ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE GAUGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения избыточного давления в агрессивных высокотемпературных средах.
Известен датчик давления, в котором в качестве чувствительного элемента используется гофрированная мембрана. Датчик с гофрированной мембраной защищен от давления, превышающего допустимое значение, с помощью специального ложементного устройства - постели. Поверхность постели имеет рельеф, зеркально повторяющий гофры мембраны (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981).
Поэтому при измерении давления выше допустимого мембрана ложится на поверхность постели, прогибаясь в пределах упругой деформации. Такая защита мембраны сложна в изготовлении и имеет большую стоимость. Кроме того, она рассчитана на относительно небольшое (фиксированное) перемещение мембраны.
Известен также датчик давления (RU 2221228, 10.01.2004), который по технической реализации наиболее близок предлагаемому устройству и может рассматриваться как прототип. Это устройство представляет собой коаксиальный СВЧ-резонатор, содержащий корпус с днищем и крышкой с мембраной, на которую воздействует избыточное давление. С внутренней стороны днища корпуса закреплен стержень, на конце которого расположен диск. Этот диск параллелен другому диску, закрепленному с помощью штока к центру мембраны, образуя, таким образом, электрическую емкость (конденсатор). В днище резонатора выполнены два отверстия для подвода и съема электромагнитной СВЧ-энергии с помощью двух петель связи.
Этот датчик имеет недостаток, заключающийся в том, что между дисками имеется зазор, рассчитанный строго на определенный (штатный) диапазон измерения. Однако при пусконаладочных работах и/или нештатных ситуациях диапазон измеряемого давления может значительно превысить максимально допустимое значение. Тогда мембрана получит прогиб, превышающий заданные пределы упругой деформации, что приведет к пластической деформации мембраны и снижению точностных характеристик датчика.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности датчика давления при его эксплуатации в экстремальных условиях, когда давление может превышать допустимое значение в десятки раз и более.
Технический результат в предлагаемом датчике давления достигается тем, что он выполнен в виде коаксиального СВЧ-резонатора, содержащего цилиндрический корпус, стержень, два параллельных плоских диска, крышку с мембраной, воспринимающей измеряемое давление, днище и две петли связи, при этом стержень датчика выполнен составным, одна часть которого, представляющая собой единую конструкцию с днищем, имеет внутреннюю микрометрическую резьбу и является неподвижной, а другая часть стержня с плоским диском на одном конце и наружной резьбой на другом конце ввернута в неподвижную часть, причем петли связи подсоединены к неподвижной части стержня, а длины резьбовых частей стержня выбраны с возможностью регулирования зазора между плоскими параллельными дисками от нуля до величины, составляющей одну треть диаметра мембраны крышки.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, изображающим схему устройства. На нем показаны корпус 1, диски 2 и 3, крышка 4, днище 5, петли связи 6 и 7, неподвижная 8 и подвижная 9 части стержня соответственно, прорезь 10, паз 11.
В предлагаемом устройстве корпус 1, крышка 4, днище 5, неподвижная часть стержня 8 и подвижная часть стрежня 9 образуют резонатор. На подвижной части стержня 9 закреплен диск 2, образующий с диском 3 электрическую емкость (конденсатор). Плоская мембрана крышки 4 воспринимает измеряемое давление и перемещает диск 3. Петли связи 6 и 7 служат для подвода и съема СВЧ-энергии. Подвижная часть стержня имеет прорезь под отвертку 10 для регулировки расстояния между дисками и ограничивающий его перемещение паз 11.
Устройство работает следующим образом.
Под воздействием измеряемого давления P плоская мембрана крышки 4 деформируется и диск 3 перемещается. При этом электрическая емкость C конденсатора, образованного дисками 2 и 3, изменяется. Соответственно, изменяется резонансная частота f электромагнитных колебаний коаксиального резонатора с оконечной сосредоточенной емкостной нагрузкой в виде данного конденсатора, согласно уравнению (RU 2221228, 10.01.2004):
1
где  - волновое сопротивление коаксиального резонатора; ε - диэлектрическая проницаемость среды в полости резонатора; D - внутренний диаметр корпуса 1; d - диаметр подвижной части стержня 9; с - скорость света в вакууме; L - длина коаксиального резонатора;  - электрическая емкость конденсатора, образованного дисками 2 и 3; D - диаметр каждого из дисков 2 и 3; Δ - зазор между дисками 2 и 3.
Резонансная частота f электромагнитных колебаний в коаксиальном резонаторе, как видно из выражения (1), зависит от зазора Δ между дисками 2 и 3, который зависит, в свою очередь, от соответствующего прогиба мембраны, определяемого в соответствии со следующей формулой (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981):
где k - коэффициент заделки крышки 4 (k≈4…6); r - радиус мембраны; h - толщина мембраны; E - модуль упругости материала мембраны; P - измеряемое давление.
Чем больше прогиб мембраны, тем меньше зазор между дисками, а следовательно, больше частота колебаний электромагнитного поля в резонаторе. Датчик настраивается таким образом, чтобы в штатном режиме зазор между дисками не смог стать равным нулю, что вызовет короткое замыкание.
2
Для работы мембраны в пределах упругой деформации эмпирически установлено, что прогиб мембраны не должен превышать 0,3 диаметра мембраны (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981). Для единого габаритного размера мембраны с радиусом r=10 мм, максимальным значением ее прогиба Δ=100 мкм и модулем упругости E=20300 кг/мм (нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т) значения толщины мембраны, рассчитанные в соответствии с выражением (2), для различных диапазонов измерения сведены в таблицу.
Таблица
Р, МПа
0,6
1,0
1,6
2,5
4,0
6,0
10,0
16,0
25,0
40,0
h, мм
0,28
0,33
0,40
0,48
0,58
0,67
0,83
1,00
1,20
1,40
Таким образом, выбирая толщину мембраны в зависимости от диапазона измеряемого давления, можно с помощью одного датчика производить измерения давления во всем стандартном ряду его значений.
Однако, в процессе отладки оборудования и пусконаладочных работ, когда возможны возникновения пиковых перегрузок по давлению, с целью предохранения мембраны датчика от чрезмерного прогиба она ставится на упор. Для этого подвижная часть стержня поворачивается на фиксированный угол, при котором зазор между дисками становится нулевым.
0
После завершения работ, при которых возможно появление гидравлических ударов, подвижная часть стержня возвращается в рабочее состояние, что фиксируется по калибровочной метке или по начальной резонансной частоте f датчика, если измеряемое избыточное давление равно нулю.
Наличие жесткого упора и фиксированное перемещение стержня позволяют предохранить мембрану датчика от сверхдопустимых деформаций и сохранить неизменной тарировочную характеристику - зависимость резонансной частоты от измеряемого давления - в пределах заданной погрешности.
Промышленные испытания на Смоленском заводе «Пирамида» и проведенные государственные испытания показали, что датчик давления по предложенной схеме имеет класс точности, равный 1.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение надежности датчика при его работе в условиях возможности гидравлических ударов, при которых давление может превышать максимально допустимые значения в десятки раз и более.