ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ В ДАВЛЕНИЕ ГРУЗОПОРШНЕВОГО МАНОМЕТРА
PNEUMATIC FORCE-TO-PRESSURE CONVERTER OF DEADWEIGHT PRESSURE GAGE TESTER

Изобретение относится к области измерения давления, в частности к устройствам, задающим необходимое давление газа, и может быть использовано в метрологических целях для калибровки или поверки средств контроля и измерения давления.
Пневматические грузопоршневые манометры применяются для точного воспроизведения единицы давления в лабораторных условиях при поверке средств измерения давления. Давление в них создается пневматическим преобразователем силы в давление.
Известен пневматический преобразователь силы в давление, в котором цилиндр имеет цилиндрическое сопло с коническим выходом, а поршень выполнен сферическим, (п. США №3047005, 1962 г.).
Известен пневматический преобразователь силы в давление, в котором цилиндр имеет коническое сопло и сферический поршень (см. п. США №4594877, 1986 г.).
Известны грузопоршневые манометры серии «Воздух», имеющие конический или сферический поршень, коаксиально расположенный в цилиндрическом или коноидальном сопле, принцип работы которых описан в журнале «Законодательная и прикладная метрология» №4, 1993 г., с. 25-28, данные приборы разработаны ФГУП ВНИИМс, г. Москва. При этом прибор «Воздух-1,6» имеет сферический поршень, «Воздух-2,5» - сферический поршень, «Воздух-0,4В» - конический поршень, «Воздух-1600» - имеет конический поршень. Принцип работы описан в паспортах на приборы.
Недостатком всех перечисленных известных устройств является непостоянство эффективной площади поршня в процессе эксплуатации в зависимости от его положения относительно внутреннего отверстия (сопла) цилиндра и массового расхода воздуха. Для сферического поршня данный недостаток является результатом взаимодействия боковой поверхности сферического поршня с выходящей струей, тем самым эффективная площадь грузопоршневого манометра зависит от положения сферического поршня во внутреннем отверстии (сопле) цилиндра. Для конического поршня данный недостаток является результатом взаимодействия боковой поверхности конического поршня с выходящей струей, а также механическим взаимодействием сопла с поршнем, что приводит к изменению геометрии сопла в процессе эксплуатации и тем самым к зависимости эффективной площади грузопоршневого манометра от положения конического поршня относительно цилиндра (сопла).
Известно устройство для задания давления, включающее в себя преобразователь силы в давление грузопоршневого манометра, описанное в п. РФ №1493898 по кл. G01L 27/00, з. 12.10.1987 г., оп. 15.07.1989 г.
Известное устройство использует жидкую рабочую среду и содержит корпус с каналом питания и центральным выходным каналом с постоянным дросселем, установленное на корпусе соосно с выходным каналом сопло с цилиндрическим отверстием, переходящее в конический диффузор и неуплотненный нецилиндрический (сферический или конический) поршень, жестко связанный через шток с навеской для наложения грузов, при этом оно снабжено сообщающейся с полостью сопла камерой, установленной на конце диффузора, при этом камера в нижней своей части снабжена сливным патрубком, торец которого расположен выше торца диффузора, а шток поршня пропущен через отверстие, выполненное в верхней стенке камеры.
Недостатком известного устройства является тот факт, что оно использует в качестве среды жидкость, что усложняет его конструкцию.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является пневматический преобразователь силы в давление в грузопоршневом манометре, описанный в статье Кессельман С.М. «Задатчик давления «Воздух». Путь к точности» в журн. «Законодательная и прикладная метрология», 1993 г., №4, стр. 25-28, и выбранный в качестве прототипа (см. Приложение к заявке).
Известный преобразователь содержит коаксиально расположенный в цилиндрическом сопле с возможностью вертикального перемещения относительно его вертикальной оси при воздействии на него сверху силы конический поршень, под которым в сопле коаксиально и неподвижно расположена цилиндрическая вставка с узким отверстием вдоль ее вертикальной оси с зазором с одной стороны для выхода воздуха/газа подачи в него воздуха/газа между ее стенкой и стенкой сопла. При этом вставка выполнена с кольцевым расширением в верхней ее части, превышающим диаметр нижней части поршня, и кольцевым расширением в нижней части сопла, примыкая вплотную к его стенкам, и с отверстием с одной стороны в нижнем кольцевом расширении для подачи воздуха/газа внутрь сопла, а поршень имеет вид усеченного снизу конуса.
Недостатком известного преобразователя является непостоянство эффективной площади поршня в процессе эксплуатации в зависимости от его положения относительно внутреннего отверстия (сопла) цилиндра и массового расхода воздуха, что влечет за собой непостоянство величины создаваемого давления. Данный недостаток проявляется при эксплуатации: во время работы конический поршень при взаимодействии (соударении) с цилиндрическим соплом изменяет форму сопла на выходе, что влечет за собой изменения вытекания струи воздуха/газа и взаимодействия выходящей струи с боковой поверхностью конического поршня, что изменяет эффективную площадь грузопоршневого манометра.
Задачей изобретения является обеспечение стабильности создаваемого давления за счет устранения влияния положения поршня относительно сопла цилиндра на его эффективную площадь во время его эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в пневматическом преобразователе силы в давление грузопоршневого манометра, содержащем коаксиально расположенный в цилиндрическом сопле с возможностью вертикального перемещения относительно его вертикальной оси при воздействии на него сверху силы поршень с конической усеченной снизу частью, под которым в сопле коаксиально и неподвижно расположена с отверстием, по меньшей мере, с одной стороны между ее стенкой и стенкой сопла для подачи в него воздуха/газа цилиндрическая вставка с узким отверстием вдоль ее вертикальной оси для его выхода, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ цилиндрическое сопло цилиндра заканчивается в верхней части расширяющимся кверху диффузором параболической формы, вогнутой внутрь, поршень выполнен цилиндрическим с усеченной параболической частью, вогнутой внутрь и сужающейся книзу, а вставка размещена в сопле с зазором между ней и внутренней поверхностью сопла, образуя кольцевое отверстие для подачи воздуха/газа.
Выполнение поршня из цилиндрического участка, заканчивающегося внизу усеченной вогнутой внутрь параболической частью в совокупности с наличием в верхней части сопла расширяющегося кверху диффузором вогнутой внутрь параболической формы обеспечивает при перемещении поршня вверх во внутреннем отверстии сопла (цилиндра) их сопряжение с постоянной по величине эффективной площадью за счет отведения выходящей струи воздуха от поверхности поршня; для конического поршня замена части его конического участка на цилиндрический предотвращает механическое взаимодействие поршня и сопла и тем самым предотвращает изменение геометрии выходного участка сопла при эксплуатации.
С точки зрения физики пневматический преобразователь силы в давление представляет собой междроссельную камеру, образованную переменным и постоянным дросселем. Постоянный дроссель образуется в кольцевом зазоре между вставкой и внутренней стенкой сопла, переменный дроссель образуется соплом и поршнем. Под воздействием газа (воздух или азот), который подается в постоянный дроссель (Рвхода) поршень поднимается на некоторую высоту, регулируя величину переменного дросселя между соплом и поршнем. Поршень остается во взвешенном состоянии, при этом силы взаимно уравновешены. Выходное давление (Рвых), образованное при этом, является стабильным и может служить эталонным.
Технический результат - стабильность эффективной площади и воспроизводимого давления при эксплуатации.
Заявляемый преобразователь обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как наличие в верхней части цилиндрического сопла расширяющимся кверху диффузором параболической формы, вогнутой внутрь, выполнение поршня цилиндрическим с усеченной параболической частью, вогнутой внутрь и сужающейся книзу, размещение неподвижной вставки в сопле с зазором между ней и внутренней поверхностью сопла с образованием кольцевого отверстия для подачи воздуха, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение указанного результата, поэтому он считает, что заявляемый пневматический преобразователь силы в давление соответствует критерию «изобретательский уровень».
Пневматический преобразователь силы в давление может быть использован в метрологических целях для калибровки или поверки средств контроля и измерения давления, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена конструкция преобразователя в вертикальном разрезе.
Пневматический преобразователь силы в давление грузопоршневого манометра содержит коаксиально расположенный в цилиндрическом сопле 1 с возможностью вертикального перемещения относительно его вертикальной оси при воздействии на него сверху силы поршень 2 с усеченной параболической частью 3, вогнутой внутрь и сужающейся книзу. Под поршнем 2 в сопле 1 коаксиально и неподвижно размещена цилиндрическая вставка 4 с зазором 5 между ней и внутренней поверхностью сопла 1, образуя кольцевое отверстие для подачи воздуха и с узким отверстием 6 вдоль ее вертикальной оси для его выхода. При этом цилиндрическое сопло 1 заканчивается в верхней части расширяющимся кверху диффузором 7 параболической формы, вогнутой внутрь.
В процессе работы пневматический преобразователь силы в давление представляет собой междроссельную камеру, образованную переменным и постоянным дросселем. Постоянный дроссель образуется в зазоре 5 между цилиндрической вставкой 4 и внутренней стенкой сопла 1. Переменный дроссель образуется соплом 1 и поршнем 2. Под воздействием газа (воздух или азот), который подается в постоянный дроссель (Рвхода) через кольцевой зазор 5 поршень 2 поднимается на некоторую высоту, регулируя величину переменного дросселя между соплом 1 и поршнем 2. При воздействии силы сверху поршень 2 остается во взвешенном состоянии, при этом силы давления сверху и воздействия давления снизу взаимно уравновешены. Выходное давление (Рвых), образованное при этом, является стабильным и может служить эталонным.
В сравнении с прототипом заявляемый преобразователь силы в давление обеспечивает стабильность создаваемого давления при эксплуатации, которое может использоваться как эталонное.