ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
PNEUMATIC SOURCE OF LOW PRESSURE

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам, создающим давление газа, и может быть использовано в метрологических целях для проведения калибровки или поверки средств контроля и измерения давления методом сличения.
Известны устройства - источники создания давления, указанные в каталоге «Метрологическое оборудование», выпуск 8/2009, ЗАО «ПГ «МЕТРАН»», стр.104 в разделе «Источники создания давления» помпа ручная пневматическая П-025, насос ручной пневматический Н-2,5, пневматические насосы PGV, Т-975 компании Артвик Р, г.Москва, а также портативный задатчик низких давлений СРС2000 компании Wika, Германия и задатчик давления FC0502, фирмы Furness Controls, Великобритания.
Известные источники давления предназначены для создания низких избыточных давлений или разрежения при проведении поверки средств измерения давления методом прямого сличения показаний эталонного и поверяемого (калибруемого) средства измерения давления. Они имеют типовой набор основных узлов, обеспечивающих работоспособность устройства согласно их функциональному назначению: источник давления, ручной или электрический, для создания давления или разрежения в системе, устройства для задания точного давления, коммутирующие устройства, узлы отсечения рабочего газа от атмосферного давления и плавного сброса давления из системы и рабочих полостей эталонного и поверяемого средства измерения давления, присоединительные штуцеры для эталонных и поверяемых средств измерения давления. Сложные задатчики давления имеют электронные блоки управления процессом создания давления.
Недостатком данных устройств является то, что при наличии типового набора основных узлов достаточно сложно сохранить заданное значение низкого давления или разрежения в течение времени, необходимого на поверяемую точку в процессе калибровки или поверки средства измерения давления методом сличения по причине влияния внешних воздействующих факторов - температуры окружающей среды, атмосферного давления на замкнутый объем поверочной системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является узел задания давления, представленный в автоматической системе для испытания герметичности замкнутых объемов, описанный в изобретении к патенту RU 2157981 по кл. G01M 3/02, з. 09.12.98, опубл. 20.10.2000, относящийся к системам измерения герметичности замкнутых объемов в космической технике и выбранный в качестве прототипа.
Известный узел (см. чертеж) задания давления автоматической системы для испытания герметичности замкнутых объемов снабжен емкостью 9 с изменяющимся в процессе испытаний объемом, выполненной в виде сильфонного компенсатора 10, снабженного чувствительным элементом 11, выполненным в виде датчика давления. Сильфонный компенсатор 10 подключен посредством магистрали 7 наддува газа к замкнутому объему 12, а через последовательно установленные пироклапаны и электроклапаны к источнику давления газа 2, причем исполнительные органы указанных клапанов через программно-временное устройство включены в систему автоматического управления клапанами, при этом замкнутый объем через электропневмоклапаны подключен к источникам вакуума и жидкости. В качестве замкнутого объема 12 используют, например, магистрали перекачки жидкого топлива между топливными баками, состыкованными посредством стыковочного устройства 23.
Как следует из описания изобретения к патенту, назначение известного узла при испытании замкнутого объема 12 со стыковочным устройством 23 на герметичность сводится к следующему. Сначала замкнутый объем 12 вакуумируют источником вакуума, в качестве которого используют, например, космическое пространство, при измерении герметичности в Космосе и затем заполняют его жидким топливом под давлением источника 2 газа. Емкость 9 с изменяющимся в процессе испытаний объемом, выполненная в виде сильфонного компенсатора 10, позволяет устранять погрешности измерения при температурных колебаниях в процессе проверки герметичности за счет компенсации расширения (сжатия) массы жидкости в замкнутом объеме 12 и снятия дополнительных увеличений (уменьшений) давления в полости объема 12, при этом датчик давления 11 фиксирует давление с учетом поправки на температурные колебания. Проверка герметичности производится по спаду давления в замкнутом объеме 12.
Недостатком известного устройства является то, что в процессе проверки герметичности замкнутого объема в течение времени, измеряемого часами, замкнутый объем заполнен только жидким топливом (т.е. в системе используется гидравлика) и находится под постоянным давлением порядка 16 атм, и емкость в виде сильфонного компенсатора устраняет погрешности при температурных колебаниях только жидкости под постоянным давлением, что сужает эксплуатационные возможности устройства. При проведении вакууммирования и продувки газом магистралей замкнутого объема работа сильфонного компенсатора в описании изобретения к патенту не показана.
Другим недостатком известного устройства является то, что емкость с изменяющимся в процессе испытаний объемом, выполненная в виде сильфонного компенсатора, позволяющая устранять погрешности измерения при температурных колебаниях вакуума, давлении газа и жидкости, работает только при высоких давлениях (давление порядка 16 атм (1600 кПа), а при низких давлениях (до 40 кПа) устранять погрешности измерения при температурных колебаниях не будет по следующим причинам.
Сильфонный компенсатор известного устройства для давления порядка 16 атм должен иметь многослойную стенку (по ГОСТ 21744-83 или ТУ 3695-001-35740880-97). Например, для давлений до 2,5 МПа (близкое к 16 атм) по ТУ 3695-001-35740880-97 рекомендуется многослойный сильфон диаметром 65 или 98 мм с толщиной одного слоя 0,3 мм и количеством слоев в сильфоне 2 или 3, а это значит толщина стенки сильфонного компенсатора может достигать 0,6 или 0,9 мм для сохранения прочностных характеристик компенсатора. При этих значениях толщины стенки сильфон на температурные изменения низких давлений изменять свой объем не будет. Одной из характеристик сильфонов является их жесткость, измеряемая в Н/мм. С увеличением толщины стенки сильфона, при одинаковых внешних размерах, увеличивается и жесткость сильфона, что приводит к потере чувствительности.
-1
4
Определение низких давлений описано в книге авторов К.И.Хансуварова и В.Г.Цейтлина «Техника измерения давления расхода количества и уровня жидкости газа и пара», Издательство стандартов, 1990 г. В области микроманометрии диапазон измерений составляет от 10 до 4×10 Па.
Так как поверяемые значения давления (поверочные точки) средств измерения могут незначительно отличаться от атмосферного давления, то изменения температуры окружающей среды и атмосферного давления могут значительно влиять на создание с высокой точностью низких давлений и поддержание их постоянными. С увеличением создаваемого давления это влияние проявляется в меньшей степени. В процессе калибровки и поверки средств измерения изменение температуры в десятых долях градуса изменяет давление в десятки паскалей.
Также в известном устройстве у емкости с изменяющимся в процессе испытаний объемом, выполненной в виде сильфонного компенсатора, отсутствует теплоизоляция, что приводит к резким изменениям объема самой емкости при резких колебаниях температуры с фиксированием этих колебаний датчиком.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение возможности создания и сохранения заданных значений низких давлений или разрежения, постоянных по величине, стабильных во времени в процессе калибровки или поверки средства измерения давления методом сличения независимо от изменения внешних воздействующих факторов - температуры окружающей среды, атмосферного давления на замкнутый объем поверочной системы.
Поставленная задача решается тем, что в пневматическом источнике низкого давления, содержащем блок управления, узел задания давления, блок компенсации погрешности в виде элемента с изменяющимся объемом, заключенного в емкость постоянного объема, узел плавного сброса давления, узел стыковки источника с потребителем, согласно изобретению в него введен дополнительно узел точной настройки, включенный между узлом задания давления и блоком компенсации, в котором элемент изменяющегося объема имеет малую жесткость, а емкость постоянного объема выполнена теплоизолированной, при этом все узлы, входящие в источник, выполнены пневматическими.
Выполнение элемента изменяющегося объема с малой жесткостью при размещении его в теплоизолированной емкости постоянного объема и подсоединении через подводящий штуцер к пневматической системе источника низкого давления в совокупности с наличием узла точной настройки позволяет создавать с высокой точностью низкие давления и поддерживать их постоянными.
Технический результат - обеспечение возможности создания постоянных во времени значений низких давлений.
Заявляемый пневматический источник низкого давления обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как введение в него дополнительно узла точной настройки, включенного между узлом задания давления и блоком компенсации, выполнение последнего из элемента изменяющегося объема малой жесткости, размещенного в теплоизолированной емкости постоянного объема, и выполнение всех узлов, входящих в источник, пневматическими, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю не известны технические решения, содержащие указанные выше отличительные признаки, обеспечивающие в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый пневматический источник низкого давления может найти широкое применение в промышленности при производстве средств измерения давления и разрежения, их калибровке и поверке, и поэтому соответствует критерию "промышленная применимость".
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена схема пневматического источника низкого давления для поверки средств измерения давления.
Пневматический источник низкого давления (см. чертеж) состоит из узла 1 создания давления, узла 2 точной настройки, узла 3 плавного сброса давления, управляющего элемента 4, выходных портов 5, а также блок 6 компенсации, выполненный в виде мембранного узла компенсации малой жесткости с изменяющимся объемом, заключенную в емкость 7 постоянного объема, теплоизолированную теплоизоляционным материалом 8 и подсоединенную через подводящий штуцер 9 к пневматической системе источника низкого давления.
Пневматический источник низкого давления работает следующим образом. К выходным портам 5 подсоединяют эталонное и поверяемое средства измерения давления (не показаны). Перед началом создания давления в пневматической системе источника низкого давления закрывают узел 3 плавного сброса давления, а управляющий элемент 4 переключают на создание в подсоединенных приборах избыточного давления или давления в области разрежения. Узлом 1 создания давления в пневматической системе источника создают предварительное давление, близкое к поверочной точке эталонного средства измерения, и узлом 2 точной настройки достигают необходимого значения давления поверочной точки. Прямым сличением сравнивают показания эталонного и поверяемого средств измерения давления.
Давление из системы через подводящий штуцер 9 попадает в блок 6 компенсации с изменяющимся объемом, выполненный в виде мембранного элемента малой жесткости, заключенного в емкость 7 постоянного объема, теплоизолированную теплоизоляционным материалом 8. Изменение температуры окружающей среды и атмосферного давления вызывает изменение объема воздуха, находящегося под давлением. Поскольку блок 6 выполнен в виде мембранного элемента малой жесткости, его упругие чувствительные элементы - мембраны деформируются, увеличивая или уменьшая объем блока 6 компенсации. Теплоизоляционный материал 8 сдерживает влияние на блок 6 компенсации резких колебаний температуры окружающей среды и, как результат, позволяет избежать резких изменений значения точного давления поверочной точки, таким образом, сохраняя заданное значение низкого давления или разрежения, постоянного по величине, стабильного во времени.
Чтобы не вывести из строя мембранный блок 6 компенсации при превышении упругой деформации чувствительных элементов создаваемым давлением служит теплоизолированная емкость постоянного объема 7, ограничивающая перемещение мембран.
С увеличением создаваемого давления это влияние проявляется в меньшей степени. В процессе калибровки и поверки средств измерения изменение температуры в десятых долях градуса изменяет давление в десятки паскалей.
Для сброса давления из пневматической системы источника низкого давления и средств измерения давления открывают узел 3 плавного сброса давления.
В сравнении с прототипом заявляемый пневматический источник низкого давления обеспечивает создание низких давлений и позволяет поддерживать их в течение времени.