Датчик давления с компенсацией изменения объема жидкости при её кристаллизации

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления с тензометрическим чувствительным элементом (сенсором), предназначенным для измерения постоянного или медленно меняющегося давления жидких веществ с помощью элементов, чувствительных к механическому воздействию или давлению измеряемой среды с помощью упруго деформируемых элементов.
При этом необходимо пояснить суть проблемы.
Датчики давления обычно воспринимают давление посредством разделительной мембраны, которая связана сообщением по текучей среде с сенсором. Разделительная мембрана (изолирующая диафрагма) изолирует сенсор от измеряемых рабочих текучих сред. Эти рабочие текучие среды могут быть в высокой степени коррозийными или могут иметь высокие температуры, таким образом изолированы от сенсора с целью исключения коррозии или повреждения сенсора. Давление от изолирующей диафрагмы передается на сенсор с использованием, по существу, несжимаемой заполняющей текучей среды, такой как силиконовое масло. Сам тензометрический сенсор имеет физическую структуру, такую как чувствительная диафрагма, которая реагирует на давление посредством деформирования. Сенсор включает также электрическую резистивную тензометрическую структуру, размещенную на хрупкой деформируемой кремниевой подложке. Когда кремниевая подложка в ответ на давление деформируется, сопротивление тензодатчика изменяется.
Одним из конструктивных ограничений тензометрических датчиков является разрушение сенсора при высоком избыточным давлении, превышающем критические значения. Датчики давления на основе тензометрического сенсора используют, по существу, несжимаемую текучую среду для соединения чувствительного к давлению элемента с рабочей текучей средой или с газом через разделительную мембрану. При возникновении перепада давления эта заполняющая текучая среда передает давление на чувствительный элемент. Чувствительный элемент изгибается и при превышении критических значений давления разрушается. Это приводит к выходу датчика из строя.
В некоторых случаях рабочая среда (например, вода) может замерзать и при расширении, в процессе перехода из жидкого состояния в твердое, создавать через разделительную мембрану избыточное давление в измерительной системе, превышающее критическое давление, при котором вся нагрузка ложится на тензометрический сенсор, после чего возможно его разрушение. Возможное увеличение толщины разделительной (изолирующей) мембраны с целью ее возможного сохранения после разрушения сенсора только ухудшает метрологические характеристики измерительного устройства.
Наиболее близким по технической сущности (по конструкции) к заявляемому является передатчик давления, представленный в п. РФ №2693732 по кл. G01L7/08, з. 30.09.2015 г., оп.04.07.2019 г. и выбранный в качестве прототипа.
В известном техническом решении датчик давления рабочей текучей среды включает в себя тензометрический сенсор, имеющий электрическую характеристику, которая изменяется в ответ на деформацию сенсора в ответ на давление. К сенсору подсоединена измерительная схема, которая выполнена с возможностью обеспечения указания этой электрической характеристики. Изолирующая диафрагма (мембрана) выполнена с возможностью контакта с рабочей текучей средой и деформации в ответ на давление рабочей текучей среды. Изолирующая диафрагма (мембрана) посредством по существу несжимаемой заполняющей текучей среды соединена с тензометрическим сенсором. С заполняющей текучей средой соединена структура, податливая к воздействию избыточного давления, и она выполнена с возможностью быть, по существу, жесткой при давлениях ниже выбранного порога, но деформироваться в ответ на давление выше выбранного порога. Эта структура, выполняющая роль демпфера, размещена внутри полости, расположенной непосредственно под тензометрическим чувствительным элементом с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения заполняющей текучей среды и корпуса датчика давления.
Технический результат - устранение потенциальной восприимчивости датчика к высоким избыточным давлениям.
Однако такая конструкция вносит искажения в метрологические характеристики датчика, поскольку является дополнительным упругим элементом, который обладает нелинейностью и демпфированием. При кристаллизации (замерзании) жидкости резко увеличивается объем и значительно возрастает давление измеряемой среды.
Предложенный демпфер компенсирует избыточное давление уменьшаясь в объеме. При этом разделительная мембрана перемещается и ложится на опорную поверхность. Далее мембрана начинает растягиваться и может получить необратимые пластические деформации или порваться.
Задачей является обеспечение стойкости датчика давления, тензометрического сенсора и изолирующей (разделительной) мембраны при работе датчика в условиях замерзания измеряемой жидкости.
Поставленная задача решается тем, что в датчике давления с компенсацией изменения объема жидкости при ее кристаллизации, включающий в себя сенсор, имеющий чувствительный элемент, выполненный с возможностью изменения параметров в ответ на его деформацию и соединенный с измерительной схемой, изолирующую мембрану, соединенную с внутренней стороны с сенсором посредством несжимаемой заполняющей текучей среды, выполненную с возможностью контакта с рабочей текучей средой и деформирования в ответ на давление этой среды в которой установлен демпфер, выполненный с возможностью объемно деформирования в зависимости от давления рабочей среды, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что демпфер служит для компенсации объемных деформаций при фазовом переходе рабочей среды «жидкость - твердое тело», расположен с внешней стороны изолирующей мембраны в полости с измеряемой средой и представляет собой конструктивный элемент, выполненный с возможностью изменения объема от давления, в том числе при кристаллизации (замерзании) жидкости. При этом демпфер может быть реализован по-разному, например, в виде: прокладки из пенополиуретановой резины или газонаполненного каучука, коробчатой мембраны, сильфонного узла и др.
Использование демпфера для компенсации деформаций при фазовом переходе рабочей среды «жидкость - твердое тело» в совокупности с расположением его с внешней стороны изолирующей мембраны и выполнением его в виде конструктивного элемента, имеющего возможность изменения объема от давления, позволяет предотвратить разрушение тензометрического сенсора при замерзании рабочей среды и сохранить высокую точность измерения.
Технический результат - обеспечение стойкости датчика давления, тензометрического сенсора и изолирующей (разделительной) мембраны при работе датчика при замерзании измеряемой жидкости и после.
Заявляемый датчик давления обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как использование демпфера для компенсации деформаций при фазовом переходе рабочей среды «жидкость -твердое тело» без потери точности измерения, расположение его с внешней стороны изолирующей мембраны между мембраной и штуцером и выполнение его в виде конструктивного элемента, имеющего возможность изменения объема от давления, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый датчик давления с компенсацией изменения объема жидкости при кристаллизации может использоваться в измерительной технике, в частности, в тензометрических датчиках давления, работающих в условиях минусовых температур и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлен общий вид в разрезе датчика давления.
Заявляемый датчик давления с компенсацией изменения объема жидкости при кристаллизации включает в себя корпус датчика 1 давления, имеющий чувствительный элемент 2, выполненный с возможностью изменения параметров в ответ на его деформацию и соединенный с измерительной схемой 3, изолирующую мембрану 4, выполненную с возможностью контакта с рабочей текучей средой 5 и деформации в ответ на ее давление и соединенную с корпусом датчика 1 давления посредством несжимаемой заполняющей, например, силиконовой текучей среды 6. Текучая среда 6 соединена с расположенным между корпусом датчика 1 давления и рабочей текучей средой 5 демпфером 7. Демпфер 7 служит для компенсации объемных деформаций при фазовом переходе рабочей среды 5 «жидкость - твердое тело», расположен с внешней стороны изолирующей мембраны 4 между ней и штуцером 9 в полости 8 и представляет собой конструктивный элемент, выполненный с возможностью изменения объема в зависимости от давления. Так, демпфер 7 может быть выполнен в виде, например, прокладки из пенополиуретановой резины или газонаполненного каучука, коробчатой мембраны, сильфонного узла и др. При этом корпус датчика 1 закреплен в штуцере 9. Датчик давления работает следующим образом.
Рабочая среда, двигаясь по штуцеру 9 под давлением, воздействует на изолирующую мембрану 4, которая, перемещаясь, передает давление через несжимаемую жидкость 6 на чувствительный элемент 2. Чувствительный элемент 2, воспринимающий давление на свою поверхность, деформируется и преобразовывает деформации в электрический сигнал, передавая его в измерительную схему 3. При этом демпфер 7 сжимается, не влияя на результаты измерения.
При минусовых температурах в процессе кристаллизации рабочей среды 5 (например, воды) объем вещества увеличивается, наращивая давление в полости 8 за счет объемных деформаций, которые компенсируются демпфером 7.
В сравнении с прототипом заявляемый датчик обеспечивает стойкость прибора, тензометрического сенсора и изолирующей (разделительной) мембраны при работе устройства в условиях замерзания измеряемой жидкости.