ДАТЧИК ВСПЛЫТИЯ
SURFACE SENSOR

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к датчикам, используемым в системах автоматики подводных обитаемых и необитаемых объектов.
В настоящее время известны различные конструкции гидростатических включателей и датчиков смены среды, которые могут использоваться в качестве датчиков всплытия.
Известен гидростатический включатель, который может использоваться в качестве датчика всплытия, содержащий корпус с закрепленной упругой мембраной, взаимодействующей через шток с контактной системой [патент РФ №2691158, МПК G01L 19/12, H01H 35/24 опубл. 11.06.2019, бюл. №17]. Гидростатический включатель работоспособен в морской воде, однако минимальное пороговое давление срабатывания, обеспечиваемое упругой мембраной, соответствует значительной глубине погружения, что неприемлемо для датчика всплытия, от которого требуется срабатывание на незначительной глубине от водной поверхности. По этой причине область применения известного гидростатического включателя в качестве датчика всплытия ограничена.
Известен датчик смены среды (датчик всплытия), содержащий кожух с расположенным в нем корпусом, в котором соосно закреплены мембраны, с образованием внутренних объемов, канал приема гидростатического давления и контакты.
Контакты выполнены упругими и закреплены в центре мембран на внешних поверхностях. Датчик снабжен закрепленными на торце кожуха крышками, между которыми расположена герметичная эластичная перегородка, отделяющая внутренний объем мембран и кожуха полностью заполненный диэлектрической жидкостью с диапазоном рабочих температур, превышающим диапазон температур эксплуатации датчика. Поверхности крышек, обращенные к герметичной эластичной перегородке, выполнены с плавно увеличивающейся от места закрепления к центру эластичной перегородки глубиной. Одна из крышек имеет каналы для приема внешнего гидростатического давления, а другая - для его передачи, при этом объемы, образуемые примыкающими поверхностями крышек и эластичной перегородки, превышают температурные изменения объема диэлектрической жидкости в диапазоне температур эксплуатации датчика [патент РФ №2739215, МПК Η01Η 35/14, G01L 19/00 опубл. 22.12.2020, бюл. №36]. Данный датчик смены среды (датчик всплытия) рассматривается в качестве прототипа.
Известный датчик имеет сложную конструкцию. Строго дозированное (без воздушных пузырей) заполнение внутреннего объема датчика специальной диэлектрической жидкостью усложняет технологию изготовления, ограничивает температурный диапазон пребывания датчика в воздушной среде при предельно низких и предельно высоких температурах, возможных в районах эксплуатации. Применение эластичной перегородки требует решения сложной технологической задачи по ее надежному закреплению на крышках с сохранением герметичности в течение срока эксплуатации. Компенсация изменения объема жидкости при изменении температуры внешней среды и защита от перегрузочного гидростатического давления требуют обеспечения строгого соотношения всего объема жидкости к компенсационному объему под эластичной перегородкой в части его достаточности для температурного диапазона эксплуатации с одной стороны и не превышения (для исключения остаточных деформаций и разрушения мембран) с другой соответственно.
Отмеченные недостатки не способствуют обеспечению надежности известного датчика в течение длительных сроков эксплуатации и ограничивают его области применения.
Анализ уровня техники аналогичных датчиков показал, что они не обеспечивают срабатывание на незначительной глубине от водной поверхности, имеют сложную конструкцию, нетехнологичны в изготовлении и, как следствие, недостаточно надежны.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности настройки на малые уставки, что позволяет отслеживать всплытие до глубин близких к водной поверхности, повышение стойкости к перегрузочным давлениям, упрощение конструкции и повышение технологичности изготовления, что в конечном итоге повышает надежность датчика всплытия и позволяет расширить область его применения.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике всплытия, содержащим кожух, канал приема гидростатического давления и контакты, в кожухе с образованием внутреннего объема расположен корпус, в котором соосно закреплены мембраны, согласно изобретению, одна мембрана - основная совмещена с другой - дополнительной мембраной с аналогичным основной профилем, установленной в основную и герметично соединенной по внешнему контуру с ней, при этом дополнительная мембрана, имеющая отверстие в центре, герметично закреплена на корпусе, в котором выполнено соосное мембранам отверстие с установленным толкателем с изолированным торцом, обращенном к мембранам, и резьбой на другом торце с навернутой резьбовой втулкой с возможностью контровки на штоке после настройки датчика всплытия, закрепленной на плоском подвижном упругом контакте, установленном на изоляторе, размещенном на корпусе, причем толкатель взаимодействует изолированным торцом с внутренним центром основной мембраны с возможностью отслеживания его перемещения, датчик также оснащен неподвижным контактом в виде стержня с резьбой и с контактной площадкой, размещенным в отверстии изолятора, перпендикулярном оси мембран, а канал для приема внешнего гидростатического давления выполнен в корпусе.
Также в датчике всплытия для повышения надежности замыкания контакта (увеличения контактного давления и исключения изменения межконтактного зазора, а, следовательно, и уставочного давления срабатывания) на свободном конце упругого подвижного контакта выполнена продольная выдавка, перпендикулярная кромке его контактной площадки неподвижного контакта.
Совокупность всех изложенных выше признаков обеспечивает:
- настройку на малые уставочные значения давления (глубины) срабатывания;
- значительное упрощение конструкции;
- повышение технологичности в части изготовления деталей и проведения настройки контактного усилия и давления срабатывания, а также сборки;
- повышение стойкости к значительным перегрузочным давлениям;
- снятие ограничений по температурному диапазону внешней окружающей (воздушной и водной) среды.
Обеспечиваемые в заявляемом техническом решении относительно прототипа преимущества качественно улучшают основную техническую характеристику - надежность и снимают ограничения по условиям эксплуатации в части перегрузочного гидростатического давления (глубины погружения) и температурного диапазона пребывания в воздушной среде.
Таким образом, техническое решение заявляемого датчика всплытия обеспечивает повышение надежности датчика и расширение области применения.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения и в других областях техники. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг.1 представлен осевой разрез датчика всплытия, разрез А-А на фиг.4;
на фиг.2 - вид Б на фиг.1, взаимное расположение основной и дополнительной мембран с зазором при отсутствии гидростатического давления;
на фиг.3 - вид Б фиг.1, расположение основной и дополнительной мембран без зазора при действии перегрузочного гидростатического давления;
на фиг.4 - датчик всплытия со снятой крышкой (конструкция контактов);
на фиг.5 - вид В на фиг.1, крепление толкателя к подвижному упругому контакту;
на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.4, конструкция зоны контактирования подвижного и неподвижного контактов.
Конструкция датчика всплытия.
Датчик всплытия (фиг.1-4) содержит кожух 1 с расположенным в нем корпусом 2. В корпусе 2 расположены соосно сваренные по внешнему контуру основная 3 и дополнительная 4 мембраны с одинаковым профилем. Дополнительная мембрана 4 имеет в центральной части отверстие 5, и герметично закреплена на втулке 6 корпуса 2. Отверстие 5 дополнительной мембраны 4 совмещено с отверстием 7 втулки 6 и отверстием 8 изолятора 9, размещенного на корпусе 2. В соосных отверстиях 5, 7 и 8 мембраны 4, втулки 6 и изолятора 9, соответственно, размещен толкатель в виде штока 10, на торце которого, обращенном к мембранам 3 и 4, закреплен изолятор 11. С другого торца на штоке 10 толкателя выполнена резьба, на которую навернута резьбовая втулка 12 с возможностью ее контровки на штоке 10 толкателя после настройки датчика всплытия. Втулка 12 закреплена на плоском подвижном упругом контакте 13, консольно установленном на изоляторе 9 (фиг.5). Шток 10 взаимодействует изолятором 11 с внутренним центром 14 основной мембраны 3 с возможностью отслеживания его перемещения. Резьбовое соединение штока 10 толкателя с втулкой 12 обеспечивает технологичную настройку давления срабатывания датчика всплытия даже при грубых (свободных) допусках на размеры деталей.
При отсутствии гидростатического давления основная 3 и дополнительная 4 мембраны расположены взаимно по центрам с зазором h (фиг.2).
Неподвижный контакт 15 выполнен в виде стержня с контактной площадкой 16. Неподвижный контакт 15 по резьбе ввинчен в отверстие 17, выполненное в изоляторе 9 и перпендикулярном оси мембран. Внутренний объем 18 корпуса 2 соединен с внешней средой каналом 19 приема гидростатического давления Р.
Крышка 20, установленная на кожух 1, защищает подвижный упругий контакт 13 и неподвижный контакт 15. Пластины 21 и 22 соединяют контакты 13, 15 с токовыводами 23, расположенными на крышке 20 и изолированными от нее, например, стеклоприпоем (на чертежах не показан). Токовыводы 23 используются для подключения датчика всплытия к внешним электрическим цепям системы автоматики объекта использования.
Установка неподвижного контакта 15 по резьбе в отверстии 17 изолятора 9, перпендикулярном оси мембран 3, 4 позволяет выполнять технологичную настройку контактного давления простым поворотом неподвижного контакта 15, при котором подвижный упругий контакт 13 отжимается кромкой контактной площадки 16.
а
Для снижения влияния возможных деформаций кожуха 1 при выполнении сварных швов крышки 20 - кожуха 1, корпуса 2 - кожуха 1, а также усилий при монтаже датчика всплытия в объекте использования на уставочное значение гидростатического давления корпус 2 установлен в кожухе 1 с зазором . Деформации кожуха 1 практически не передаются на мембраны 3, 4, то есть сохраняются упругие характеристики мембран 3, 4 и пространственное расположение внутреннего центра 14 мембраны 3.
На свободном конце подвижного упругого контакта 13 отштампована продольная выдавка 24, образующая цилиндрической поверхности которой перпендикулярна кромке контактной площадки 16 неподвижного контакта 15, обеспечивающая надежный точечный контакт (фиг.6).
Датчик всплытия работает следующим образом.
В воздушной среде контакты 13, 15 датчика всплытия замкнуты (фиг.1), в водной среде - разомкнуты. При погружении вода через канал приема давления 19 заполняет внутренний объем 18 корпуса 2, гидростатическое давление Ρ упруго деформирует мембраны 3, 4, перемещая шток 10, который отжимает подвижный упругий контакт 13 от контактной площадки 16 неподвижного контакта 15, то есть контакты 13, 15 размыкаются.
При всплытии внешнее гидростатическое давление Ρ уменьшается, при достижении давлением Ρ уставочного значения мембраны 3, 4 взаимно расходятся, при этом шток 10 «отслеживает» перемещение центра 14 мембраны 3, замыкая контакты 13, 15.
Использование двух мембран 3, 4 обеспечивает увеличенный ход центра 14 основной мембраны 3, что упрощает настройку датчика всплытия на малое уставочное давление срабатывания, соответствующее малой глубине нахождения от поверхности воды.
Использование основной 3 и дополнительной 4 мембран с одинаковым профилем обеспечивает при действии значительного перегрузочного гидростатического давления Ρ совмещение мембран 3, 4 до полной выборки зазора h между ними по всей площади без пластических деформаций (фиг.3) мембран 3, 4, то есть упругие свойства мембран 3, 4 сохраняются и, как следствие, уставка срабатывания датчика всплытия не изменяется.
Обеспечение полной идентичности профилей совместно используемых мембран 3, 4 может достигаться их совместным (попарным) штампованием - формированием профиля гофров.
При действии значительного внешнего (перегрузочного) давления основная 3 и дополнительная 4 мембраны упруго деформируются с выборкой зазора между ними и, как следствие, прижимаются к втулке 6 корпуса 2 (фиг.3). Мембраны 3, 4 «разгружаются» от действующего гидростатического давления, так как действующее на них усилие пропорционально площади отверстия 7, значительно меньшей, чем эффективная (рабочая) площадь мембран 3, 4. Этим реализуется защита датчика всплытия от перегрузочного давления, что повышает его надежность.
Конструкция заявляемого датчика всплытия и примененные материалы не ограничивают возможный в разных климатических районах эксплуатации температурный диапазон его пребывания в воздушной и водной среде при предельно низких и предельно высоких температурах для этих сред что расширяют область применения датчика всплытия.
Датчик всплытия имеет очень простую конструкцию и содержит малое количество деталей в виде тел вращения простой формы, его сборка и настройка не требуют сложных и трудоемких операций, то есть технологична. Указанные особенности будут способствовать качественному изготовлению надежных датчиков всплытия.
Выполнение штока 10 толкателя с изолятором 11 на одном торце и резьбой с другого торца с навернутой резьбовой втулкой 12, закрепленной на плоском подвижном упругом контакте 13, позволяет выполнять технологичную настройку давления срабатывания датчика всплытия при свободных (грубых) допусках на размеры его деталей. После настройки шток 10 толкателя и втулка 12 взаимно контрятся, например лазерной сваркой, для исключения изменения уставки при последующей эксплуатации датчика всплытия. Данное техническое решение позволило создать датчик всплытия с повышенной надежностью и с технологичной настройкой.
Выше изложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый датчик всплытия предназначен для использования в системах автоматики подводных обитаемых и необитаемых объектов, эксплуатируемых в широком диапазоне глубин погружения;
- заявляемый датчик всплытия при использовании способен обеспечить высокую надежность работы в течение длительных сроков эксплуатации, в том числе после пребывания в составе объекта использования на значительных глубинах и при нахождении в районах эксплуатации в воздушной среде с широким диапазоном предельных температур воздуха;
- заявляемый датчик всплытия технологичен при изготовлении;
- для заявляемого датчика всплытия в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный датчик всплытия соответствует условию «промышленная применимость».