Датчик разности давлений Советский патент 1992 года по МПК G01L7/06 

Изобретение относится к точному приборостроению, а именно к датчикам разности давлений (датчикам перепада давления, дифманометрам).

Известны датчики разности давлений, содержащие одну упругую мембрану 1, 2. Однако, в датчике 1 электрический преобразователь перемещений мембраны омывается контролируемой средой, что недопустимо по требованиям взрывобезо- пасности в условиях добычи и транспортировки газа и нефтепродуктов. В датчике 2 преобразователь перемещений упругой мембраны отделен от контролируемой среды дополнительным трубчатым элементом, снижающим чувствитель датчика, особенно для больших давлений и малых перепадов.

В дифференциальном датчике давления 3 теоретически может быть достигнута высокая чувствительность. Однако, в силу того, что чувствительные элементы - мембранные коробки нагружены полным давлением, уравновешенным только упругими деформациями последних, такой датчик не может быть использован при давлениях в десятки и сотни атмосфер из-за ограничений по прочности.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика,

Указанная цель достигается тем, что в датчике число мембран нечетное, они закреплены в корпусе по своим наружным диаметрам и скреплены между собой по центру штоком, причем все четные мембраны выполнены большего диаметра, чем нечетные, а толщина первой и последней мембраны больше, чем толщина других мембран, при этом нечетные полости между мембранами сообщены с одним штуцером, а четные полости - с другим.

Повышение чувствительности датчика достигается в предлагаемом техническом решении наличием многократно повторяющегося нечетного числа мембран и четного числа полостей (в прототипе только два упругих элемента, образующих три полости), что позволяет многократно суммировать силы от малого значения разности давлений Pi-P2 и взаимно уравновешивать силы от большого значения статического давления.

Повышение чувствительности вызвано увеличением хода стяжки из-за суммирования на ней многократно повторяющихся сил. Стяжка одновременно подкрепляет внешние мембраны, снижая тем самым возникающие в них напряжения и позволяет снизить их толщину и, следовательно, увеличить их податливость.

1763916

еоюэ

Наличие разности площадей больших и малых мембран также ведет к повышению чувствительности датчика.

На чертеже изображена схема датчика

разности давлений, содержащего, например, девять мембран 1-9, которые вместе со стяжкой 10 и корпусом 11 образуют восемь полостей 12-19, четыре из которых 12, 14, 16, 18 сообщаются между собой и с патруб0 ком 20, подводящим давление Pi, а полости 13, 15, 17, 19 сообщаются между собой и с патрубком 21, подводящим давление Р2. На корпусе 11 и стяжке 10 условно показаны элементы преобразователя 22 перемеще5 ний стяжки 10 относительно корпуса одного из известных типов.

Датчик работает следующим образом. При равенстве давлений Pi и Р2 в полостях 12,14,16,18 и 13,15,17,19всеэлемен0 ты датчика нагружены равными и противоположно направленными силами, уравновешивающими друг друга. При этом мембраны 2-8 остаются плоскими и стяжка 10 занимает среднее положение. Мембран ы

5 1 и 2 нагружены полным давлением Pi-Pa и удерживаются от симметричных перемещений стяжкой 10. При появлении разности давлений Pi и Р2 равновесие сил нарушится, поскольку на каждую из мембран 2, 4, 6, 8

0 будет действовать сила, пропорциональная разности давлений PI и Р2 и разности площадей большей и меньшей мембран, например 2 и 3. При этом каждая из мембран 2, 4, 6,8 упруго перемещается в сторону меныие5 го давления, выгибая стяжкой 10 внешние мембраны 1, 9. При некотором смещении стяжки достигается равновесие между силами давления и силами от упругих деформаций мембран. Смещение стяжки пропорциональ0 но разности давлений, разности площадей большей и меньшей мембран и числу мембран. В качества преобразователя перемещений могут быть использованы индуктивные, струнные и другие датчики перемещения,

5 включенные по дифференциальной схеме. Повышение чувствительности датчика разности давления достигается:

-суммированием на выходном звене (стяжке) малых сил от разности давлений,

0 приложенных со стороны многократно повторяющихся чувствительных элементов (мембран), число которых теоретически не ограничено;

-повышенное податливостью каждой 5 из мембран, поскольку они изгибаются под

действием только малой разности давлений и, следовательно, могут иметь минимальную толщину и максимальные размеры, Последнее обстоятельство следует из соотношений (1), (2), (3) см. 4, стр. 240.

W0

PR 64D

0).

D

EhJ

GKB - 0,666

PR h2

12(1 -/) (3),

где Wo - смещение центра мембраны от давления Р,

R - радиус мембраны,

D - жесткость пластины,

Е - модуль упругости материала мембраны,

/и - коэффициент Пуассона,

h - толщина мембраны.

Ожв эквивалентные напряжения в мембране;

- наличие стяжки, которая подкрепляет внешние мембраны и снижает тем самым напряжения, возникающие при подаче в датчик давлений Pi и Р2, поэтому оказывается возможным снизить толщину этих мембран и, следовательно, их жесткость.

Особенность датчиков разности давлений (датчиков перепада давления, дифференциальных датчиков) является то обстоятельство, что они должны реагировать на малые величины разности Р1-Р2 двух относительно больших давлений PI и Р2.

Например, для датчика САПФИР 22 ДД модель 2410 (см. 51, стр. 190) разность P-I-P2 25 х кгс/см2 при Р1 40 кгс/см2. Поэтому в датчиках, выполненных по схеме прототипа, невозможно сохранение их чувствительности при повышении статического давления Р, поскольку полное статическое давление в каждой из манометриче- (2) ских коробок уравновешено только силами

их упругих деформаций, а не силами от ста- 5 тического давления. Это ограничение связано с прочностью конструкции. В предлагаемом техническом решении все чувствительные элементы (мембраны) уравновешены силами статического давления и 10 упруго деформируются только под действием малой величины разности давлений PIР2.

В итоге может быть достигнута высокая чувствительность измерений малых разно15 стей давлений Рч и 2 при больших статических давлениях.

Формула изобретения Датчик разности давлений, содержащий корпус, не менее трех соосно располо20 женных в нем мембран, образующих полости между ними, расположенный соосно мембранам шток, преобразователь перемещения центра мембран в выходной сигнал и два штуцера для подачи минусо25 вого и плюсового давления, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем число мембран нечетное, они закреплены в корпусе по своим наружным диаметрам и скреплены между

30 собой по центру штоком, причем все четные мембраны выполнены большего диаметра, чем нечетные, а толщина первой и последней мембраны больше, чем толщина других мембран, при этом нечетные полости между

35 мембранами сообщены с одним штуцером, а четные, полости - с другим.

Использование: изобретение может быть использовано с целью повышения чувствительности датчика давления. Сущность изобретения: в датчике разности давлений, содержащем корпус 11 с мембранами 1, 2, 3,4,5,6,7, 8, 9, и преобразователь перемещения, нечетное число упругих мембран, образующих четное число полостей, соединены стяжкой, при этом мембраны с четными номерами выполнены большего диаметра, чем мембраны с нечетными номерами, а толщина первой и последней мембран больше, чем остальных. Полости с четными номерами связаны между собой и патрубком, подводящим одно из давлений, а полости с нечетными номерами также соединены между собой и патрубком, подводящим другое давление. Все мембраны уравновешены силами статического давления и упруго деформируются только под действием малой величины разности давлений. 1 ил. 13 VJ Оч CJ чэ