Датчик избыточного и абсолютного давления с защитой от высокого перегрузочного давления
EXCESSIVE AND ABSOLUTE PRESSURE SENSOR WITH PROTECTION AGAINST HIGH OVERLOAD PRESSURE

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения избыточного или абсолютного давления в условиях работы с возможным воздействием большого перегрузочного давления до 1000 бар. Известен датчик избыточного давления, представленный в Каталоге «Датчики давления» ЗАО ПГ «Метран», вып. №12, 2013 г., стр. 160, выбранный в качестве прототипа.
Известный датчик для измерения избыточного и абсолютного давления содержит измерительный блок (ИБ), который состоит из штуцера и корпуса из нержавеющей стали, при этом в верхней части штуцера имеется резьбовое отверстие, в которое закручивается и герметизируется тензопреобразователь. В верхней части конструкции тензопреобразователя имеется пластина монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Рабочее давление поступает в отверстие штуцера ИБ и воздействует на чувствительный элемент (ЧЭ) сенсора. ЧЭ выдерживает без разрушения, как правило, давление не более 1, 5 максимальной настройки.
Недостаток известного датчика заключается в следующем.
В процессе работы датчика давления могут возникать большие перегрузочные давления, например, при запуске насоса, подающего жидкость в трубу, или при его внезапной остановке, а также при подаче в трубу влажного газа в условиях морозной погоды, когда происходит образование льда в приемной полости измерительного блока. Это приводит к появлению высокого давления на чувствительном элементе, в приемной полости; также бывает и много других случаев в технологическом процессе. В этих случаях при воздействии перегрузочного давления давление через продольное отверстие поступает во внутреннюю полость с тензопреобразователем, воздействуя непосредственно на чувствительный элемент в сенсоре, который не может выдерживать воздействия большого давления и разрушается.
Задачей является повышение надежности работы датчика.
Поставленная задача решается тем, что в датчике избыточного и абсолютного давления с защитой от высокого перегрузочного давления, содержащем корпус из нержавеющей стали, в верхней части которого имеется узкое дренажное отверстие и в центре вдоль продольной оси расположена заполненная силиконовой жидкостью полость, над которой размещен сенсор с чувствительным элементом, а в нижней части корпуса установлена мягкая металлическая мембрана, связанная с полостью с силиконовой жидкостью через узкое отверстие, расположенное вдоль продольной оси корпуса, согласно изобретению, корпус выполнен из двух соединенных между собой и расположенных по вертикали на одной продольной оси верхней и нижней частей, при этом снизу в верхней части корпуса установлены дополнительно две компенсационные мембраны, связанные через узкое отверстие, расположенное вдоль продольной оси корпуса, с мягкой мембраной в нижней части корпуса, а через узкое ступенчатое отверстие в верхней части корпуса - с полостью, заполненной силиконовой жидкостью.
При этом верхняя и нижняя части корпуса могут быть соединены между собой разъемно или неразъемно.
Кроме того, компенсационные мембраны и мягкая разделительная мембрана могут быть расположены параллельно или непараллельно между собой.
Выполнение корпуса датчика из двух соединяемых между собой частей, в совокупности с установкой снизу верхней части корпуса двух компенсационных мембран, связанных через узкое отверстие указанным выше образом с полостью с силиконовой жидкостью под чувствительным элементом сенсора, обеспечивает при воздействии перегрузочного давления на мягкую мембрану перемещение вместе с ней двух компенсационных мембран, компенсирующих перемещение мягкой разделительной мембраны до установки ее на упор при давлении не более 1,5 Рmах, которое чувствительный элемент выдерживает. После установки мягкой разделительной мембраны на упор дальнейшее повышение давления действует только на приемную полость, то есть на поверхность мягкой разделительной мембраны, которая в этот момент сидит на упоре, а также и на сварной шов подсоединительного штуцера с нижним корпусом и исключает тем самым воздействие большого перегрузочного давления на сенсор, сохраняя его работоспособность, метрологические характеристики и повышая долговечность и надежность работы датчика, т.к. конструктивно в полости чувствительного элемента давление не может быть более 1, 5 Pmax.
Технический результат - обеспечение компенсации воздействия высокого перегрузочного давления на мягкую разделительную мембрану перемещением компенсационных мембран и обеспечение нормальных условий работы сенсора.
Заявляемый датчик обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков? как выполнение корпуса датчика из двух соединенных между собой и расположенных по вертикали на одной продольной оси верхней и нижней частей, установка снизу в верхней части корпуса дополнительно двух компенсационных мембран, связанных через узкое отверстие, расположенное вдоль продольной оси корпуса, с мягкой разделительной мембраной в нижней части корпуса, а через узкое ступенчатое отверстие в верхней части корпуса - с полостью, заполненной силиконовой жидкостью, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными выше отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата и не следующие явным образом из уровня техники, поэтому он считает, что заявляемый датчик соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый датчик избыточного и абсолютного давления с защитой от высокого перегрузочного давления может найти широкое применение в измерительной технике, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны на:
- фиг. 1 - общий вид датчика в вертикальном разрезе для избыточного давления;
- фиг. 2 - общий вид датчика в вертикальном разрезе для абсолютного давления.
Заявляемый датчик избыточного и абсолютного давления с защитой от высокого перегрузочного давления содержит корпус из нержавеющей стали, выполненный из двух разъемно или неразъемно соединенных между собой и расположенных по вертикали на одной продольной оси верхней 1 и нижней 2 частей. В верхней части 1 корпуса имеется узкое дренажное отверстие 3, а в центре расположена заполненная силиконовой жидкостью полость 4. Над полостью 4 размещен сенсор 5 с чувствительным элементом 6. В нижней части корпуса 2 установлена мягкая металлическая разделительная мембрана 7. Снизу в верхней части корпуса 1 установлены две упругие компенсационные мембраны 8, связанные через узкое отверстие (канал) 9, расположенное вдоль продольной оси корпуса, с мягкой разделительной мембраной 7 в нижней части корпуса 2, а через узкое ступенчатое отверстие - канал 10 и каналы 11 - в верхней части корпуса 1 они связаны с полостью 4 с силиконовой жидкостью. При этом компенсационные мембраны 8 и мягкая разделительная мембрана 7 могут быть расположены параллельно или непараллельно между собой.
Сенсор 5 может быть использован как для избыточного, так и для абсолютного давления. Для случая избыточного давления (см. фиг. 1) отверстие 14 в корпусе сенсора 5 с обратной стороны чувствительного элемента 6 открыто и сообщается по каналу 3 с воздухом вне конструкции датчика.
Для обеспечения абсолютного давления (при вакууме) (см. фиг. 2) отверстие 14 с обратной стороны чувствительного элемента 6 после откачки воздуха заваривается.
Технологически корпус измерительного блока изготавливают из 2-х частей. К верхней части 1 корпуса вверху приваривают сенсор 5 с чувствительным элементом 6, а внизу верхней части 1 приваривают две мембраны 8 для компенсации перемещения мягкой разделительной мембраны 7 при увеличении давления в приемной полости. Мягкая разделительная мембрана 7 приваривается к нижней части 2 корпуса. Полость 4 между разделительной мембраной 7 и сенсором 5 заполняется жидкостью, разделительная мягкая мембрана 7 служит для передачи давления на чувствительный элемент сенсора. К нижней части 2 приваривается подсоединительный штуцер 12 для подачи давления среды.
Датчик работает следующим образом.
При увеличении давления в приемной полости 13 давление действует на мембрану 7, которая передает давление жидкости на сенсор 5 по каналам 9 и 10 и при этом:
- мягкая разделительная мембрана 7 начинает перемещение одновременно с компенсационными мембранами 8 сразу при повышении давления в приемной полости 13. При этом при перемещении мембраны 7 жидкость по каналу 9 давит как на чувствительный элемент 6, так и на поверхность нижней мембраны 8 и одновременно по каналам 11 жидкость давит на верхнюю компенсационную мембрану 8. Также при этом происходит увеличение давления на чувствительный элемент 6 сенсора 5, изменение сигнала тензомоста и измерение давления.
Когда давление в полости 13 будет более Рmах, но меньше 1,5 Ртах, мембрана 7 сядет на нижнюю поверхность корпуса 2 и далее перемещение мембраны 7 не происходит.
Поэтому в полости 4, где расположен чувствительный элемент 6, максимальное давление будет не более 1,5 Pmax, что не влияет на работоспособность сенсора 5.
При понижении давления до 0 компенсационная мембрана 8 перемещает мягкую разделительную мембрану 7 обратно в исходное положение.
В сравнении с прототипом заявляемый датчик является более надежным в работе.