ДАТЧИК ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ
EXCESS PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для непрерывного измерения давления и предназначено для защиты первичного чувствительного элемента от воздействия критического перегрузочного давления.
Известен датчик разности давлений (см., например, патент США №3841158, кл. 73-407, 1984), содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Между полостями в корпусе закреплен полупроводниковый чувствительный элемент. На внешней поверхности корпуса закреплены герметично с зазором от корпуса две профилированные воспринимающие давление мембраны, подмембранные объемы каждой из которых соединены с помощью отверстий с соответствующей полостью. Между полостями в корпусе герметично закреплен сильфон, а между подвижной крышкой сильфона и корпусом в одной из полостей размещена пружина сжатия.
Такая конструкция датчика, обеспечивая защиту чувствительного элемента от воздействия критического перегрузочного давления, увеличивает погрешность измерения.
Это обусловлено тем, что из-за необходимости обеспечения возможности как растяжения, так и сжатия сильфона (перегрузочные давления могут быть как внешними, так и внутренними) между гофрами сильфона принципиально должны быть зазоры. При измерении давления гофры сильфона или отдельные элементы гофров деформируются измеряемым давлением, при этом происходит изменение объемов жидкости в полостях датчика, что приводит к изменению положений мембран, воспринимающих давление и имеющих нелинейные упругие характеристики и, как следствие, к изменению перепада давлений на чувствительном элементе в исходном состоянии и изменению выходного сигнала датчика, т.е. к увеличению погрешности.
Снижение погрешности за счет увеличения жесткости сильфона может привести к перегрузке чувствительного элемента.
За прототип выбран датчик разности давлений (см., например, патент РФ №2098785, кл. G01L 13/02, 1996), содержащий корпус с двумя полостями, заполненными малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, и загерметизированными профилированными мембранами, полупроводниковый чувствительный элемент и сильфон, между подвижной крышкой которого и корпусом размещена пружина сжатия, второй сильфон, герметично закрепленный между полостями, между подвижной крышкой второго сильфона и корпусом размещена вторая пружина сжатия, при этом гофры сильфонов сжаты до упора.
В этом датчике в процессе измерения гофры сильфона, подпружиненные пружиной сжатия, сжаты до упора, при этом изменения геометрических размеров сильфона не происходит, эффективная площадь его остается постоянной, т.е. остается постоянным объем полостей, что не увеличивает погрешность измерения.
В известном датчике гофры сильфона защищены от воздействия избыточного давления, что повышает точность измерения, но в каждом отдельном случае для реализации защиты чувствительного элемента от воздействия критического перегрузочного давления требуется установка упругих элементов датчика (сильфонов и пружин), согласованных по жесткостям с диапазоном преобразования примененного чувствительного элемента.
Предложенное изобретение направлено на защиту ряда отличных по диапазону преобразования чувствительных элементов датчика от перегрузочного критического давления без замены установленных упругих элементов.
Для этого в датчике избыточного давления, содержащем корпус, в котором выполнены две расположенные друг над другом сообщающиеся полости с разделительной и компенсирующей мембранами, тензопреобразователь, электрически через гермовыводы соединенный с электронным блоком, причем одна из полостей сообщается с чувствительным элементом тензопреобразователя и заполнена малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, в корпусе датчика между полостями выполнены профилированные опорные поверхности-упоры для мембран, прогнутых навстречу друг другу, и сквозное отверстие, перекрытое со стороны нижней полости компенсирующей мембраной, поджатой к опорной поверхности находящимся в ее подмембранном объеме заданным избыточным давлением, при этом расположенная в верхней полости разделительная мембрана, воспринимающая преобразуемое давление, находится в нейтральном положении.
При указанном положении мембран преобразуемое датчиком давление полностью передается на чувствительный элемент тензопреобразователя.
При превышении преобразуемым давлением верхней границы диапазона преобразования датчика, но еще значительно меньшим, чем давление разрушения чувствительного элемента тензопреобразователя, компенсирующая мембрана отодвигается от опорной поверхности, освобождая пространство для перетекания жидкости из верхней полости в нижнюю. Процесс перетекания завершается при поджатии разделительной мембраны к своей опорной поверхности, при этом перегрузочное давление не передается на чувствительный элемент тензопреобразователя, предохраняя его от разрушения.
При уменьшении величины преобразуемого давления до верхней границы диапазона преобразования датчика обе мембраны возвращаются в исходное положение и давление, находящееся в камере приема давления датчика, снова полностью передается на чувствительный элемент тензопреобразователя.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена функциональная схема датчика избыточного давления.
Датчик избыточного давления состоит из корпуса 1, в котором размещены две полости 2, 3, электронного блока 4, соединенного с тензопреобразователем 5 через гермовыводы 6 разделительной мембраны 7, компенсирующей мембраны 8, пневмоканала 9, соединяющего полость 2 с камерой приема давления 10, опорные поверхности 11, 12, расположенные в полостях 2 и 3, пневмоканал 13, соединенный с атмосферой, и канал 14, соединяющий датчик избыточного давления с магистралью (измеряемым давлением).
Работает датчик избыточного давления следующим образом.
S
Разделительная мембрана 7, расположенная в полости 3 находится в нейтральном положении, компенсирующая мембрана 8, расположенная в полости 2, поджата заданным избыточным давлением P к опорной поверхности 11, повторяющей ее профиль.
S
При воздействии на разделительную мембрану измеряемого давления P≤P положение компенсирующей мембраны 8 остается неизменным, и давление Р передается в диапазоне преобразования на тензопреобразователь 5 без искажений.
S
При превышении измеряемым давлением Р значения заданного избыточного давления P, компенсирующая мембрана 8 начинает прогибаться, отодвигаясь от опорной поверхности 11, и жидкость, заполняющая подмембранный объем в полости 2 начинает перетекать через отверстие в корпусе в освобождающееся пространство между компенсирующей мембраной 8 и опорной поверхностью 11. При поджатии разделительной мембраны 7 к своей опорной поверхности 12 происходит вытеснение жидкости из полости 2 и дальнейшее увеличение измеряемого давления не приводит к изменению действующего на чувствительный элемент тензопреобразователя 5 давления, не превышающего предел его перегрузочной способности.
S
Для изменения диапазона измерения датчика устанавливают чувствительный элемент необходимого предела измерения, а для защиты чувствительного элемента задают требуемое значение избыточного давления P в камере 8.
Таким образом, предложенная конструкция датчика избыточного давления обеспечивает защиту тензопреобразователя от разрушения.
При этом при изменении диапазона преобразования чувствительных элементов датчика защита чувствительных элементов от перегрузочного критического давления сохраняется без замены установленных упругих элементов.
Кроме этого, отсутствие перемещения мембран при измерении избыточного давления в пределах установленного диапазона преобразования и возврат мембран после воздействия перегрузочного давления строго в исходное положение (благодаря наличию опорной поверхности 11) обеспечивает высокую точность измерения и исключает сдвиг "нулевого" показания датчика.