Дифференциальный датчик давления

Полезная модель относиться к измерительной технике и может быть использована в устройствах измерения перепадов давления жидких и газовых сред.
Самым распространенным первичным преобразователем давления является мембрана. Достоинством мембран является простота конструктивного оформления и разделение измеряемой среды от последующих преобразователей. Но при применении мембран необходимо иметь в виду малую чувствительность первичного преобразования. Выходными параметрами первичных мембранных преобразований являются перемещение центра мембраны или сила.
Преобразование перемещения осуществляют механически, например трибкосекторными механизмами, которые обеспечивают высокую надежность, но ограниченную точность (патент RU 75468 U1, опубл. 10.08.2008). Применяют тензометрическое преобразование (патент RU 2082953 С1, опубл. 27.06.1997; патент RU 2137099, опубл. 10.09.1999; патент RU 2345341 С1, опубл. 27.01.2009). Но аналоговое тензометрическое преобразование подвержено влиянию помех и не позволяет получить высокую точность измерения. Применяют оптическое преобразование (патент RU 2029933, опубл. 27.02.1995), преобразование на электрических контактах (патент RU 92534 U1, опубл. 20.03.2010). По отношению к аналоговому преобразованию имеет преимущество с позиций точности и помехоустойчивости, дискретное (частотное) преобразование (патент RU 153752 U1, опубл. 27.07.2015; патент RU 162006 U1, опубл. 20.05.2016).
При проектировании дифференциальных датчиков давления необходимо иметь в виду правило теории погрешностей - абсолютная погрешность разности равна сумме абсолютных погрешностей уменьшаемого и вычитаемого. Из этого правила следует, что в цепочке измерительных преобразователей дифференцированного датчика давления необходимо создать преобразователь разности и измерять уже эту разность, вместо того, чтобы находить разность через измерение уменьшаемого и вычитаемого.
В качестве прототипа принят дифференциальный датчик давления по патенту RU 2329479 С1 МПК G01L 7/00, опубл. 20.07.2008. В корпусе этого датчика имеется мембранный узел, содержащий мембрану с надмембранной и подмембранной полостями.
Смещение центра мембраны измеряется аналоговыми (по патенту емкостными и электромагнитными) преобразователями в два выходных сигнала, на основе которых вычисляется разностный сигнал, т.е эта композиция образует преобразователь перемещения. Таким образом, в этом датчике за счет аналогового преобразования и нахождения разности через составляющие имеют место ограничения по точности измерения и помехоустойчивости. Кроме того присутствуют ограничения по параметрам измеряемой среды, в частности по размеру включений.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения при достаточной помехозащищенности.
Решаются задачи:
1. Разработка такой комбинации измерительных преобразователей в которой возможно выявление информации непосредственно о величине перепада давления.
2. Разработка конструкции помехозащищенного мембранного преобразователя перепада давления.
3. Разработка основных технических решений дискретного преобразования, реализующих необходимые точности измерения и помехозащищенность.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в дифференциальном датчике давления, содержащем корпус с каналами подвода перепада давления, мембранный узел, преобразующий входные давления в перемещение, и преобразователь перемещения в выходной сигнал, мембранный узел выполнен в виде двух отдельных, закрепленных на корпусе при каналах подвода перепада давления мембран, при этом центры мембран через гибкие тяги связаны с концами двуплечего качающегося рычага, подшипник вала которого выполнен на упругих направляющих, преобразователь перемещения в выходной сигнал составлен из оптического канала и непрозрачной шторки, оптический канал содержит источник света и фотоприемник преобразователя, оптическое окно которого выполнено в форме круга, шторка выполнена в виде пластины, одним концом закрепленной на валу качающегося рычага, а второй ее конец размещен между источником света и фотоприемником преобразователя и имеет радиальный паз, ширина которого равна диаметру оптического окна фотоприемника, при этом преобразователь перемещения в выходной сигнал снабжен модулятором луча источника света, при этом модулятор луча источника света выполнен на основе автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом, составленной из баланса с упругим элементом и фотоприемника модулятора, который имеет одинаковое оптическое окно с фотоприемником преобразователя и установлен по другую сторону источника света, баланс выполнен в форме крыла в виде плоской ленты, на оном конце которой смонтирована магнитная система магнитоэлектрического привода, в ее зазоре размещена неподвижная бифилярная электрическая катушка, подключенная к схеме формирования импульсов привода, а на втором конце крыла баланса выполнена вилочная часть с параллельными пазами, равными пазу непрозрачной шторки, при этом плоскости с вилочной части размещены по разные стороны источника света, а подшипник вала качающегося рычага выполнен из двух секций, каждая секция выполнена в виде двух плоских пружин, расположенных под углом 90 градусов друг к другу, при этом первые концы плоских пружин закреплены на валу качающегося рычага, а вторые - на корпусе.
Устройство дифференциального датчика давления поясняется чертежами:
Фиг. 1 - структурно-расчетная схема;
Фиг. 2 - компоновочная схема;
Фиг. 3 - вид А по фиг. 2;
Фиг. 4 - кинематическая схема подшипника вала качающегося рычага;
Фиг. 5 - конструктивная схема преобразователя перемещения;
Фиг. 6 - осевой разрез преобразователя перемещений;
Фиг. 7 - разрез Б-Б по фиг. 6;
Фиг. 8 - разрез В-В по фиг. 6;
Фиг. 9 - расчетная схема;
Фиг. 10 - эпюры напряжений.
Принятые обозначения
1 - Корпус датчика
2, 3 - Мембраны
4, 5 - Гибкие тяги
6 - Качающийся рычаг
7 - Вал рычага
8 - Подшипник вала
9, 10 - Жесткие центры мембран
11, 12 - Цанговые зажимы на концах рычага
13 - Преобразователь перемещения
14 - Модулятор
15, 16- Секции подшипника
17 - Обойма подшипника
18, 19 - Плоские пружины подшипника
20, 21 - Накладки крепления пружин на валу
22, 23 - Винты накладок
24, 25 - Накладки крепления пружин на обойме
26, 27 - Винты накладок
28, 29 - Винты крепления подшипников на корпусе
30 - Корпус подшипника преобразователя
31 - Плата
32 - Хвостовик платы
33 - Выступы платы
34 - Оптический кронштейн
35 - Винты кронштейна
36 - Источник света
37 - Фотоприемник преобразователя
38 - Фотоприемник модулятора
39 - Пазы кронштейна
40 - Отверстия (оптические окна)
41 - Шторка
42 - Винты
43 - Втулка шторки
44 - Стопорные винты
45 - Баланс
46 - Пружина баланса
47 - Крыло баланса
48 - Вал баланса
49 - Подшипник вала баланса
50 - Постоянные магниты
51 - Магнитопровод
52 - Заклепки
53 - Скоба вилки
54 - Накладка пружины баланса
55 - Винт накладки
56-59 - Подшипники качения пружины
60 - Электрическая катушка
61 - Накладка катушки
62 - Винты накладки
63 - Кронштейн катушки
64 - Контактные штифты катушки
65 - Винты кронштейна
66 - Электрический разъем датчика
67 - Винты крепления выступов платы
68 - Кожух
69 - Винты кожуха
70 - Кронштейны крепления преобразователя
71 - Резьбовые отверстия в корпусе подшипника
72 - Кольцевая оправка мембраны
73 - Винты крепления оправок мембран
74, 75 - Каналы подвода перепада давления
76 - Втулка качающегося рычага
77 - Стопорные винты втулки рычага
78 - Отверстия корпуса для крепления датчика
Все элементы датчика смонтированы на корпусе 1 в форме пластины. Имеется мембранный преобразователь, содержащий две мембраны 2, 3, жесткие центры которых соединены гибкими тягами 4, 5 с концами качающегося рычага 6. Вал 7 рычага установлен в подшипнике 8. Жесткие центры 9, 10 мембран выполнены в виде цанговых зажимов, аналогичные зажимы 11, 12 закреплены на концах рычага. Гибкие тяги представляют собой отрезки стальной проволоки. С валом рычага кинематически связан преобразователь перемещения 13, содержащий модулятор 14.
3
тр
Типовые конструкции подшипников характеризуются некоторым моментом постоянного (Кулонова) трения. Наличие этого трения создает зону застоя (зону нечувствительности)<р, определяемую коэффициентом трения ƒ
Указанное обстоятельство ограничивает точность измерения, особенно в области малых значений, поэтому подшипник 8 выполнен на упругих направляющих.
Подшипник выполнен из двух секций 15, 16. Каждая секция (фиг. 4) содержит обойму 17 и две плоские пружины 18, 19. Первые концы плоских пружин закреплены на валу в поперечном пазу с помощью накладок 20, 21 и винтов 22, 23. Вторые концы плоских пружин закреплены с пременением накладок 24, 25 и винтов 26, 27 на обойме в ее торцовых углублениях. Пружины каждой секции расположены под углом 90 градусов друг к другу. При монтаже секций 15, 16 устанавливают так, чтобы их одноименные плоские пружины были в одной осевой плоскости. Обоймы подшипников закреплены винтами 28, 29 на корпусе 30 подшипника.
Как показывают исследования (Желудков В.Н. О расчете некоторых упругих элементов приборов. Изв. Вузов СССР - "Приборостроение", 1964, т. 7, №5, С. 171-178) для малых углов поворота с допустимой погрешностью такую конструкцию можно считать линейной, а смещением осевой линии можно пренебречь, тогда
где ϕ - угол поворота вала;
п
D - суммарная жесткость на кручение плоских пружин;
п
М - крутящий момент.
Преобразователь перемещения в выходной электрический сигнал и модулятор образуют общий конструктивный блок с подшипником - см. фиг. 5.
Монтажной основой этой сборочной единицы служит плата 31 в форме круга, имеющая соосный хвостовик 32 и выступы 33 для присоединения к корпусу подшипника. Хвостовик предназначен для проведения метрологической аттестации и периодической поверки.
Имеется оптический канал на основе оптического кронштейна 34, который винтами 35 закреплен на плате 31. На общей осевой линии, параллельной осевой линии вала, на оптическом кронштейне установлен источник света 36, по разные стороны от него - фотоприемник 37 преобразователя и фотоприемник 38 модулятора. Для укладки электрических выводов фотоприемников в оптическом кронштейне предусмотрены пазы 39. На фиг. 6 в качестве источника света изображена безкорпусная лампочка (например, НСМ-9), которая своими выводами подпаяна к контактным стойкам. С целью снижения требований к фотоприемникам на размер их оптических окон в кронштейне 34 предусмотрены одинаковые калиброванные отверстия 40. Подвижным элементом оптического преобразователя является шторка 41, которая выполнена в виде плоской непрозрачной пластины, соединенной винтами 42 со втулкой 43. Посредством стопорных винтов 44 втулка крепится на валу 7. Второй конец шторки находиться в зоне оптического луча источника света и имеет симметричный паз шириной равной диаметру оптического окна фотоприемника 37 преобразователя. Таким образом, при повороте вала 7 шторка будет изменять величину светового потока источника света 56.
Поскольку в процессе поворота шторки относительное изменение светового потока мало, то погрешность этого преобразователя окажется неприемлемо большой. Поэтому в предлагаемом устройстве предусмотрен модулятор светового потока, с помощью которого результат преобразования переводиться в дискретную форму. Модулятор построен на основе автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом. Колебательное звено составлено из баланса 45 (инерционное тело) и упругого элемента 46 в виде плоской пружины. Баланс составлен из крыла 47 в форме ленты, закрепленной методом развальцовки на валу 48, который установлен в подшипнике 49 платы 31. На одном конце крыла смонтирована магнитная система с двумя постоянными магнитами 50, которые образуют магнитный зазор с однородным магнитным полем. С целью упрощения конструкции крыло баланса следует выполнять из магнитопроводного материала, как и магнитопровод 51 магнитной системы. Магнитопровод 51 закреплен на крыле 47 заклепками 52. Постоянные магниты закреплены клеем.
На втором конце крыла баланса выполнена вилочная часть в виде параллельных поверхностей, составленных из крыла 47 и скобы 53. На элементах вилочной части выполнены симметричные относительно ее ширины радиальные пазы, равные по ширине пазу шторки 41 (соответственно равные диаметру оптических окон кронштейна 34.) Элементы вилочной части размещены по разные стороны источника света 36. Баланс статически уравновешен. Крепление упругого элемента колебательного звена выполнено следующим образом. Плоская пружина 46 средней частью закреплена с помощью накладки 54 и винта 55 в пазу вала 48. Концы пружины размещены в зазорах внешних колец пар подшипников качения - одна пара 56, 57 другая - 58, 59.
Магнитоэлектрический привод, кроме отменной выше магнитной системы баланса, составляет бифилярная (намотанная в два провода) электрическая катушка 46 и схема формирования импульсов привода СФИП. Применена типовая СФИП на одном транзисторе (см. рис. 21: Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля. Издательство "Атлас", 2016. ISBN978-5-903087-53-2). Катушка 60 привода закреплена накладкой 61 и винтами 62 на кронштейне 63 катушки. При сборке элементов СФИП обмоточные провода катушки (марки ПЭЛ или ПЭВ) подпаиваются к контактным шрифтам 64, закрепленным на накладке 61. Элементы СФИП - транзистор и конденсатор - смонтированы методом навесного монтажа на кронштейне 63. Кронштейн 63 закреплен на плате 31 винтами 65. Монтажные провода (МГШВ - 0,12) уложены по поверхностям рассматриваемой сборочной единицы, закреплены компаундом и соединены с электрическим разъемом 66, который установлен на одном из выступов 35 платы 31. Заметим, что выходные параметры автоколебательной системы -амплитуда и частота - не влияют на результат измерения искомого параметра, не требует котировочных операций. Из соображений стабильности частоты амплитуду и автоколебаний баланса следует выбирать в номинальном выражении 45 градусов. С целью уменьшения количества проводов в кабеле связи датчика с электронным блоком напряжение питания СФИП и источника света 36 следует выбирать равными. Сборочная единица "Оптический преобразователь угла поворота в электрический сигнал" присоединяется к корпусу 30 по его внутреннему диаметру выступами 33 платы 31 с помощью винтов 67. Безопасность в служебном обращении обеспечивается кожухом из тонколистового материала в форме цилиндра. Стык кожуха на выступе электрического разъема фиксируется винтами 69. При сборке датчика юстировачная операция заключается в симметрировании положения пазов вилочной части модулятора относительно оптического окна фотоприемника 38 модулятора за счет крепежа оптического кронштейна 34, затем добиваются аналогичного положения оптического окна фотоприемника 37 с последующей фиксацией найденного положения стопорными винтами 44.
Перед общей сборкой датчика предварительно собирают ряд сборочных единиц:
Сборочная единица "Подшипник". Монтируют секции 15, 16 и закрепляют их в корпусе 30.
Сборочная единица "Модулятор". Монтируют на плате 31 элементы модулятора. Устанавливают шторку 41 и присоединяют плату к корпусу 30. Получают единый конструктивный блок "Преобразователя перемещения".
Сборочная единица "Мембрана" - 2 шт. Собственно мембрану, например 2 крепят по наружному контуру в кольцевой оправке 72, а в центральном отверстии крепят цанговый зажим 9. Каждая из этих сборочных единиц будет крепиться винтами 73 над каналами 74, 75 подвода перепада давления.
Сборочная единица "Качающийся рычаг" составлена из рычага 6, двух цанговых зажимов 11, 12, втулки 76 и крепежных винтов.
Общую сборку датчика начинают с крепежа сборочных единиц "Мембрана" на корпусе 1. Затем с помощью кронштейнов 70 с использованием резьбовых отверстий 71 в корпусе 30 подшипника закрепляют единый конструктивный блок "Преобразователь перемещения". Далее стопорными винтами 77 скрепляют сборочную единицу "Качающийся рычаг" на валу 7 рычага. После этого закрепляют гибкие тяги 4,5 в цанговых зажимах мембран и рычага. Для крепления датчика к объекту исследования в корпусе 1 предусмотрены отверстия 78.
1
2
1
2
Рассмотрим процесс получения выходного электрического сигнала. При поступлении входных давлений Р и Р измеряемой среды центры мембран будут перемещаться, т.к. к ним приложены силы Q и Q (Андреева Л.Е Упругие элементы приборов. - М.: Машгиз, 1962. - с. 288)
где
ср
R=R-r;
R - внешний радиус мембраны;
r - радиус жесткого центра (цангового зажима).
Эти силы создают на валу 7 крутящий момент - см. фиг. 1
где  - плечо качающегося рычага.
Рычаг 6 окажется в равновесии, когда крутящий момент (4) сравняется с моментом пружин (1) подшипника вала
или через первичные параметры получим
Условию (5) будет соответствовать перемещение в виде угла поворота ϕ вала 7 качающегося рычага 6.
Обратимся к преобразователю перемещения. Будем полагать, это фотоприемники 37 преобразователя и 38 модулятора входят в состав электронных формирователей импульсов, которые доводят форму импульсов до прямоугольной. Рассмотрим случай фиг.9, когда шторка повернута на угол ϕ. Пусть баланс 45 движется с угловой скоростью  Обозначим на траектории R межосевого расстояния "вал датчика - оптический канал" характерные точки на кромках вилочной части: А, А', В, В', характерные точки на оптических окнах фотоприемников - С, Е, а на кромке паза шторки - F.
AC
37
38
A
F
A
E
Когда точка А вилочной части доходит до точки С оптических окон -момент времени t - начинается перекрытие оптического луча источника света и появляются импульсы U,U от обоих фотоприемников. Импульс на фотоприемнике преобразователя заканчивается в момент времени t, при совмещении точек А' и F, а на фотоприемнике модулятора в момент времени t,. Аналогичная ситуация будет по второму участку ВВ' вилочной части. В результате срез одного импульса сдвинут по времени на величину Δt по отношению к срезу другого импульса.
При движении баланса в обратном направлении  окажутся сдвинуты на Δt фронты импульсов. Фазовый сдвиг в радианной мере будет пропорционален относительному сдвигу. Искомый результат будет получен по формуле
38
где t - длительность импульса фотоприемника модулятора;
Δt - временной сдвиг импульсов фотоприемников преобразователя и модулятора.
1
2
Если соотношение входных давлений Р и Р окажется обратным, то результат измерения не изменится за счет симметричности преобразования.
Таким образом в предлагаемом дифференциальном датчике давления высокая точность результата реализуется за счет непосредственного независимого от помех выявления, отражающего перепад давления, перемещения с последующим дискретным преобразованием перемещения в выходной электрический сигнал. Устройство датчика реализуется с учетом агрегатного принципа проектирования, что обеспечивает высокую технологичность конструкции.