Чувствительный элемент Советский патент 1981 года по МПК G01L7/06 

(54) {УБСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

1

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к чувствительным элементам измерительных устройств, работающих в условиях воздействия высоких давлений среды.

Известны чувствительные элементы, применяемые для измерения высоких .давлений.

Известный чувствительный элемент содержит ряд гофрированных мембран, полость между гофрами которых заполнена неметаллическим заполнителем, например резиной, а между отбортованными поверхностями мембран размещена металлическая шайба, наружный диаметр которой равен полному диаметру мембран 1 .

Недостатком известного чувствительного элемента является высокая жесткость в осевом (рабочем направлении и, следовательно, малая чувствительность из-за использования нескольких мембран и заполнения свободных полостей между мембранами неметаллическим заполнителем, а также значительный гистерезис чувст-вительного элемента, вызванный введением неметаллического заполнителя.

Другой известный чувствительный элемент содержит гофрированный сильфон с наружными армирующими кольца-; ми. При подаче давления внутрь сильфона давление среды прижимает оболочку сильфона к армирующим кольцам по всему профилю сильфона, которые предохраняют тем самым сильфон от разрушения 2 .

Однако, известный чувствительный элемент имеет следующие недостатки. При подаче высокого давления происходят радиальные смещения гофров сильфона вместе с кольцами друг относительно друга из-за различной жесткости гофр, что приводит к искахсению характеристики преобразования давления в перемещение и к появлению погрешности преобразования давления в перемещение. При дальнейшем возрастании давления нарушается осевая устойчивость чувствительного элемента и искривляется его ось, что приводит к резкому искажению характеристики преобразования давления в перемещение и к значительной погрешности преобразова ния давления в перемещение. Дальнейше,е незначительное увеличение давлени приводит к разрушению чувствительного элемента. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является чувствительный элемент, который содержит сштьфон, корпус и упругие многослойные вставки, свободно расположенные между гофрами сильфона и закрепленные на осях с возможность вращения. Упругие вставки повышают виброустойчивость чувствительного элемента, так как демпфируют резонансные колебания сильфона при действии вибрации 31 . Однако при подаче высокого давления гофры сильфона деформируются (разбухают), так как упругие вставки установлены свободно (с зазором) относительно гофров сильфона. При дальнейшем возрастании давления происходят радиальные смещения гофров С1шьфона относительно друг друг из-за их различной жесткости и нарушается осевая устойчивость сильфона так как упругие вставки установлены свободно (с зазором) относительно внутреннего диаметра сильфона. Даль нейшее незначительное увеличение да ления приводит к разрушению гофров сильфона и чувствительного элемента в целом, так как вставки выполнены упругими, т.е. податливыми к деформации сжатия. Целью изобретения является повыш ние точности и надежности работы при измерении высоких давлений. Указанная цель достигается тем, что в известном чувствительном элементе каждая вставка выполнена в ви де мембраны с симметрично расположе ными кольцевьи и прорезями, образующими в ней перемычки, а центральная часть мембраны выполнена в виде кол цевого жесткого центра, внутренний диаметр которого меньше наружного диаметра сильфона. Выполнение каждой вставки в виде мембраны позволяет значительно повысить ;;cecTKocTb чувствительного эл мента в радиальных направлениях. . 4 Выполнение в мембране кольцевых прорезей позволяет образовать в ней перемычки, которые имеют большие радиальные жесткости и малые изгибные жесткости вдоль оси .чувствительного элемента. Для обеспечения направленного перемещения чувствительного элемента вдоль его оси при измерении давления (или перепада давлений) необходимо, чтобы перемычки были равнежесткими, т.е. должны быть равны между собой жесткости перемычек в осевом направлении чувствительного элемента (изгибные жесткости перемычек); жесткости перер-ычек в радиальных направлениях чувствительного элемента (жесткости перемычек на растяжение - сжатие). Для обеспечения равножесткости перемычек необходимо изготавливать в мембране перемычки с одинаковыми ра змерами, а также размещать перемычки симметрично осям симметрии мембраны. Это требование обеспечивается при изготовлении перемычек путем симметричного расположения в теле мембраны кольцевых прорезей. При.измерении высоких давлений радиальных смещений гофров сильфона относительно друг друга не происходит, так как таким смещениям препятствует большая жесткость перемычек в радиальных направлениях. По этой же причине практически исключается ис-. кривление оси чувствительного эле-мента и потеря им осевой устойчивости при измерении высокого давления. Таким образом, большая жесткость перемычек в радиальных направлениях обеспечивает высокую стабильность характеристики преобразования измеряемого давления (или перепада давлений) в перемещение чувствительного элемента и, следовательно, малую погрешность преобразования давления в перемещение. Стабильность положения оси чувствительного элемента обеспечивает высокую надежность работы чувствительного элемента при измерении высокого давления. Большая жесткость перемычек в радиальных направлениях обеспечивается выбором соответствующих размеров (ширины и толщины) перемычек мембраны, а также выбором соответствующего количества таких перемычек. Малая изгибная жесткость перемь чек обеспечивается выбором соответствующей длины каждой перемычки мембраны.

Выполнение центральной части мембраны в виде кольцевого жесткого центра, внутренний диаметр которого меньше наружного диаметра сильфона, позволяет организовать в ней кольцевые вставки, которые расположены между гофрами сильфона, плотно установлены между ними и являются жесткими как в осевом, так и в радиальном направлениях чувствительного элемента. При подаче высокого давления внутрь сильфона измеряемое давление среды прижимает гофры сильфона к поверхностям кольцевых жестких центров по всему профилю сильфона, которые предохраняют гофры сильфона от разбухания и разрушения. Благодаря такому конструктивному выполнению центральной части мембраны значительно повьшается надежность работы чувствительного элемента лри измерении .высокого давления.

На фиг. I изображен общий вид чувствительного элемента; на фиг. 2 вид А на фиг. 1.

Чувствительный элемент состоит из сильфона 1, крьш1ки 2 для соединения с подвижной системой измерительного устройства, корпуса 3, закреплянидего чувствительный элемент в И311ерительно устройстве, и мембраны 4. Сильфон 1 приварен к крышке 2 и корпусу 3. Мембрана 4 состоит из кольцевого жесткого центра 5 и основания 6, соединенных между собой перемычками 7. Основания 6 неподвижно закреплены в корпусе 3 с помощью гайки 8. Пе земычки 7 выполнены в мембране 4 с помощью кольцевых прорезей 9.

Чувствительный элемент работает следуннцим образом.

При подаче давления внутрь сильфона 1 или при изменении перепада давлений, действующих изнутри и снаружи на СИЛЬФОН I, гофры сильфона, крышка 2 и кольцевые жесткие центры 5 смещаются относительно корпуса 3 в вдоль оси сильфона. По величине смещения крьшки судят об измеряемом давлении (перепаде давлений). При возрастании давления внутри сильфона гофры сильфона прижимаются этим давлением к кольцевым жестким центрам 5 мембран 4 по всему профилю сильфона, при этом перемычки 7 через центры 5 препятствуют радиальным деФор- .

мациям сильфона, сохраняя его осевую устойчивость.

Мембрана с перемычками может быть изготовлена отдельно от кольцевого жесткого центра, а затем жестко соединена с ним с помощью, например, свархи. Однако целесообразнее для повышения точности работы чувствителного элемента изготавливать мембрану с перемычками заодно с кольцевым жестким центром. С этой же целью мембрану необходимо жестко соединять с корпусом чувствительного элемента по наружной поверхности ее. Для повьш1ения точности работы чувствительного элемента мембрану необходимо изготавливать из металлов, обладающих высокими упругими свойствами пружинная сталь, бернллиевая бронэа, элинварные сплавы).

Изобретение может найти широкое применение в датчиках, где перемещения чувствительного элемента малы, например в пьезоэлектрических, тензоре зистивньпс, струнных вибрационночастотных и кварцевых датчиках для измерения высоких давлений и пере- . падов давлений при больших статических (опорных) давлениях.

Из-за высокой чувствительности таких датчиков перемещения чувствительных элементов в них обычно не превьш ают нескольких десятков микрометров. В указанных датчиках жесткость преобразовательных элементов, в которых устанавливаются чувствителные элементы, обычно в десятки - сотни раз выше осевой жесткости чувствительных элементов. Поэтому незначительное увеличение осевой жесткости чувствительного элемента из-за введения перемычек не приводит к сколько-нибудь заметному изменению чувствительности указанных датчиков.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что выполнение каждой вставки в виде мембраны с симметрично расположенными кольцевыми прорезями, образующими в ней перемычки, а выполнение центральной части мембраны в виде кольцевого жесткого центра, внутренний диаметр которого меньше наружного диаметра сильфона, позволило сохранить осевую устойчивость продольной оси чувствительного элемента при воздействии высокого давления, равного 150 кгс/см ; сохранить стабильность характеристики преобразования измеряемого давления 7 в перемещение и, следовательно, обеспечить высокую точность измерения давления после ряда последовательных нагружений чувствительного элемента высоким давлением, изменяю1цимся от О до 150 кгс/см. Формула изобретения Чувствительный элемент, выполненный в виде сильфона, содержащий корпус и вставки, расположенные между гофрами сильфона и соединенные с корпусом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности работы лри измерении вьгсоких давлений, в нем каждая вставка выполнена в виде мембраны с симгаетрично расположенными кольцевыми прорезями, образуюЕщми в ней перемычки, а центральная часть мембраны выполнена в виде кольцевого жесткого центра, внутренний диаметр которого меньше наружного диаметра сильфона. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР К 360570, кл. G 01 L 7/08, 1971. 2.Бурцев К.Н. Металлические сильфоны, М., Машгиз, 1963, стр, 1213. 3.Авторское свидетельство СССР Р398844,кл. G 01 L 7/06, 1972.

Фт.

If/