Преобразователь давления Советский патент 1981 года по МПК G01L9/04 

1

Изобретение относится к измерению i знакопеременных давлений, в частности, к электрическим манометрам с тензорезисторными элементами.

Известны приборы, основанные на преобразовании давления в перемещение поршня t 1

Известен преобразователь давления, содержащий полый цилиндрический корпус со штуцером, заключенный внутри него и жестко .связанный с ним упругий элемент с тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему, и поршень, взаимодействующий с рабочей средой и тензоэлементомр.

Однако в указанном приборе жесРкое крепление упругого тензоэлемента к корпусу и криволинейные поверхности вызывают деформацию его решетки в поперечном направлении (сложное напряженное, состояние) и -способствуют появлению вредной чувствительности не обеспечивающей стабильности показаний при длительных измерениях.

Упомянутый преобразюватель не может эффективно использоваться при замере и записи быстроменяющихся давлений, совершенно Не приспособлен для реги страции разрежений (отрицательных давлений) и для работы в химически агрессивных средах.

Цель изобретения - повышение точности при измерении знакопеременного давления.

10

Указанная цель достигается тем, что преобразователь снабжен балансированной рамкой, закрепленной на поршне и соединенной с центром упругой балки сверху шариковым фикса15тором, а снизу - призмой.

Балансирная рамка соединена с поршнем универсальным сферическим шарниг ром.

Пара поршень-гильза снабжена гер20метичной камерой смазки.

Преобразователь снабжен шарнирновинтовым механизмом регулирования жесткости пруасины. На чертеже показан преобразователь давления, общий вид. Преобразователь давления состоит из цилиндрического корпуса 1, сн женного в нижней части штуцером, сл жащим для герметичного соединения прибора с рабочей камерой исследуеного устройства. Корпус I является .базисной деталью преобразователя, в которой закреплены все остальные де тали и уЗлы прибора и расположена рубашка 2 охлаждения со штуцерами .3 и 4 подвода и отвода охлаждающей жидкости. В нижнюю часть корпуса строго соосно и герметично запрессована мокрая пустотелая гильза 5, соп ряжённая с пустотелым плугекером. (поршнем) 6, имеющим в верхней части пустотелый сферический наконечник с коническим отверстием на его торце,- образукшдае неуплотненную плун жерную пару. Концентричное расположение плунже ра 6 в гильзе 5 постоянно поддерживается универсальным сферическим пйрниром, позволяющим компенсирЬвать вредные боковые усилия, действу щие на плунжер в процессе работы при бора. Благодаря этому в поршневой группе деталей преобразователя давде йия создаются нормальные условия смазки сопряженных поверхностей рабочей жидкостью и обеспечивается выс кая точность измерений. Универсальный сферический шарнир включает в себя шаровый наконечйик плунжера 6, сухарь 7 со сферическим гнездом, ниж нюю часть балансирной рамки 8 со сферическим гнездом, регулировочную прокладку 9, свинцовую уплотнительну прокладку 10, служащие для обеспечения требуемого гарантийного зазора в сопряженных деталях и герметичности их соединения, и соединительные болты (показаны условно). Сопряженные поверхности шарового наконечника плунжера, сферического гнезда сухаря и шарового гнезда ба. лансирной рамки для уменьшения сил трения точно подгоняются и притираются специальными мелкоабразивными пастами. В процессе работы, как и де тали неуплотненной плунжерной пары, Смазываются маслами низкой консистен ции, заполнякнцими специальную герметичную камеру 11 смазки. Для обеспе4ei9fiH герметичности камеры 11 смазки верхняя часть полой гильзы снабжена резьбой, на которую навинчива54ется цилиндрическая, гайка 12 с центральным отверстием для выхода плунжера, уплотненная свинцовой прокладкой 13, а внутри балансирной рамки установлен болт 14 с уплотнительной прокладкой 15 из свинца, которые значительно улучшают условия смазки сопряженных деталей универсального сферического шарнира. Сменный упругий тензозлемент при бора представляет собой симметричную балку 16 прямоугольного сечения, изготовленную из пружинной стали и имеющую расположенные строго по центру 7 сверху сферическое углубление и снизу два поперечных, соосно расположенных неглубоких паза для (фиксации ее в балансирной рамке 8. При этом концы балки сниЗУ опираются на две шаровые подушки, каждая из которых состоит из шарика 17, расположенного в сферическом гнезде корпуса 1, и контактирующей с ним точно изготовленной витой цилиндрической пружины 18, установленной в глухом отверстии, а сверху концы защемляются клиновидным (заостренным на клин) торцом крьш1ки 19, снабженной мелкой резьбой высокого класса точности для соединения ее с корпусом и фиксируемой в нем при помощи контргайки 20. При изгибе тензобалки 16 концы ее свободно перемещаются is продольном направлении в направляющих с боковыми ограничителями корпуса 1 (сопряжение по скользящей .посадке первого класса точности). В срединной части тензобалка 16 опирается на вершину призмы, расположенной внутри балансирной рамки 8, а сверхузащемляется в шариковом фиксаторе,, -включающем шарик 21, контактирующий с торцом регулировочного болта 22 балансирной рамки, снабженного контргайкой 23. Такая конструкция позволяет устанавливать в приборе сменнзпо тензобалку любой толщины. В углублении головки болта 22 жестко закрепляется конец сменной витой калиброванной пружины 24 растяжения - сжатия посредством винта 25 с пружинной шайбой 2б. Верхний конец пружины 24 поддержи вается при помопш направляющей винтовой канавки, нарезанной на конце оси 27 шарнирно-винтового устройства регулиройки жесткости указанной sbmie пруйонны. Шарнирно-винтовое устройство состоит из трубчатого винта 28 с внутренней поперечной перегородкой, сопряженного с центральным резьбовым OTsepctHeM (мелкая резьба высокого класса точности), крьпики 19, и круглой контргайки 29 для жесткой фиксации винта в крышке. В перегородке винта 28 строго концентрично и шарнирно закреплена ось 27, установленная в двойном упорном шарикоподшипнике 30, обоймы которого зажимаются посредством гайки 31, фиксируемой пружиной шайбой, и упорного кольца 3 Принятая конструкция шарнирновинтового устройства позволяет регул ровать жесткость пружины 24 в-больших пределах, не деформируя при этом элементы ч есткой связи пружины 24 с балансирной рамкой 8. На рабочие поверхности тензобалки 16 сверху и сни зу наклеиваются тензорезисторы 33, соединенные в мостовую измерительную схему с выходом при усилении сигнала на шлейф осциллографа или стрелочный прибор. Компенсация возможных погреш ностей измерений при нагреве тензобалки в процессе работы прибора обеспечивается термокомпенсационньш элементом, состоящим из термокомпенс . ционной пластины 34, жестко соединен ной с корпусом крышки 19, и изготовленной из того же материала, тензобалка 16, и тензорезистора 35, наклеенного на эту пластину. Преобразователь давления работает следующим образом. Нормальное рабочее положение приВора - строго вертикальное. Допускается незначительное отклонение от вертикали {максимально в пределах. 6-12, так как при этом точность его показаний снижается). Для менее точных измерений возможна установка прибора п1)актически в любом положении пространства. При возрастании давления газа или жидкости , плунжер 6 перемещается вверх, увлекая за собой. балансирную рамку 8, которая взаимодействует непосредственно с тензобалкой 16 и пружиной 24 (балка прогибается вверх, а пружина сжима-, ется). При отрицательном давлении (разре жении) плунжер 6 опускается вниз, прогибая тензобалку вниз и растягивая витую пружину. Концы тензобалки при этом свободно перемещаются (скользят) в направляющих между торцом крышки 19 и подпружинен.ными шариками корпуса 1. Таким образом, перемещение плунжера 6 пропорционально давлению, а сигнал разбаланса полумоста пропорционален возникающим напряжениям, то есть строго обеспечивается линейность показаний прибора. Воспринимая давление, тензобалка 16, деформируется, тенэорезисторы 33 выдают слабый элекрический сигнал через тензоусилитель на шлейф осциллографа или стрелочный прибор, регистрирующий процесс. Инерционные погрешности прибора зависят от соотношения между скоростью нарастания .давления и частотой собственных колебаний-тензо лемента, определяемого жесткостью балки I6 с пружиной 24 и приведенной массой подвижных частей. Жесткость тензобалки и п ружины и приведенная масса подвижных элементов определяются срответствукицнми расчетами и уточняются при тарировке измерительного устройства. Следует подчеркнуть, что частота вынужденных колебаний тёнзоэлемента должна значительно превьш1ать частоту вынужденных колебаний. Этим в главных чертах и определяется предел применимости предлагаемого прибора. В зависимости от максимального давления, развиваемого газами или жидкостью, подбирают основные линейные параметры сменшлх тензобалок и пружин. Регулировка зазора между торцом крьш1ки 19 и шариками 17 осуществляется поворотом упомянутой крышки вокруг оси плунжера с . последующей фиксацией ее -в корпусе при пойощи контргайки 20, а регулировка предварительного подпора (жесткости) пружины 24 - поворотом трубчатого винта 28 с последующей его фиксацией контргайкой 29. Шарнирное крепление оси 27 в переородке винта 28 позволяет с высокой очностью регулировать величину сигналов баланса и разбаланса полумоста При замерах как положительных, так и отрицательных давлений. Пружина 24, взаимодействующая с шарнирно закрепленной балансирной рамкой 8, позволяет значительно компенсировать неточности зазора между торцом крьш1ки 19 и шаровыми подушками корпуса 1, подталкивает тензобалку 16 к положению равновесия, стабиизирует изменение ее периода колеаний при изменении амплитуда последа их, чем способствует улучшению изохг онности и снижению инерционное и прибора , а также точности его iнастройки и измерений. При изги бе теизобалки 16 ее концы свободно скользят в опорно-направляющих элементах корпуса 1 и крышки 19 прибора а волокна ее при этом только растягиваются и-сжимаются (отсутстви сложного напряженного состояния ). Де формация решетки в поперечном направ лении балки практически отсутствует, что способствует устранению появления вредной поперечной чувствительности и обеспечивает стабильность по .казаний при длительных измерениях. Жидкая смазка в герметичной камере 11 помимо своего основного назначени выполняет и другие важные функции, а именно: она способствует лучшему охлаждению рабочих поверхностей плунжера 6 и гильзы 5, предохраняя их одновременно от коррозийного воздействия химически агрессивных жидкосте или газов и значительно улучшая герметичность плунжерной пары. Жидкость запрлняющая полость плунжера 6, при этом является гидравлическим гасителем вредных резонансных колебаний подвижной- системы прибора. В замкнутой камере 11 смазки используется эф . факт тепловой трубки, основанный на четырех физических явлениях: испарении жидкости, конденсации насьш1енного пара, поверхностном натяжении и смачивании твердых тел (адгезия жидкости в тонкослойных потоках). Когда в процессе работы прибора инте сивно нагревается один конеп камеры П (в области шт5щера), рабочая жидкость начинает там испаряться и пар под действием возникающей разности давлений устремляется вверх (к другому концу). Здесь он конденс руется и отдает тепло более холодным стенкам, а жидкость устремляется назад, к месту нагрева, что усиливает эффект теплопередачи в несколько песятков раз и обеспечивает равноме; ;; ный прогрев плунжерной пары по всей длине. При перемещении слоев смазыва ющей жидкости, имеющих различную температуру: (конвенция), и ее расширении в результате нагрева последняя по наклонным каналам гильзы 5 и плун жера 6 проникает принудительно (под некоторым давлением) в зазоры между сопряженными деталями плунжерной пaры, значительно улучшая условия их Смазки и эффективно повьш1ая при этом герметичность их подвижного соепине1шя. При работе преобразователя в условиях высоких температур охлаждение стенок Гильзы 5 осуществляется холодной водой, циркулирующей по рубашке 2 охлаждения через штуцеры 3 и 4 (направление подвода и отвода охлажда ющей жидкости на чертеже показано стрелками). В условиях низких температур в рубашку 2 подается горячая вода или подогретый ВОЗДУХ. Это обеспечивает нормальное функционирова- . ние прибора в любых условиях и расширяет возможности его использования. Тарировка универсального преобразователя давления производится по общепринятой методике при помощи эталонных или образцовых грузопорщневых манометров или же манометров и вакуумметров высокого класса точ ности других систем. Формула изобретения 1.Преобразователь давления, содержащий цилиндрический корпус, в нижней части которого расположена рубашка охлаждения и коаксиально с корпусом закрепленная гильза с неуплотненным подпружиненным пустотелым поршнем, верхний конец которого выполнен в виде шарового наконечника, связанную с поршнем и шарнирно закреплен- Hjno по цвум концам упругую балку с тензорезисторами, соединенными в измерительную схему, отличающийся, тем, что, с целью повьш1ения точности при измерении знакопеременных давлений, преобразователь давления снабжен балансирной рамкой, закрепленной на поршне и соединенной с центром упругой балки сверху шариковым фиксатором, а снизу - призмой. 2.Преобразователь по п. 1, о т - . личающийся тем, что,бапансирная рамка соединена с поршнем униве1)сальным сферическим шарниром. 3.Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что пара поршень - гильза снабжена герметичной камерой смазки. 4.Преобразователь по п. 1, о т г личающийся тем, что он снаб жен шарнирно-винтовым механизмом регулирования жесткости пружины. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Жоховский М. К. Техника измерения давления и разрежения, Машгиз, 1952, с. 53-56. 2.Авторское свидете/1ьство СССР № 243919,кл. G01 19/04,1967 .(прототип) .