Грузопоршневой калибратор давления
DEADWEIGHT PRESSURE CALIBRATOR

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам, воспроизводящим высокоточные значения давления воздуха, и может быть использовано в метрологических целях для калибровки или поверки средств контроля и измерения давления.
Давление в таких устройствах воспроизводится пневматическим преобразователем силы в давление. Принцип действия основан на динамическом взаимодействии поршня и потока воздуха, вытекающего из сопла и создающего подъемную силу, в котором поршень всплывает, самоцентрируется и самоуравновешивается. Сила, создаваемая весом поршня, автоматически преобразуется в пневматическое давление воздуха, которое поступает на выход устройства. Для того, чтобы обеспечить устройством создание различных высокоточных значений давления, на поршень навешивается грузоприемное устройство с грузами различной массы. При этом такая характеристика устройства, как эффективная площадь поршня, образуемая площадью сопла и площадью эффективного зазора между поршнем и каналом сопла на срезе сопла, должна быть постоянной во всем диапазоне воспроизводимого давления, для обеспечения заявленной точности устройства.
0
Эффективная площадь поршня калибратора давления может быть выражена формулой: Fэф = F × (1 - q),
0
где F - геометрическая площадь среза сопла, q - расчетный параметр, зависящий от силы Mg, скорости, расхода воздуха через эффективный зазор между поршнем и каналом сопла и характера истечения воздуха.
Предполагая, что сила Mg в конкретном случае создания давления величина постоянная, эффективная площадь будет зависеть от скорости, расхода воздуха и характера истечения воздуха из поршневой системы и определяться точностью изготовления геометрии поршня и сопла и шероховатостью поверхностей, а также их взаимным расположением относительно друг друга в горизонтальной и вертикальной плоскости. В процессе самоцентрирования и самоуравновешивания плавающий поршень с грузоприемным устройством и грузами под воздействием потока воздуха может самопроизвольно вращаться. Может иметь место различное положение поршня относительно сопла при его снятии и последующей установке его вновь в сопло. Эффективная площадь поршня будет не постоянна.
Известен пневматический преобразователь силы в давление, называемый в изобретении регулятором давления и имеющий цилиндрическое сопло с коническим выходом, а поршень выполнен в виде шара или имеет сферическую часть, (патент США №3047005,1962 г.).
Для сферического поршня недостаток, заключающийся в том, что эффективная площадь поршня будет не постоянна, является результатом взаимодействия боковой поверхности сферического поршня с выходящей струей, тем самым эффективная площадь грузопоршневого манометра зависит от положения сферического поршня во внутреннем отверстии (сопле) цилиндра.
Известен пневматический преобразователь силы в давление, в котором цилиндр имеет коническое сопло и сферический поршень (патент США №4594877, 1986 г.).
Для конического поршня непостоянство эффективной площади поршня является результатом взаимодействия боковой поверхности конического поршня с выходящей струей, а также механическим взаимодействием сопла с поршнем, что приводит к изменению геометрии сопла и поршня в процессе эксплуатации и тем самым к зависимости эффективной площади грузопоршневого манометра от положения конического поршня относительно цилиндра (сопла).
Известны задатчики давления серии «Воздух», разработанные ФГУП ВНИИМС, г. Москва, имеющие конический или сферический поршень, расположенные в цилиндрическом сопле, описанные в журнале «Законодательная и прикладная метрология» №4,1993 г., с. 25-28. При этом приборы «Воздух-1,6» и «Воздух-2,5» имеют сферический поршень, а «Воздух-0,4 В» и «Воздух-1600» имеют конический поршень.
Принцип работы вышеназванных известных устройств основан на динамическом взаимодействии поршня и потока воздуха, вытекающего из сопла.
Недостатком перечисленных известных устройств является непостоянство эффективной площади поршня в процессе эксплуатации вследствие изменения его положения в канале сопла, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Как сферический, так и конический поршни находятся в потоке воздуха, и имеют возможность самопроизвольного подъема и опускания относительно кромки сопла, а также вращения относительно неподвижного сопла, что обусловлено шероховатостью боковой поверхности поршня, воздействием на нее потока воздуха. Также влияют отклонения размеров изготовления диаметра канала сопла и поршня в пределах допуска и отклонение от круглости рабочих поверхностей сопла и поршня. В результате эффективная площадь поршня изменяется.
Известно устройство из описания изобретения к патенту RU 2598691 С1 «Пневматический преобразователь силы в давление грузопоршневого манометра», по кл. G01 27/00, з. 22.07.2015 г, оп. 27.09.2016 г.
В отличие от пневматических преобразователей силы в давление с цилиндрическим соплом и коническим поршнем известное устройство имеет цилиндрическое сопло и цилиндрической поршень с параболической частью противоположных концов сопла и поршня.
Устройство характеризуется следующей формулой:
Пневматический преобразователь силы в давление грузопоршневого манометра, содержащий коаксиально расположенный в цилиндрическом сопле с возможностью вертикального перемещения относительно его вертикальной оси при воздействии на него сверху силы поршень с конической усеченной снизу частью, под которым в сопле коаксиально и неподвижно расположена с отверстием по меньшей мере с одной стороны между ее стенкой и стенкой сопла для подачи в него воздуха/газа цилиндрическая вставка с узким отверстием вдоль ее вертикальной оси для его выхода, отличающийся тем, что цилиндрическое сопло цилиндра заканчивается в верхней части расширяющимся кверху диффузором параболической формы, вогнутой внутрь, поршень выполнен цилиндрическим с усеченной параболической частью, вогнутой внутрь и сужающейся книзу, а вставка размещена в сопле с зазором между ней и внутренней поверхностью сопла, образуя кольцевое отверстие для подачи воздуха/газа.
Недостатком этого пневматического преобразователя силы в давление грузопоршневого манометра является то, что, как и в предыдущих рассмотренных устройствах, эффективная площадь поршня не является постоянной, поскольку она будет зависеть от точности изготовления круглости поршня и цилиндрического сопла, от точности изготовления размеров внутреннего диаметра цилиндрического сопла и наружного диаметра поршня. При возможности вращения поршня в потоке воздуха будет меняться форма зазора между соплом и поршнем. Отсюда и непостоянство эффективной площади поршня. А при значительном зазоре между внутренней поверхностью цилиндрического сопла и наружной поверхностью поршня поршень может и не всплыть.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в изобретении «Способ метрологической аттестации задатчика давления с нецилиндрическим поршнем», а.с. СССР №1737294 по кл. G01 27/00, з. 25.02.1988 г., оп. 30.05.1992 г. и выбранное в качестве прототипа.
Известное устройство содержит нецилиндрический поршень, установленный в сопло. Полость, образованная поршнем, соплом и вставкой, соединена с элементами устройства, которые обеспечивают всплытие поршня и его взвешенное состояние в сопле под воздействием потока воздуха, а именно с источником 17 давления и с регулируемым узлом 9 создания эталонного (точного) давления, имеющим очень сложную конструкцию.
Недостатком известного устройства также является непостоянство эффективной площади поршня в процессе эксплуатации в зависимости от положения поршня относительно сопла и массового расхода воздуха, что влечет за собой непостоянство величины создаваемого давления. Данный недостаток обуславливается неточностью изготовления формы сопла и конического поршня, их отклонением от круглости в пределах допускаемых значений, что влечет за собой изменение струи истечения воздуха и взаимодействия ее с боковой поверхностью конического поршня. Эти факторы изменяют эффективную площадь поршня, что приводит к непостоянству задаваемого выходного давления в любой из аттестуемых точек рабочего диапазона задатчика давления.
Задачей изобретения является обеспечение стабильности величины создаваемого устройством давления за счет устранения влияния непостоянного положения конического поршня относительно цилиндра сопла на изменение его эффективной площади во время эксплуатации устройства.
Поставленная задача решается тем, что в грузопоршневом калибраторе давления, включающем в себя пневматический преобразователь силы в давление, содержащий поршень в виде усеченного конуса, расположенный в цилиндрическом сопле с возможностью его самоцентрирования и самоуравновешивания, под которым в сопле соосно и неподвижно расположена цилиндрическая вставка с зазором между ней и соплом для подачи в него воздуха от источника давления и образования подъемной силы поршня, и регулируемый узел создания точных значений давления воздуха на поршень преобразователя, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, поршень в виде усеченного конуса имеет выемку на боковой кромке, на торцевой поверхности сопла неподвижно закреплен со стороны этой выемки упор, а регулируемый узел создания точных значений давления представляет собой размещаемое над пневматическим преобразователем грузоприемное устройство, имеющее форму полого цилиндра, симметрично усеченного в верхней части с двух сторон по вертикали и имеющего в вертикальном сечении П-образную форму с образованием сверху пластины, а в нижней части - отогнутые наружу кольцевые выступы для приема грузов, играющих роль регулятора значений давления, при этом в верхней части пластины выполнено овальное отверстие напротив выемки в боковой стенке поршня для вхождения в зацепление поршня и узла создания точных давлений с упором на торцевой поверхности сопла.
Выполнение поршня с выемкой на боковой кромке в совокупности с тем, что на торцевой поверхности сопла неподвижно закреплен со стороны этой выемки упор, а регулируемый узел создания точных значений давления представляет собой размещаемое над пневматическим преобразователем грузоприемное устройство, имеющее форму полого цилиндра, симметрично усеченного в верхней части с двух сторон по вертикали и имеющего в вертикальном сечении П-образную форму с образованием сверху пластины, а в нижней части - отогнутые наружу кольцевые выступы для приема грузов, играющих роль регулятора значений давления, при наличии в верхней части пластины овального отверстия напротив выемки в боковой стенке поршня, дает возможность вхождения в зацепление поршня и узла создания точных давлений с упором на торцевой поверхности сопла, исключая вращение поршня и грузоприемного устройства и обеспечивая тем самым постоянство эффективной площади поршня.
Технический результат - стабильность эффективной площади поршня и воспроизводимого давления при эксплуатации грузопоршневого калибратора давления.
Заявляемый грузопоршневой калибратор давления обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как наличие на боковой кромке поршня выемки, закрепление на торцевой поверхности сопла неподвижно со стороны этой выемки упора, выполнение регулируемого узла создания точных значений давления в виде размещаемого над пневматическим преобразователем грузоприемного устройства, имеющего форму полого цилиндра, симметрично усеченного в верхней части с двух сторон по вертикали и имеющего в вертикальном сечении П-образную форму с образованием сверху пластины, а в нижней части - отогнутые наружу кольцевые выступы для приема грузов, играющих роль регулятора значений давления, выполнение в верхней части пластины овального отверстия напротив выемки в боковой стенке поршня для вхождения в зацепление поршня и узла создания точных давлений с упором на торцевой поверхности сопла, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение указанного результата, поэтому он считает, что заявляемый пневматический преобразователь силы в давление соответствует критерию «изобретательский уровень».
Грузопоршневой калибратор давления может быть использован в метрологических целях для калибровки или поверки средств контроля и измерения давления, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлена конструкция преобразователя силы в давление грузопоршневого калибратора давления на:
- фиг. 1 - вид калибратора в разрезе;
- фиг. 2 - вид калибратора сверху.
Грузопоршневой калибратор давления содержит преобразователь силы в давление, состоящий из расположенного в цилиндрическом сопле 1 поршня 2 в форме усеченного конуса, вставки 3, размещенной соосно внутри цилиндрического сопла 1, которая образует с цилиндрическим соплом 1 кольцевой цилиндрический зазор 4 для подвода воздуха от источника давления (на чертежах не показан). Во вставке 3 имеется отверстие 5 для отбора создаваемого давления воздуха. Для создания необходимых точных значений давления воздуха на поршне 2 имеется узел создания точных значений давления, представляющий собой навешанное сверху на преобразователь грузоприемное устройство 6 с набором грузов 7, соответствующих необходимому значению давления. Поршень 2 имеет на кромке боковой поверхности выемку 8, а на грузоприемном устройстве 6 над выемкой 8 выполнено отверстие 9. Выемка 8 и отверстие 9 входят в зацепление с неподвижно закрепленным упором 10 на торцевой поверхности сопла 1.
В процессе работы грузопоршневого калибратора давления в кольцевой зазор 4 подается воздух под давлением, под воздействием которого происходит всплытие конического поршня 2 в сопле 1, где поршень самоцентрируется и самоуравновешивается. Выходное давление, обусловленное величиной силы Mg, задаваемой весом поршня 2, грузоприемного устройства 6 и набором грузов 7, будет выходить через отверстие 5. Поскольку поршень 2, грузоприемное устройство 6 находятся в зацеплении с неподвижно закрепленным упором 10 на торцевой поверхности сопла, они не имеют возможности вращательного движения, таким образом, сохраняя стабильность относительного положения между собой. В этом случае эффективная площадь поршня будет постоянной, а воспроизводимое грузопоршневым калибратором выходное давление будет стабильным.
В сравнении с прототипом заявляемый грузопоршневой калибратор давления обеспечивает стабильность величины создаваемого им давления.