Датчик смены среды
MEDIUM CHANGE SENSOR

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, для использования в системах автоматики объектов, погружаемых и извлекаемых из водной среды.
В настоящее время известны различные конструкции гидростатических включателей и датчиков давления, которые могут использоваться в качестве датчиков смены среды, однако, первые, из-за невозможности настройки на малые уставки, не позволяют отслеживать фактическую границу изменения сред с приемлемой точностью, вторые работоспособны только в нейтральных (неэлектропроводных и неагрессивных) жидкостях, то есть не выполняют поставленной задачи.
Известен гидростатический включатель, который может использоваться в качестве датчика смены среды (погружения из воздушной среды в воду, а также извлечения из водной среды в воздушную), содержащий корпус с закрепленной упругой мембраной, взаимодействующей через шток с контактной системой [патент РФ №2691158, МПК G01L 19/12, H01H 35/24 опубл. 11.06.2019, бюл. №17]. Гидростатический включатель работоспособен при погружении в морскую воду и агрессивные жидкости, однако минимальное пороговое давление срабатывания, обеспечиваемое упругой мембраной, соответствует значительной глубине погружения, что неприемлемо для датчика изменения внешней среды, от которого требуется срабатывание при прохождении фактической границы смены сред. Область применения известного гидростатического включателя в качестве датчика смены среды очень ограничена.
Известен пороговый датчик давления исполнительного коммутирующего устройства [патент РФ №2617708, МПК Н01Н 35/14, опубл. 26.04.2017], который возможно использовать в качестве датчика изменения среды, содержащий кожух с расположенным в нем герметичным корпусом, в котором с образованием внутренних объемов закреплены на кронштейнах встречно друг к другу упругие мембраны с контактами в центре на внешних поверхностях.
Известный пороговый датчик давления может быть настроен на уставочное давление, соответствующее гидростатическому давлению воды на малых глубинах, то есть вблизи от границы раздела воздушной и водной сред, однако известный датчик не работоспособен в электропроводящих жидкостях, например, в морской воде, в которой неизбежно электрически соединятся с корпусными деталями все электрические цепи датчика, то есть датчик будет полностью неработоспособным. Надежность работы датчика не обеспечится, а область применения датчика ограничится только дистиллированной водой без каких-либо примесей.
Данный датчик давления - датчик смены среды рассматривается в качестве прототипа.
Задачей заявляемого изобретения является создание надежного датчика смены среды и расширение области применения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение малой погрешности срабатывания и надежной работы в водной среде, включая морскую воду, с широким диапазоном температур.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике смены среды, содержащем кожух, с расположенным в нем герметичным корпусом, в котором с образованием внутренних объемов закреплены встречно друг к другу мембраны с упругими контактами в центре на внешних поверхностях, согласно изобретению он снабжен закрепленными на торце кожуха крышками, между которыми расположена герметичная эластичная перегородка, внутренний объем мембран и кожуха полностью заполнен диэлектрической жидкостью с диапазоном рабочих температур, превышающим диапазон температур эксплуатации датчика, и отделен от внешней среды герметичной эластичной перегородкой, а поверхности крышек, обращенные к герметичной эластичной перегородке выполнены с плавно увеличивающейся от места закрепления к центру эластичной перегородки глубиной и имеют каналы для передачи давления, при этом объемы, образуемые примыкающими поверхностями крышек и эластичной перегородки, превышают температурные изменения объема диэлектрической жидкости в диапазоне температур эксплуатации датчика.
Также в датчике смены среды для повышения надежности работы объем герметичного корпуса с размещенными упругими контактами, заполнен осушенным газом с точкой росы ниже нижнего диапазона температуры эксплуатации датчика.
Оснащение датчика смены среды закрепленными на торце кожуха крышками, с размещением между ними герметичной эластичной перегородки и заполнение внутреннего объема мембран и кожуха диэлектрической жидкостью с диапазоном рабочих температур, превышающим диапазон температур эксплуатации датчика, позволяет исключить непосредственный контакт мембран с внешней водной, зачастую электропроводной средой, обеспечивая возможность передачи на них внешнего давления без его значительного уменьшения и сохранение работоспособности датчика после пребывания при низких и высоких температурах внешней среды в диапазоне температур эксплуатации.
Диэлектрическая жидкость вследствие своей не электропроводности исключает электрическую цепь между мембранами до замыкания упругих контактов.
Выполнение поверхностей корпуса, обращенных к эластичной перегородке, с плавно увеличивающейся от места закрепления к центру эластичной мембраны глубиной и каналами для передачи давления, исключает повреждение эластичной мембраны при действии давления, обеспечивая безотказную работу датчика и длительный ресурс.
Выполнение объемов, образуемых примыкающими поверхностями корпусных деталей и эластичной перегородки, превышающими температурные изменения объема диэлектрической жидкости при предельных рабочих температурах исключает разрушение эластичной перегородки, а также изменение характеристик упругих мембран от температурного изменения объема диэлектрической жидкости.
Заполнение объема герметичного корпуса с размещенными упругими контактами осушенным газом с точкой росы ниже нижнего диапазона температуры эксплуатации датчика исключает выпадение росы и водяного конденсата в объеме с размещенными упругими контактами и отказ датчика вследствие этого.
Заявляемый датчик смены среды работоспособен при погружении и извлечении из различных водных сред, в том числе и из морской (электропроводящей) воды и обеспечивает:
- высокую надежность (сохранение уставки срабатывания при действии больших перегрузочных гидростатических давлений);
- малую погрешность срабатывания, то есть срабатывание как можно ближе к границе раздела сред;
- стабильные электрические параметры контакта при длительной эксплуатации;
- герметичность;
- малые массогабаритные характеристики.
В заявляемом техническом решении относительно прототипа улучшены такие основные технические характеристики как погрешность срабатывания и надежность, кроме того расширены области применения путем обеспечения работы в различных водных средах, как в пресной, так и в морской воде. Малая погрешность обеспечивает требуемое срабатывание заявляемого датчика практически на границе раздела (водной и воздушной) сред. Эта характеристика является основной технической характеристикой разрабатываемого датчика изменения среды. Сохранение уставки срабатывания при действии значительного гидростатического давления обеспечивает надежную работу датчика в течение длительных сроков эксплуатации без значительных ограничений по условиям эксплуатации в части предельной глубины погружения.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения малой погрешности срабатывания, повышения надежности датчика и расширение области применения.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен осевой разрез датчика смены водной среды на воздушную;
на фиг. 2 - конструкция упругих контактов, закрепленных на мембранах в исходном состоянии (жидкость не показана);
на фиг. 3 - конструкция упругих контактов, закрепленных на мембранах в замкнутом состоянии (жидкость не показана);
на фиг. 4 - компенсация увеличения объема диэлектрической жидкости при наибольшей температуре эксплуатации;
на фиг. 5 - компенсация уменьшения объема диэлектрической жидкости при наименьшей температуре эксплуатации;
на фиг. 6 - осевой разрез варианта конструкции датчика смены воздушной среды на водную.
Датчик изменения среды (фиг. 1-6) содержит кожух 1 с расположенным в нем герметичным корпусом, содержащим корпусные детали 2, 3. В корпусных деталях 2, 3 с образованием внутренних объемов закреплены на кронштейнах 4 встречно друг к другу упругие мембраны 5. На мембранах 5 в их центрах на внешних поверхностях закреплены консольно U- образные упругие контакты 6, например, приварены, поджатые свободными концами к закрепленным также на мембранах 5 упорам 7 (фиг. 1). Ход центров мембран 5 до упора в кронштейны 4 при перегрузочном давлении не превышает допустимый упругий прогиб свободного конца каждого упругого контакта 6. Мембраны 5, прижатые к кронштейнам 4, исключают дальнейший прогиб упругих контактов 6, вследствие чего после действия перегрузочного давления упругие контакты 6 не имеют остаточных деформаций (сохраняют свою форму и пространственное расположение точек контактирования).
Упругие контакты 6, закрепленные на мембранах 5, взаимно развернуты примерно на 90° для обеспечения стабильного точечного контактирования и исключения изменения взаимного расположения. Мембраны 5 при росте гидростатического давления прогибаются навстречу друг к другу (сближаются).
Кронштейны 4 установлены на втулках 8, изолированных стеклоприпоем 9 от корпусных деталей 2, 3. Каналы 10, выполненные в корпусной детали 3, обеспечивают подвод контролируемых давлений во внутренние полости мембран 5. Дополнительный канал 10 (не указан позицией на чертеже) используется для размещения соединительного провода.
На торце кожуха 1 закреплены крышки 11 и 12. Между крышками 11 и 12, закреплена упругая герметичная эластичная перегородка 13, отделяющая внутренний объем кожуха 1 от внешней среды. Перегородка 13 выполнена из эластичного материала, например резины, для исключения значительного уменьшения передаваемого на мембраны 5 давления. Примыкающие к эластичной перегородке 13 поверхности 14 крышек 11, 12 выполнены с плавно увеличивающейся от места закрепления до центра эластичной перегородки 13 глубиной. В крышках 11, 12 выполнены каналы 15 для передачи давления. Объемы 16 с обеих сторон эластичной перегородки 13 превышают температурные изменения объема диэлектрической жидкости 17, имеющей диапазон рабочих температур, превышающий диапазон температур эксплуатации датчика. Диэлектрическая жидкость 17 полностью заполняет внутренний объем кожуха 1 и мембран 5. Расположение эластичной перегородки 13 при максимальной положительной температуре показано на фиг. 4, при минимальной отрицательной температуре - на фиг. 5. При этом объем 18 герметичного корпуса, с размещенными упругими контактами 6, заполнен осушенным газом с точкой росы ниже нижнего диапазона температуры эксплуатации датчика.
Заполнение объема 18 с размещенными упругими контактами 6 осушенным газом с точкой росы ниже нижнего диапазона температуры эксплуатации датчика исключает выпадение росы и водяного конденсата в объеме с размещенными упругими контактами и отказ датчика вследствие этого.
Использование жидкости 17 с рабочим диапазоном температур эксплуатации, превышающим диапазон температур эксплуатации датчика, исключает отказ датчика после пребывания при низких и высоких температурах внешней среды в диапазоне температур эксплуатации.
Диэлектрическая жидкость 17 (вследствие своей не электропроводности) исключает электрическую цепь между мембранами 5 до замыкания упругих контактов 6.
Датчик по фиг. 1 обеспечивает замыкание контактов 6 при переходе, например, из водной среды в воздушную. Датчик по фиг. 6 обеспечивает замыкание контактов 6 при переходе, например, из воздушной среды в водную. Контакты 6 датчика по варианту исполнения фиг. 6 выполнены на мембранах 5 за одно целое. Различия вариантов исполнения датчиков фиг. 1 и фиг. 6 только в конструкции контактов 6.
Соединение датчика с внешними электрическими цепями объекта применения осуществляется через токовыводы 19, установленные на деталь 20 кожуха 1 на изоляторах 21. Штенгель 22 предназначен для заполнения внутреннего объема кожуха датчика при его изготовлении диэлектрической жидкостью 17. Штенгель 22 в процессе изготовления датчика обжимается и герметизируется.
Проводами 23 и 24 обеспечивается электрическое соединение кронштейнов 4 с соответствующими токовыводами 19.
Токовыводы 19 с установленными проводами 23, 24 герметизируются с торцов сваркой.
Датчик смены среды работает следующим образом.
В воздушной среде контакты 6 датчика для варианта исполнения по фиг. 1 замкнуты (фиг. 3), в водной среде - разомкнуты (фиг. 2). При переходе из водной среды в воздушную гидростатическое давление прекращает воздействовать на эластичную перегородку 13, а следовательно и на мембраны 5, которые принимают первоначальную форму, замыкая контакты 6.
При последующем переходе из воздушной среды в водную на эластичную перегородку 13 действует гидростатическое давление, которое передается практически без изменения через диэлектрическую жидкость 17 на мембраны 5, которые, упруго деформируясь, размыкают контакты 6. При этом упругими характеристиками мембран 5 возможно обеспечение замыкания контактов 6 на незначительной глубине (практически на границе раздела сред).
При увеличении или уменьшении объема диэлектрической жидкости 17 из-за изменения температуры окружающей среды эластичная перегородка 13 прогибается, компенсируя изменения объема. Объемы 16 с каждой стороны эластичной перегородки 13 достаточны для этой компенсации.
Плавно изменяющаяся глубина примыкающих к эластичной перегородке 13 поверхностей 14 и выполнение в крышках 11, 12 каналов 15 с малым диаметром исключает разрушение эластичной перегородки 13 при действии значительных гидростатических давлений. Поверхности 14 могут быть, например сферическими.
В воздушной среде контакты 6 датчика для варианта исполнения по фиг. 6 разомкнуты, а в водной среде - замкнуты.
Датчики работоспособны в различных водных средах, в том числе в морской воде. Морская вода, являющаяся проводником, в заявляемом датчике непосредственно не взаимодействует с мембранами 5, кронштейнами 4 и втулками 8 (являющимися элементами электрической цепи при замыкании и размыкании контактов 6) за счет организации промежуточного объема датчика, заполненного диэлектрической жидкостью 17.
3
Таким образом, заявляемое техническое решение позволит создать датчик смены среды с малой погрешностью срабатывания и повышенной надежностью. Заявляемый датчик смены среды может быть реализован массой в 60 г и объемом не более 20 см.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый датчик смены среды предназначен для использования в системах автоматики объектов, погружаемых в водную среду;
- заявляемый датчик при использовании способен обеспечить надежное срабатывание при смене внешней среды;
- для заявляемого датчика в том виде, в котором он охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный датчик смены среды соответствует условию «промышленная применимость».