурные изменения зазора между контактами компенсируют температурные изменения упругих свойств мембран. При пониженной температуре внешней среды мембраны становятся более «жесткими», а при повышенной - более «эластичными».

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия возможности обеспечения малой температурной погрешности срабатывания датчика в широком диапазоне температур внешней среды.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами:

на фиг. 1 представлен осевой разрез порогового датчика давления;

на фиг. 2 - конструкция контактов, закрепленных на мембранах;

на фиг. 3 - мембрана с контактом с вогнутой стороны;

на фиг. 4 - мембрана с контактом с выпуклой стороны.

Соединительные провода на фиг. 1 не показаны.

На фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения:

1 - кожух;

2 - основание (первая корпусная деталь);

3 - втулка (вторая корпусная деталь);

4 - крышка (третья корпусная деталь);

5 - стеклоизолятор;

6 - втулка промежуточная;

7 - нижний кронштейн;

8 - верхний кронштейн;

9 - мембрана;

10 - накладка мембраны;

11 - токовывод;

12 - стеклоизолятор;

13 - канал приема давления Pi;

14 - канал приема давления Р₂;

15 - контакт;

16 - упор.

Пороговый датчик давления (фиг. 1) содержит кожух 1 с расположенным в нем герметичным корпусом, содержащим корпусные детали - основание 2, кольцо 3, крышку 4.

В корпусных деталях - основании 2, крышке 4 с образованием внутренних объемов закреплены на кронштейнах 7, 8 разноименными поверхностями друг к другу упругие мембраны 9. На обеих мембранах 9 в их центрах на внешних поверхностях закреплены упругие контакты 15 с упорами 16 (фиг. 3, 4), взаимодействующие по образующим цилиндрических поверхностей и взаимно развернутые на 90° (фиг. 2). Конструкция контактов 15 и их взаимная установка позволяют реализовать стабильное точечное соприкосновение (взаимодействие) контактов 15 и, следовательно, стабильные электрические параметры датчика, а также упростить его сборку.

Кронштейны 7, 8 установлены на промежуточных втулках 6, которые на стеклоизоляторах 5 закреплены на корпусных деталях - основании 7 и крышке 8 соответственно. Конструкция промежуточной втулки 6 предотвращает разрушение стеклоизолятора 5 при установке (запрессовке) кронштейнов 7, 8.

Каналы 13, 14, выполненные в корпусной детали - основании 2, обеспечивают подвод контролируемых давлений во внутренние полости снаружи и внутри мембран 9. Дополнительный канал 14 (не указан на чертеже) используется для размещения соединительного провода.

Соединение датчика с внешними электрическими цепями объекта применения осуществляется через токовыводы 11, установленные в торцевой стенке кожуха 1 на стеклоизоляторах 12. Отверстия в токовыводах 11 предназначены для вывода и удаления излишков слабины соединительных проводов.

Кольцо 3 выполнено из материала с ТКЛР, многократно меньшим ТКЛР материала корпусных деталей 2,4 и кронштейнов 7, 8. Например, материал кольца 3 - сплав 32НКД ГОСТ 10994-74 (ТКЛР 1,0×10^-6), а корпусных деталей 2, 4 и кронштейнов 7, 8 - сплав 29НК ГОСТ 10994-74 (ТКЛР 4,5…6,5×10^-6). Различие ТКЛР в 4,5-6,5 раз.

Выбор материала корпусных деталей 2,4 и промежуточных втулок 6 обусловлен необходимостью согласования его ТКЛР с ТКЛР стеклоизоляторов 5 для обеспечения выполнения герметичных стеклометаллических спаев. Для обеспечения герметичности сварных соединений кронштейны 7, 8, накладки 10 также выполнены из сплава 29НК.

Датчик работает следующим образом.

При подаче давления P₁ в канал 13, а давления Р₂ (при P₁>Р₂) в канал 14 мембраны 9, упруго деформируясь, сближаются. При превышении давлением P₁ давления Р₂ на разностное значение ΔР=P₁-Р₂ контакты 15, закрепленные в центрах мембран 9, замыкаются. При снижении разности давлений ΔР контакты 15 размыкаются.

Пороговое значение разностного давления срабатывания ΔР (уставка) задается при изготовлении датчика изменением зазора между контактами 15 путем перемещения кронштейнов 7 или 8 в промежуточных втулках 6.

При изменении площади мембран 9, имеющих одинаковый профиль, от изменения температуры окружающей среды центры мембран 9 с закрепленными контактами 15 всегда перемещаются в одну и ту же сторону, сохраняя зазор между контактами 15 и, следовательно, существенно компенсируя температурную погрешность порогового датчика давления вследствие неизбежного различия ТКЛР материала мембран и кронштейнов, а также зоны соединяющего их сварного шва.

Кольцо 3 из материала с низким ТКЛР, например из сплава сплава 32НКД ГОСТ 10994-74, имеющего КЛТР не более 1,0×10^-6 град^-1 в требуемом температурном диапазоне, при уменьшении или увеличении температуры окружающей среды незначительно укорачивается или соответственно удлиняется вдоль оси, вызывая лишь незначительные изменения зазора между контактами 15, и, следовательно, уставки датчика.

Уменьшение осевых размеров корпусных деталей 2,4 и кронштейнов 7, 8, а также контактов 15 и упоров 16 при понижении температуры окружающей среды также уменьшает зазор между контактами 15. Соответственно увеличение осевых размеров корпусных деталей 2, 4 и кронштейнов 7, 8 при повышении температуры окружающей среды увеличивает зазор между контактами 15. Температурные изменения зазора между контактами 15 компенсируют температурные изменения упругих свойств мембран 9. При пониженной температуре внешней среды мембраны 9 становятся более «жесткими», а при повышенной - более «эластичными». Что приводит к существенному снижению температурной погрешности порогового датчика давления.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет создать пороговый датчик давления с малой температурной погрешностью срабатывания.

Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемый пороговый датчик давления предназначен для использования в системах коммутации электрических цепей технологического оборудования и технических объектов при превышении перепада давлений порогового значения;

- заявляемый пороговый датчик давления при использовании способен осуществить возможность обеспечения малой температурной погрешности срабатывания датчика в широком диапазоне температур внешней среды;

- для заявляемого порогового датчика давления в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленный пороговый датчик давления соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области приборостроения для использования в системах коммутации электрических цепей технологического оборудования и технических объектов при превышении перепада давлений некоторого порогового значения. Технический результат заключается в возможности обеспечения малой температурной погрешности срабатывания датчика в широком диапазоне температур внешней среды. Пороговый датчик давления содержит корпус, встречно направленные друг к другу фланцами кронштейны, изолированные от корпуса путем установки их между основанием и крышкой, соединенными кольцом. На кронштейнах по внешнему диаметру закреплены мембраны с контактами в центрах. Мембраны ориентированы относительно друг друга разноименными поверхностями. Кольцо выполнено из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно меньшим температурного коэффициента линейного расширения материала основания, крышки и кронштейнов. 4 ил.

Пороговый датчик давления, содержащий корпус, встречно направленные друг к другу фланцами кронштейны, изолированные от корпуса путем установки их между основанием и крышкой, соединенными кольцом, причем на кронштейнах по внешнему диаметру закреплены мембраны с контактами в центрах, отличающийся тем, что мембраны ориентированы относительно друг друга разноименными поверхностями, кольцо выполнено из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, значительно меньшим температурного коэффициента линейного расширения материала основания, крышки и кронштейнов.