ДАТЧИК ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Датчик гидростатического давления относится к измерительной технике, а именно к измерению гидростатического давления жидкости или его производной - уровня жидкости, а также к конструированию и изготовлению датчиков давления погружного типа.
Известны датчики давления гидростатического давления погружного типа (см. датчики давления типа LMP, руководство по эксплуатации, компания БД Сенсорс РУС, г.Москва)
Известный датчик представляет собой конструкцию, состоящую из герметичного цилиндрического корпуса, в котором расположены узел чувствительного элемента и печатная плата с электронной схемой обработки сигнала. На торцевой стороне корпуса расположен сальниковый ввод, через который в корпус датчика смонтирован электрический пневмопроводящий кабель. Пневмопровод служит для связи чувствительного элемента с атмосферным давлением.
Узел чувствительного элемента представляет собой стальной корпус с гермопроходниками, в котором смонтирован мембранный полупроводниковый чувствительный элемент. На мембране сформирован тензомост с токоведущими дорожки и контактными площадками. Электрическая коммутация от чувствительного элемента осуществляется тонкими проволочками, приваренными микросваркой к электродам гермопроходников. От воздействий измеряемой среды чувствительный элемент защищен стальной мембраной. Передача давления от стальной мембраны к мембране чувствительного элемента осуществляется через кремнийорганическую жидкость, которой заполнено внутреннее пространство узла чувствительного элемента.
Принцип работы датчика основан на использовании тензорезистивного эффекта. Входным сигналом для преобразователя является гидростатическое давление столба жидкости, которое изгибает мембрану, на которой сформирован мост Уитстона из четырех тензорезисторов. В одну диагональ моста включен источник питания, а с другой диагонали снимается выходной электрический сигнал, пропорциональный механической деформации мембраны от приложенного измеряемого давления.
Недостатком конструкции известного датчика является невозможность измерения гидростатического давления и его производной - уровня в сосудах, находящихся под давлением, так как измерение давления производится относительно атмосферного давления, которое может быть много раз меньше избыточного давления в сосуде.
В сосудах высокого давления гидростатическое давление столба жидкости не более десятков кПа (нужен чувствительный элемент с высокочувствительной «тонкой» мембраной), что много раз меньше избыточного давления в сосуде имеющего значение десятки МПа (нужен чувствительный элемент с прочной «толстой» мембраной), что делает невозможным измерение гидростатического давления известным датчиком избыточного давления, так как в первом случае «тонкая» мембрана будет разрушаться, а во втором случае датчик с «толстой» мембраной не будет чувствовать гидростатическое давление.
Задачей полезной модели является проведение измерения гидростатического давления жидкости в сосудах находящихся под давлением или его производной - уровня жидкости.
Указанная цель достигается тем, что конструкция датчика позволяет измерять гидростатическое давление столба жидкости относительно избыточного давления в сосуде.
На фиг.1 схематично изображен датчик гидростатического давления, разрез по осевой линии.
Датчик гидростатического давления, состоит из тензомодуля ТМ и модуля электроники МЭ, соединенных между собой трубкой 9.
В тензомодуле ТМ полупроводниковый чувствительный элемент 1 соединен клеевым швом с корпусом 3 через стеклянный пьедестал 2. Наличие пьедестала необходимо для сглаживания термомеханических напряжений возникающих между корпусом и чувствительным элементом вследствие их разных коэффициентов температурного расширения (ТКР) и для электрической изоляции чувствительного элемента от корпуса тензомодуля ТМ. В корпус тензомодуля 3 вклеена коммутационная плата 4, которая соединена с ЧЭ тонкими золотыми проволочками 5 методом микросварки. К плате 4 припаяны коммутационные провода 7, другие концы коммутационных проводов 8 припаяны к электродам гермопроходников 11, сформированных в корпусе 10 модуля электроники МЭ. Планарная сторона ЧЭ защищена кремнийорганическим гелем 6.
Для «выпаривания» возможного конденсата внутри трубки 9 в корпусе 3 тензомодуля смонтирован нагревательный элемент 7.
К корпусу тензомодуля ТМ приварена трубка 9, внутри которой проходят провода 8. В трубке 9 имеется отверстие 12 для связи планарной стороны ЧЭ с газовой средой внутри сосуда. Другой конец трубки приварен к корпусу 10 модуля электроники. Длина трубки зависит от геометрических размеров сосуда.
Блок электроники БЭ представляет собой герметичный корпус, состоящий из корпуса 10 с гермопроходниками 11, внутри которого смонтирована плата электроники и крышки 13 с разъемом 14.
Электрическая коммутация от тензомодуля ТМ к модулю электроники МЭ осуществляется проводами 8 и 15, припаянными к гермопроходникам 11.
Для обеспечения механической прочности и вакуумной плотности соединения датчика с сосудом в конструкции датчика предусмотрен резьбовой штуцер, с посадочным местом под прокладку.
Принцип работы датчика основан на использовании тензорезистивного эффекта. Входным сигналом для датчика является гидростатическое давление столба жидкости, которое изгибает мембрану чувствительного элемента с тензорезисторами. В одну диагональ моста включен источник питания, а с другой диагонали снимается выходной электрический сигнал, пропорциональный механической деформации мембраны от высоты столба жидкости относительно избыточного давления в сосуде.
и
Сущность полезной модели заключается в исключении влияния на «тонкую» мембрану избыточного давления Р в сосуде.
На фиг.2 схематично изображен способ монтажа датчика гидростатического давления, разрез по осевой линии.
Датчик 2 установлен в сосуд высокого давления 1 через прокладку 3 для уплотнения соединения от протекания измеряемой среды.
гс
и
и
и
На мембрану чувствительного элемента тензомодуля ТМ воздействует: снизу гидростатическое давление столба жидкости Р и избыточное давление Р, а сверху, через отверстие 4, расположенное в трубке гораздо выше уровня жидкости, только избыточное давление Р, за счет чего происходит самокомпенсация избыточного давления Р.
гс
Из рисунка фиг.2 видно, что датчик гидростатического давления представляет собой, по сути, датчик разности давлений, где гидростатическое давление Р определяется следующим образом:
п
- тыльная сторона мембраны чувствительного элемента датчика, контактирующая с жидкостью воспринимает полное давление Р:
п
и
гс
и
P=P+P=P+ρgh
и
Р - избыточное давление в сосуде
ρ - удельный вес измеряемой среды
g - ускорение свободного падения
h - высота столба жидкости
и
- сторона мембраны чувствительного элемента датчика, контактирующая с газовой средой в сосуде воспринимает избыточное давление (давление наддува) Р.
- измеряемая разность давлений ΔP определяется по формуле:
п
и
и
гс
и
ΔP=P-P=P+P-P=ρgh
- уровень жидкости в сосуде определяется по формуле:
h=ΔP/ρg
Предлагаемая конструкция датчика позволяет производить точные измерения гидростатического давления столба жидкости или уровня жидкости в сосудах находящихся под давлением.