БАРОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
BAROMETRICALLY COMPENSATED PRIMARY MEASURING TRANSDUCER

Изобретение относится к технике измерения в средах, находящихся под давлением, отличающимся от атмосферного давления, и может быть применено, в частности, при гидрохимических исследованиях.
В настоящее время имеется большой выбор лабораторных недорогих и высокоточных чувствительных элементов для измерения химических параметров водных сред, находящихся при нормальном давлении. Существующие чувствительные элементы для глубоководных гидрохимических исследований менее точны и существенно дороже. Поэтому был создан, в том числе и заявителем, ряд новых конструкций первичных измерительных преобразователей (ПИП), находящихся под повышенным давлением, в которых применены лабораторные чувствительные элементы, разработанные для работы при нормальном давлении.
К глубоководным ПИП, по сравнению с лабораторными, предъявляется ряд дополнительных требований. В том числе, чтобы конструкция ПИП обеспечивала надежную его работу при повышенном наружном давлении. Это достигается или путем создания конструкции корпуса, способного выдержать рабочее давление, или путем барокомпенсации конструкции ПИП. Принцип разработки датчика на основе барокомпенсации позволяет уменьшить габариты ПИП, что порой имеет решающее значение, и обеспечивает широкие возможности при выборе конструкционных материалов.
Известен барокомпенсированный датчик ИВ-103 [1], разработанный и изготовленный заявителем. Морским гидрофизическим институтом Национальной академии наук Украины. В этом датчике применен лабораторный электрод ЭСЛ-43-07 (ТУ 25.05.2234-77). При изготовлении датчика электрод дорабатывался - в нем просверливалось отверстие, через которое полость электрода заполнялась электролитом. В этом датчике электролит отделен от исследуемой среды гибкой мембраной, то есть электролит находится под тем же давлением, что и исследуемая среда. В этом преимущество устройства. Однако из-за доработки чувствительного элемента возможно его разрушение, что является недостатком конструкции.
Известен барокомпенсированный датчик ИС-022 [2], также разработки заявителя, в котором применен селективный электрод типа ХС-В-001. Хвостовик электрода размещен в электроизоляционной жидкости, находящейся под тем же давлением, что и исследуемая среда. Барокомпенсация осуществляется с помощью гибкой мембраны. Как и в аналоге [1], в этом техническом решении только жесткость конструкции электрода определяет допустимую глубину погружения датчика, что является недостатком устройства.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является выбранный в качестве прототипа разработанный заявителем барокомпенсированный первичный измерительный преобразователь [3].
Прототип, по первому варианту изобретения, содержит твердотельный чувствительный элемент в виде цилиндрического стержня с гладкой боковой поверхностью и корпус с цилиндрической полостью, заполненной компенсирующей жидкостью. Чувствительный элемент вставлен в полость корпуса посредством герметизирующего кольца, которое отделяет внешнюю среду от компенсирующей жидкости. Кольцо размещено в кольцевой прямоугольной проточке, выполненной на цилиндрической поверхности стержня. Чувствительный элемент установлен с возможностью продольного перемещения в полости - вывод чувствительного элемента выполнен гибким. Вывод электрически изолирован и с герметизацией выведен через хвостовик корпуса. Второй вариант прототипа отличается от первого тем, что чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя является сам корпус. Он выполнен с цилиндрической полостью, заполненной компенсирующей жидкостью. В этой полости установлен хвостовик преобразователя с возможностью продольного перемещения корпуса относительно хвостовика. Уплот-нительное кольцо размещено в кольцевой прямоугольной проточке, выполненной на цилиндрической поверхности хвостовика.
Общими существенными признаками прототипа и заявленного устройства являются: корпус в виде стакана с цилиндрической полостью, заполненной компенсирующей жидкостью, которая изолирована от внешней среды уплотнительным кольцом, через которое в полость установлен с возможностью продольного перемещения жесткий чувствительный элемент в форме цилиндра с гладкой поверхностью, вывод которого выполнен гибким и выведен из корпуса с герметизацией.
Заложенный в прототипе способ барокомпенсации обеспечивает эффективное выравнивание внутреннего и внешнего гидростатических давлений первичного измерительного преобразователя.
Недостатком прототипа является то, что используемый в нем радиальный способ установки уплотнения, в частности резинового кольца, требует малых допусков на размеры сопрягаемых поверхностей (порядка 0,03-0,1 мм). Это обусловливает трудности обеспечения надежной герметизации чувствительного элемента датчика.
В датчике применяется или изготовленный чувствительный элемент (из любого соответствующего твердого материала), или выбранный из числа стандартных (например, чувствительный элемент от выпускаемого промышленностью лабораторного сульфид-селективного электрода). Это определяет другой недостаток прототипа - технические противоречия, присущие ему при использовании стандартных лабораторных чувствительных элементов. Во-первых, стандартные чувствительные элементы имеют довольно высокий разброс величины диаметра цилиндрической поверхности (порядка 0,3-2 мм). Резиновые кольца также имеют разброс величин их диаметров и поперечных сечений. Поэтому для надежной герметизации чувствительного элемента резиновым кольцом необходимо осуществить подбор размера диаметра отверстия корпуса конкретно под этот чувствительный элемент. При замене вышедшего из строя элемента на другой стандартный необходимо осуществлять подбор чувствительных элементов, чтобы элемент входил в отверстие корпуса, но не "проваливался" в него. При этом из-за разброса размеров вновь устанавливаемого элемента возможно ухудшение герметизации датчика, что приводит к снижению его точности. То есть, использование стандартных чувствительных элементов с целью обеспечения высокой точности датчика может привести к снижению точности датчика из-за ненадежной герметизации. Во-вторых, чувствительный элемент должен быть выполнен с канавкой под резиновое кольцо. Из-за доработки стандартного лабораторного чувствительного элемента, например, типа стеклянного ЭСЛ-43-07 или электрода типа ХС-В-001 с пластмассовым корпусом, может быть снижена величина предельной нагрузки разрушения чувствительного элемента. Таким образом, может быть утеряно преимущество применения в датчике сравнительно дешевых и точных стандартных чувствительных элементов.
В основу изобретения поставлена задача создания барокомпенсированного первичного измерительного преобразователя, в котором за счет признаков, характеризующих особенности исполнения узла уплотнения чувствительного элемента, обеспечивается новое техническое свойство - возможность компенсирования разброса допусков на размеры сопрягаемых элементов узла уплотнения, в том числе и стандартных элементов. Указанное новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения: повышение надежности герметизации первичного измерительного преобразователя, в том числе и на базе стандартных чувствительных элементов; упрощение замены вышедших из строя чувствительных элементов с обеспечением надежного уплотнения вновь установленных элементов; обеспечение работы используемых точных стандартных лабораторных чувствительных элементов в диапазоне их штатных предельных нагрузок разрушения. Это повышает надежность и технологичность устройства и расширяет диапазон его рабочих давлений.
Поставленная задача решается тем, что в барокомпенсированном первичном измерительном преобразователе, содержащем корпус в виде стакана с цилиндрической полостью, заполненной компенсирующей жидкостью, которая изолирована от внешней среды уплотнительным кольцом, через которое в полость установлен с возможностью продольного перемещения жесткий чувствительный элемент в форме цилиндра с гладкой поверхностью, вывод которого выполнен гибким и выведен из корпуса с герметизацией, согласно изобретению уплотнительное кольцо установлено в выполненную в корпусе поперечную канавку с сечением в форме усеченного конуса, расширяющегося от дна стакана, и через шайбу поджато в направлении дна стакана втулкой, установленной в корпусе с возможностью перемещения.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображено: фиг. 1 - общий вид устройства в разрезе; фиг. 2 - поперечное сечение узла уплотнения чувствительного элемента.
Барокомпенсированный первичный измерительный преобразователь содержит корпус 1 в виде стакана с цилиндрической полостью, которая заполнена компенсирующей жидкостью 2. Компенсирующая жидкость отделена от внешней, исследуемой, жидкости узлом уплотнения, через которое в компенсирующую жидкость установлен цилиндрический чувствительный элемент 3, контактирующий с внешней средой. Вывод 4 чувствительного элемента выполнен гибким и с запасом, свободно расположен в полости с жидкостью 2 и выведен из хвостовика корпуса с герметизацией, в данном случае - через гермоввод 5. Узел герметизации чувствительного элемента выполнен в виде уплотнения подвижного контакта и включает уплотнительное кольцо 6, в данном случае круглого сечения, которое установлено в поперечную канавку корпуса 1. Канавка имеет поперечное сечение в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону от дна корпуса. Уплотнительное кольцо 6 посредством шайбы 7 с гладкими рабочими поверхностями поджато в сторону дна корпуса втулкой 8, которая с возможностью продольного перемещения установлена на корпусе (по резьбе). Предусмотрено средство фиксирования положения втулки 8. Тип уплотнения (подвижного контакта) и обеспечение запаса выводного провода позволяют чувствительному элементу 3 продольно перемещаться в полости корпуса 1 под действием изменяющегося давления.
Корпус 1 из-за барокомпенсации (равенства наружного и внутреннего давлений) может быть выполнен из любого конструкционного материала, химически нейтрального по отношению к исследуемой жидкости и обеспечивающего неизменность размеров корпуса при его эксплуатации. Например, корпус может быть изготовлен из титана, оргстекла, капролона.
Чувствительный элемент 3 может быть изготовлен - выполнен из любого твердого конструкционного материала, например, стекла, пластмассы, металла. Для качественного уплотнения подвижного чувствительного элемента 3 обязательными требованиями при его изготовлении являются, чтобы чувствительный элемент представлял собой цилиндр (стержень с постоянным диаметром по длине) и в зоне взаимодействия с уплотнительным кольцом 6 имел гладкую поверхность. В качестве чувствительного элемента 3 может быть применен стандартный элемент, например, лабораторный сульфид-селективный электрод XC-S-001.
Уплотнительное кольцо 6 выполнено из упругого материала, сохраняющего свои первоначальные свойства в процессе контакта с компенсирующей жидкостью 2 и внешней средой, и может иметь прямоугольное или круглое сечение. Круглое сечение кольца, имеющее меньшую площадь контакта, является предпочтительным. В устройстве могут быть применены, например, кольца уплотнительные по ГОСТ 9833-73 из резины НО-68 или силиконовой резины.
Компенсирующая жидкость 2 может быть электропроводящей или электроизоляционной, в зависимости от того, с каким чувствительным элементом она будет контактировать. Например, может быть применено полиметилсиликоновое масло ПМС-10 (ГОСТ 13032-77). Жидкость 2, кроме компенсации наружного давления, выполняет функцию изолирования электрического сигнала с чувствительного элемента 3 и демпфирования колебаний гибкого проводника 4.
В качестве гибкого проводника 4 можно применить любой монтажный провод, способный выдержать многократные изгибающие нагрузки. Например, с фторопластовой изоляцией типа МС. Гермоввод 5 применяется в случае выполнения корпуса металлическим и позволяет изолировать электрический сигнал чувствительного элемента 3 от корпуса 1. Гермоввод является отдельным конструктивным узлом, способным выдержать давление, в 1,5 раза превышающее рабочий диапазон давлений устройства.
Сборка и работа устройства осуществляются следующим образом.
При сборке преобразователя чувствительный элемент 3 устанавливается в отверстие (полость) корпуса 1, заполненное компенсирующей жидкостью 2. Это отверстие должно иметь диаметр по верхнему допуску на диаметр применяемого чувствительного элемента 3. В коническую канавку корпуса 1 укладывается уплотнительное кольцо 6 так, чтобы оно плотно коснулось сопрягаемых поверхностей -корпуса 1 и чувствительного элемента 3. На уплотнительное кольцо 6 устанавливается шайба 7, которая, для улучшения условий уплотнения, имеет наружный диаметр, близкий к диаметру меньшего из оснований усеченного конуса канавки корпуса. По резьбе в корпус 1 устанавливается втулка 8, выполненная со шлицами. Перемещением (путем вращения) втулки 8 прижимают шайбой 7 уплотнительное кольцо 6 в направлении дна корпуса. Кольцо 6 деформируется и уплотняет чувствительный элемент 3. При достижении необходимой степени уплотнения чувствительного элемента фиксируют положение втулки 8. Ширина и угол наклона образующей конуса канавки под уплотнение выбираются такими, чтобы при замене чувствительного элемента 3 (установке в корпус другого подобного чувствительного элемента) уплотняющее кольцо 6 всегда находилось в пределах высоты этого конуса. Этот угол, например, можно выполнить равным 3-10 градусов, а ширину канавки - равной 2-3 размерам сечения уплотняющего кольца.
Барокомпенсированный первичный измерительный преобразователь, установленный в корпус измерительного устройства, погружают в исследуемую жидкость, например, в море на заданную глубину. Электрический сигнал с чувствительной зоны элемента 3 поступает на его выводной контакт и передается измерительному устройству. По мере погружения устройства возрастающее давление внешней среды перемещает чувствительный элемент внутрь корпуса преобразователя - чувствительный элемент 3 скользит в уплотнительном кольце 6, погружаясь в компенсирующую жидкость 2. Барокомпенсация устраняет фактор влияния возрастающего внешнего давления на уплотнитедьное кольцо 6 (давления на кольцо с двух сторон уравнены), поэтому на любой глубине погружения исключено вдавливание кольца 6 в зазор между уплотняемыми поверхностями, что обеспечивает стабильность герметизации. Принцип уплотнения чувствительного элемента 3 в корпусе 1 путем использования уплотняющего кольца 6, которое установлено в проточку корпуса заданной формы и поджато направленным усилием в сторону заплечика проточки, повышает надежность герметизации чувствительного элемента, в том числе и при применении серийного элемента, позволяет в процессе эксплуатации преобразователя легко заменять в корпусе чувствительные элементы без снижения надежности их герметизации. Это повышает достоверность информации преобразователя о параметрах исследуемой среды.
Использованные источники:
1. Датчик ИВ-103 (Рт 5.519.103).
2. Датчик ИС-022 (Рт 5.519.022).
3. Патент Украины № 84072, 10.09.2008, Бюл. № 17 - прототип.