Датчик разности давлений Советский патент 1992 года по МПК G01L13/02 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке высокочувствительных преоб- разоваТ&лей разности давлений, расходомеров жидкости и газа и т.п. приборов.

При диагностировании современных газотурбинных двигателей (ГТД) требуется измерять весьма малые перепады давления 10-5С 0 Па в диапазоне частот 0-1000 Гц в условиях действия высокого статического давления 10 МПа и более.

Известны преобразователи разности давлений, содержащие приемные мембраны и тензомодуль рычажно-мембранного типа. Разность давлений вызывает прогиб мембран, который посредством рычага деформирует чувствительные элементы гензо- модуля. Электрический сигнал с тензомодуля подается на электронный нормирующий усилитель.

Несмотря на то, что известные тензоп- реобразоеатели по точности и удовлетворяют поставленным требованиям, им присущи следующие недостатки: смещение нуля выходного сигнала, а иногда и изменение характеристики во времени; влияние температуры на показания преобразователя, хотя он и содержит элементы для температурной компенсации,

Кроме того, они имеют большие габариты и вес, низкую надежность и высокую стоимость. Поставка отечественной промышленностью тензопреобразователей лимитируется из-за дефицита полупроводниковых тензомодулей,

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является датчик разности давлений параметрического типа, содержащий корпус с двумя подводящими штуцерами, между которыми установлены преобразователь перемещения в электрический сигнал и жесткая пере-- городка, по обеим сторонам которой разме- щены две мембраны, а также схема обработки сигналов.

Датчик представляет собой преобразователь емкостного типа, на жесткой перегородке которого сформирован центральный электрод, а мембраны выполняют функцию подвижных электродов. Благодаря жесткой евлзи, соединяющей центры мембраной их профилированию достигнуты высокие метрологические характеристики преобразовав теля.

Однако, к недостаткам датчика следует отнести узкий диапазон рабочих давлений, верхний предел которых составляет не более 0,15 МПа. Расширение рабочего диапазона датчика требует увеличения толщины мембран, что связано с потерей его чувствительности. Кроме того, известный датчик имеет дополнительные погрешности за счет нелинейности (0,3%). гистерезиса (0.5%) и

температуры (0,05% %

°С

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика к перепаду высоких статических давлений.

Цель достигается тем, что в датчике разности давлений, содержащем преобразователь перемещения в электрический сигнал, жесткую перегородку и мембраны, в нем преобразователь перемещения выполнен в виде вихретокового датчика, а в жесткой перегородке выполнен П-образный сквозной паз с образованием консоли, при этом вихретоковой датчик размещен в паз жесткой перегородки в зоне свободного торца консоли, а мембраны выполнены из эластичного материала и расположены на поверхностях жесткой перегородки, выполненной из металла, причем длина I консоли выбрана из соотношения

ъг

I

тк

где Е - модуль упругости материала жесткой перегородки;

b - ширина консоли;

h - толщина консоли;

mk - масса консоли;

Тг, - время перепада давления.

В известном датчике, в отличие от прототипа, в жесткой перегородке образована упругая консоль и паз, в котором установлен вмхретоковый преобразователь перемещения. Это позволило одной стороны повысить чувствитель преобразователя за счет использования консольного эффекта, а с другой - расширить его рабочий диапазон благодаря высокой механической прочности датчика,

- В полном объеме признаков приведенная совокупность не обнаружена в научно- технической и патентной литературе. Отдельные признаки изобретения известны в других совокупностях, где они проявляют

различные свойства.

Известно консоль с линейным перемещением свободного конца, который нагружают сосредоточенной силой F. В предлагаемом устройстве консоль выполнена за одно целое с жесткой перегородкой и нагружаете. равномерно распределенным по ее площади давлением. Поскольку прогиб консоли пропорционален силе F - PS, где Р - измеряемое давление, S - площадь

консоли, то чувствительность преобразователя можно существенно увеличить за счет использования пл ощади S консоли. Отклонение свободного хоНца консоли из- меряется с помощью вихретокового преобразователя перемещениям Такое решение позволило выполнить вихретоковый преобразователь плоским и установить его у конца консоли.в пазу жесткой перегородки. В настоящем устройстве помимо известных свойств, присущих рассматриваемым признакам, имеет место создание совокупности таких условий, которые приводят к возникновению у этих признаков новых свойств.

Так,-система, состоящая из консоли и вихретокового преобразователя перемещения, в отличие от прототипа свободна от таких недостатков,как влияние гистерезиса, нелинейности и температуры Консоль имеет перемещение от долей микрона до одного миллиметра и выполняется из высококачественных температуростойких материалов Перемещение конца консоли измеряется вихретоковым преобразователем, имеющим рабочий диапазон, превышающий диапазон перемещения консоли

В заявляемом преобразователе воспринимающие давление мембраны выполнены из эластичного материала. Основные

назначения мембран - изоляция приемных камер друг от друга. Поскольку измеряется разность давлений одного порядка, то требования к механической прочности мембран незначительны. Они воспринимают

лишь перепад давлений, а противодействующая сила, в отличие от известных устройств, создается самой консолью. Для исключения возможности отхода мембран от консоли при измерении давлений ниже

атмосферного полость между ними может быть вакуумировзнэ

По сравнению с металлическими мембранами, воспринимающая поверхность которых лимитирована нелинейностью преобразователя, рабочая поверхность консоли может быть выбрана достаточно большой. Можно показать, что отклонение Д(5 конца консоли под действием измеряемого перепада А Р давления имеет вид:

Лв

Et3

(1)

где

- длина консоли,

t - толщина консоли;

Е - модуль упругости материала консоли.

Как видно из выражения (1), перемещение свободного конца консоли зависит от длины консоли в четвертой степени. Варьируя в небольших пределах длину консоли, можно в широких пределах регулировать перемещение ее свободного конца и получить соответственно высокую разрешающую способность преобразователя, Имея набор одинаковых пластин, с выполненными в них консолями разной длины, можно легко компоновать преобразователи на лю- ,бой ряд измеряемого давления.

Следует отметить, что выбор длины консоли не беспределен. Максимально допустимая длина консоли лимитируется временем перепада давления. При конструировании преобразователя необходимо вы- бмрать длину консоли, исходя из выражения.

з

0,3

Е bh3rЈ

ГГ1к

где Е - модуль упругости материала жесткой перегородки;

b,h - ширина и толщина консоли;

mk - масса консоли;

тп время перепада давления.

На фиг. 1 изображена жесткая перегородка с консолью, преобразователем перемещения и нормирующим усилителем; на фиг. 2 - поперечный разрез датчика, вид сбоку; на фиг. 3 - осциллограмма, иллюстрирующая работу преобразователя.

Датчик разности давлений содержит жесткую перегородку 1. в которой электроэрозионным или лазерным методом выреза- нз консоль 2. Зазор между консолью и перегородкой не более 400 микрон. В перегородке выполнен паз 3 в котором установлен вихрегоковый преобразователь 4 пере мещения Зазор между торцями преобразователя перемещения и консоли составляет 400 микрон Выход датчика соединен с блоком 5 фильтрации и нормирующим усилителем 6 На поверхность перегородки с двух сторон нанесены эластичные мембраны 7 и 8, выполненные из тонкой резины Перегородки 1, преобразователь Л перемещения и

мембраны 7.8 установлены между двух приемных камер 9 и 10 давления. Приемные камеры снабжены выступами 11 и 12 для ограничения хода консоли. Датчик в сборе крепится винтами, проходящими через

сквозные отверстия 13 и 14.

Датчик работает следующим образом. При равенстве давлений PI и Р2 консоль находится в нейтральном положении и на выходе нормирующего усилителя сигнал

равен нулю. При перепаде давления, когда , консоль отклоняется от положения равновесия пропорционально измеряемому давлению Р. Отклонение консоли измеряется с помощью вихретокового

преобразователя, сигнал с которого после фильтрации поступает на вход нормирующего усилителя 6. Благодаря конструктивной развязке торцов консоли и вихретокового преобразователя, датчик малочувствителен к изменению температуры. Влияние последействия и гистерезиса в нем сведено к минимуму за счет выполнения перегородки из прецизионного сплава 70НХБМЮ, у которого физико-механические свойства стабильны до температуры 500°С. Разрешающая способность датчика составляет 10 Па (см. фиг. 3).

Использование предлагаемого технического решения в народном хозяйстве страны позволит повысить точность и надежность средств диагностирования газотурбинных двигателей, энергетических установок, газонефтепроводов и т.п. оборудования.

Формула изобретения

Датчик разности давлений, содержащий корпус с двумя подводящими штуцерами, между которыми установлены преобразователь перемещения в электрический сигнал и жесткая перегородка, по обеим сторонам которой размещены две мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем преобразователь перемещения в электрический сигнал выполнен в виде вихретокового датчика, а в жесткой перегородке выполнен П-образный сквозной паз с образованием консоли, при этом вихретоковый датчик размещен в пазе жесткой перегород и в зоне свободного торца консоли, а мемб-где Е - модуль упругости материала жесткой

рачы выполнены из эластичного материала иперегородки:

расположены на поверхностях жесткой перегородки выполненной из металла, причем длина I консоли выбрана из соотношения 5

b ширина консоли, h - толщина консоли: mk масса консоли: гп время перепада давления.

,/

I

V Е b h3 Ј

ГПк

b ширина консоли, h - толщина консоли: mk масса консоли: гп время перепада давления.

Использование: в приборостроении и может быть использовано для измерения перепада давления или расхода жидкости и газа Сущность изобретения: в корпусе датчика размещена жесткая перегородка, на двух сторонах которой расположены мембраны, выполненные из эластичного материала Под действием перепада давления консоль, выполненная в жесткой перегород- ке,отклоняется, а на преобразователе перемещения в электрический сигнал, размещенном в пазе жесткой перегородки у свободного, конца консоли, появляется сигнал рассогласования, величина которого является мерой величины давления. Преобразователь перемещения в электрический сигнал выполнен в виде вихретокового датчика. 3 ил.

... 2Ы Фиг.1

ш ЙР т

л«Т t: i,

,чГ2 Ч-i- J { - -Л

,jR$ f ,%}Ј

; ; r&/;Ј.,. Лза x1 u.J Jfvjl S ,

таГ Г л У

v(

ViUj-w. П i л « .

K w iJ «i t r с i j «r Ј v д i f-f v tvwt w:

Г1, «. v яз«- ч « TI TA v.gp ;i{I г S

S ч j J&cW

в-я-ч.г - - ГртТО W- f

bWldL; 4 $ rCfcf i jJiW + W MS r / - .it. V

,, . -. -, ,т s-jj да, r

.JlL.i jk

SES SKsJS

г J