УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, к устройствам для измерения давления газообразных и жидких сред, в которых в качестве первичного преобразователя давления используется манометрическая трубчатая пружина Бурдона (см., например, «Приборостроение и средства автоматики», справочник, т. 2, книга 1, Машиностроение, 1964, с. 203-207, фиг. 53; Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов, Машиностроение, 1981, с. 325, 327, рис. 245, 246, 250).
Известно устройство [1] (пат. РФ №48223) с трубчатой пружиной Бурдона для измерения давления, показанное на фиг. 1, 2. Оно содержит корпус 1, внутри которого установлен держатель-основание 2, оканчивающийся штуцером 3 для подключения измеряемого давления, закрепленную в держателе трубчатую пружину Бурдона 4, которая подвижным концом связана с помощью тяги 5 с трибко-секторным передаточным механизмом 6 (см. фиг. 2), преобразующим перемещение подвижного конца пружины в круговое движение ведомой оси трибки 10. В состав трибко-секторного передаточного механизма входят механически соединенные между собой стойками 12 верхняя 7 и нижняя 8 платы, жестко закрепленные на держателе-основании 2, между которыми размещены зубчатый сектор 9 сцепленный с трибкой 10, на ведомой оси которой установлена указательная стрелка с возвратной пружиной 11.
В устройстве [1] давление определяется визуально по положению указательной стрелки, что снижает точность измерений и ограничивает функциональные возможности устройства.
Имеются различные модификации устройств с трубчатой пружиной Бурдона.
Например в [2] (патент РФ №2118604) для повышения точности измерений решается задача съема полного перемещения конца трубчатой пружины за счет ориентации этого перемещения в направлении оси штуцера и выбора рациональной величины центрального угла пружины.
В [3] (патент РФ №2006010) для повышения виброустойчивости устройства в него введена пластинчатая пружина, установленная в рассечку зубчатого сектора, а на указателе стрелки закреплен инерционный диск.
В [4] (патент РФ №2381465) для исключения влияния пульсаций измеряемой среды на показания прибора введено балансировочное устройство, представляющее собой грузики, перемещающиеся на резьбовой шпильке, обеспечивающее балансировку трибко-секторного механизма.
Основные недостатки этих устройств, те же, что и у [1].
Известны устройства для измерения давления, в которых перемещение подвижного конца пружины под действием давления преобразуется в изменение частоты электрического сигнала с помощью емкостного [5] (А.с. №1679226), либо индукционного [6] (патент РФ №2267095) датчиков. Недостаток обоих устройств - недостаточная точность измерений, не превышающая 1-2%.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение - повышение точности измерения давления и расширение функциональных возможностей устройства (цифровая индикация давления, дистанционные измерения, обмен информацией с внешними устройствами).
Предлагаемое устройство, как и устройство [1], принятое за прототип (см. фиг. 1), содержит корпус 1, внутри которого установлен держатель-основание 2, оканчивающийся штуцером 3 для подключения измеряемого давления, закрепленную в держателе трубчатую пружину Бурдона 4, подвижный конец которой связан тягой 5, с трибко-секторным передаточным механизмом 6, преобразующим перемещение подвижного конца пружины в круговое движение ведомой оси трибки. В отличие от [5, 6], в которых давление измеряют по величине перемещения подвижного конца пружины, преобразуемого в изменении частоты электрического сигнала, в предлагаемом устройстве давление определяется непосредственным измерением угла поворота оси трибки в цифровой форме. С этой целью на оси трибки закреплен магнит 13 (см. фиг. 3), направление намагничивания которого перпендикулярно оси трибки, а на держателе-основании или, например, на жестко связанной с ним верхней плате трибко-секторного механизма установлена матрица магниточувствительных датчиков Холла 14 и введен электронный блок 15 (фиг. 4) для фиксации угла поворота оси трубки в цифровой форме и перевода данных в технические единицы измерения давления. Электронный блок 15, вход которого соединен с выходом с матрицы датчиков Холла, содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, блок обработки информации 17 и интерфейс 18.
Предлагаемое устройство для измерения давления работает следующим образом. Измеряемое давление подается через штуцер 3 во внутреннюю полость трубчатой пружины Бурдона 4. При подаче давления перемещение подвижного конца пружины преобразуется во вращательное движение магнита, жестко закрепленного на оси трибки. Изменение положения оси магнита меняет ориентацию вектора его магнитного поля относительно неподвижной матрицы датчиков Холла. Сигналы от всех датчиков матрицы поступают в АЦП 16 и преобразованные в цифровую форму поступают в блок обработки информации 17, который по данным об угловом положении и величине сигналов, полученных путем последовательного опроса всех элементов матрицы датчиков Холла, определяет угол поворота оси магнита (вектора магнитного поля) относительно неподвижной матрицы датчиков Холла. Эти данные, преобразованные в технические единицы измерения давления, передаются через интерфейс 18 на какое-либо фиксирующее устройство. Возможно сочетание как цифрового (по углу поворота вектора магнитного поля), так и визуального (по указательной стрелке) определения величины давления.
Пример.
Предлагаемое устройство было реализовано на основе манометра типа МП3-У аналогичного прототипу [1]. На оси трибки был жестко закреплен плоский магнитный диск, намагниченный по диаметру с осью намагничивания перпендикулярной оси трибки. На верхней плате трибко-секторного механизма была закреплена матрица из 64×64 датчиков Холла, что в принципе позволяет определять угол поворота оси магнита с разрешением 360°/4096=0,0879°, и в устройство введен электронный блок, структурная схема которого показана на фиг. 4. В качестве фиксирующего устройства был использован жидкокристаллический индикатор. В реальном устройстве, как показали испытания, угол поворота оси магнита определялся с ошибкой не превышающей ±0,5°. Соответственно ошибка в измерении давления не превышает 0,25%.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
1. Бесконтактное определение угла поворота оси трибки вплоть до 360° и цифровая фиксация измеряемого давления с высокой точностью.
2. Возможность сочетания цифрового (по углу поворота вектора магнитного поля) определения величины давления и визуального (по указательной стрелке).
3. Расширение функциональных возможностей устройства (цифровая индикация давления, дистанционные измерения, обмен информацией в виде цифрового сигнала с внешними устройствами).