Измеритель разности давлений (варианты)

 

Измеритель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован в качестве датчика перепада давления в расходомерах, установленных на различных коммуникациях. Измеритель разности давлений содержит выполненные в корпусе и заполненные нематическим жидким кристаллом две камеры с установленными в них разделительными мембранами. Камеры соединены прозрачным плоским капилляром с нанесенным на внутренние поверхности его стенок прозрачным токопроводящим слоем. Оптронная пара с источником и приемником излучения расположена по обе стороны капилляра. Отличие измерителя заключается в том, что капилляр выполнен переменного сечения. Капилляр переменного сечения может быть выполнен расположением его стенок под углом друг к другу. Капилляр переменного сечения может быть выполнен установкой в нем ограничительных прокладок переменного сечения. Другой вариант измерителя разности давлений содержит выполненные в корпусе и заполненные нематическим жидким кристаллом две камеры с установленными в них разделительными мембранами. Камеры соединены прозрачным плоским капилляром с нанесенными на внутренние поверхности его стенок прозрачным токопроводящим слоем. Оптронная пара с источником и приемником излучения расположена по обе стороны капилляра. Токопроводящий слой выполнен в виде отдельных изолированных участков для подведения к каждому различного значения электрического напряжения. Измеритель разности давления обеспечивает расширение диапазона регулировки чувствительности и возможность визуального считывания показаний. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, например, в качестве датчика перепада давления в расходомерах, установленных на различных трубопроводных коммуникациях.

Известен измеритель разности давлений, включающий две камеры с установленными в них мембранными коробками, две трубки для отбора давлениями и оптронную пару [1]. B этом измерителе перепад давлений, фиксируют перемещением штока и снятием соответствующего электрического сигнала с оптронной пары.

Недостатком этого устройства являются: узкий диапазон измеряемых давлений, невысокая чувствительность и наличие механически движущихся частей.

Наиболее близким по технической сущности к измерителю разности давления является измеритель, содержащий корпус, выполненные в нем и заполненные нематическим жидким кристаллом (ЖК) две камеры, установленные в них разделительные мембраны, соединяющий камеры прозрачный плоский капилляр с нанесенным на его внутренние поверхности токопроводящим слоем, оптронную пару с источником и приемником излучения, расположенными по обе стороны капилляра [2] .

При подаче некоторой разности давлений к одной из мембран начинается перетекание жидкого кристалла из одной камеры в другую через прозрачный плоский капилляр. Исходная ориентация молекул ЖК, как правило, гомеотропная (перпендикулярная) стенкам капилляра нарушается потоком ЖК и в оптронной паре появляется (возникает) электрический сигнал, в определенном диапазоне пропорциональный приложенной разности давлений. Прикладывая к прозрачным электродам капилляра управляющие напряжения, можно смещать диапазон пропорциональности и, соответственно, изменять чувствительность измерителя давлений.

Недостатком известного измерителя разности давлений являются: 1. ограниченный диапазон изменений чувствительности, обусловленный тем, что плоский капилляр имеет одну фиксированную толщину, которая в сочетании с управляющими напряжениями и определяет пределы регулировки, 2. невозможность визуального (без оптронной пары) считывания показаний измерителя, что в ряде применений является весьма желательным.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона регулировки чувствительности измерителя разности давления и обеспечение возможности визуального считывания показаний.

Указанный технический результат достигается созданием измерителя разности давления, содержащего выполненные в корпусе и заполненные нематическим жидким кристаллом две камеры, установленные в них разделительные мембраны, соединяющий камеры прозрачный плоский капилляр с нанесенным на его внутренние поверхности прозрачным токопроводящим слоем, оптронную пару с источником и приемником излучения, расположенными по обе стороны капилляра. Капилляр выполнен с переменным сечением и представляет из себя непрерывный ряд капилляров, каждый из которых имеет свой диапазон регулировки чувствительности и все в целом обеспечивают измерителю разности давления существенно больший диапазон, чем один капилляр постоянного сечения. Кроме того, оказалось, что при перетекании ЖК сквозь капилляр переменного сечения вследствие разных скоростей течения в более узких и широких частях капилляра можно визуально наблюдать границу раздела между жидким кристаллом текущим достаточно быстро (происходит ориентация молекул ЖК вдоль потока) и медленно текущим жидким кристаллом (молекулы ЖК только незначительно отклоняются потоком). По мере увеличения давления эта область сдвигается. Соответственно, сдвигается линия раздела области с двумя типами ориентаций, причем эта линия шириной около 1 мм четко наблюдается невооруженным взглядом. При подаче управляющего напряжения линия раздела сдвигается в сторону больших толщин или меньшего поперечного размера, что позволяет расширять диапазон чувствительности измерителя.

Если на капилляр нанести изображение шкалы и ее откалибровать, то измеряемые давления можно считывать непосредственно (без электроники). Применив оптронную пару или линейку оптронов, показания измерителя разности давления можно считывать с применением электроники. Таким образом, измеритель имеет широкий диапазон измерений и обеспечивает возможность считывания показаний и визуальным способом и с помощью электронных схем.

Конструктивное выполнение капилляра переменного сечения может быть достигнуто различными вариантами и каждое из них приносит измерителю разности давления свои преимущества.

Варианты измерителя разности давлений представлены на чертеже, где: Фиг. 1-3 - один вариант измерителя, Фиг. 4 - второй вариант измерителя.

Фиг. 1 - конструкция измерителя разности давлений с капилляром переменного сечения, стенки которого наклонены под углом друг другу.

Фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

Фиг. 3 - конструкция измерителя разности давлений с ограничительными прокладками переменного сечения.

Фиг. 4 - конструкция измерителя разности давления, в капилляре которого токопроводящий слой выполнен в виде отдельных изолированных участков.

Измеритель разности давления состоит из корпуса 1, (фиг. 1, 2), выполненных в нем и заполненных нематическим жидким кристаллом 2, двух камер 3 и 4, установленных в них разделительных мембран 5 и 6, прозрачного капилляра 7, гидравлически соединяющего камеры 3 и 4 и выполненного с переменным сечением, оптронной пары с поляризованным источником 8 и приемником 9 излучения, расположенных по обе стороны капилляра. Плоскости поляризации поляризованного источника и приемника скрещены относительно друг друга.

Капилляр 7 состоит из двух прозрачных пластин 10 и 11, на которые нанесен токопроводящий слой 12, например, из двуокиси олова, подающий управляющее напряжение. Расположение пластин относительно друг друга и выполнение их самих может быть различным.

Для обеспечения изменения чувствительности измерителя разности давления в зависимости от координаты, направленной перпендикулярно направлению течения, капилляр выполнен клинообразным (фиг. 2). В этом случае пластины 10, 11 скрепляют между собой клеем так, чтобы в верхней части капилляра 7 толщина зазора составляла величину d, в нижнем - D, причем (d<D). Плоскости поляризации поляризованных источника света 8 и приемника излучения 9 взаимно перпендикулярны и составляют α угол 45^o относительно вертикали.

Поверхность токопроводящего слоя 12 обрабатывают таким образом, чтобы молекулы жидкого кристалла 2 в исходном состоянии были соорентированы перпендикулярно поверхностям. Слой ЖК в этом случае представляет собой оптически однородную пластину Z-среза и в поляризованном свете выглядит черным при визуальном наблюдении и не вызывает никакого электрического сигнала в оптронной паре.

Наклон стенок капилляра позволяет обеспечить зависимость чувствительности и диапазона измерений от координаты, направленной перпендикулярно направлению течения, за счет соответствующего изменения локальной толщины жидкокристаллического слоя.

Для обеспечения изменения чувствительности измерителя разности давления в зависимости от координаты, параллельной направлению течения пластины 10, 11 капилляра 7, снабжены прокладками 13 из герметика (фиг. 3). Герметик в плоскости капилляра нанесен так, чтобы образовать полость с меняющейся шириной, например, в виде раструба. В этом случае, скорость течения жидкого кристалла при постоянном давлении будет неодинаковой по плоскости капилляра, а именно, обратно пропорциональной ширине слоя в вертикальной плоскости, так как расход ЖК, т.е. количество ЖК, протекающего через капилляр при заданной разности давления, постоянен и определяется сечением наиболее узкой части капилляра 7. Наличие разных скоростей течения в плоскости капилляра 7 приводит к неодинаковой переориентации молекул ЖК, вследствие чего в поляризованном свете виден непрозрачный черный на вид слой ЖК.

Установка ограничительных прокладок переменного сечения позволяет обеспечить зависимость чувствительности элемента слоя и диапазон измерений от координаты, направленной вдоль течения жидкого кристалла, за счет изменения скорости потока.

В измерителе, показанном на фиг. 4, на одну из пластин 10 нанесен сплошной токопроводящий сплошной слой 12. Аналогичное покрытие, нанесенное на вторую пластину, выполнено в виде n отдельных электрически изолированных сегментов 14 (полос), к каждому из которых подводят индивидуальное значение электрического напряжения, например, с помощью делителя напряжения (на чертеже не показан).

При возникновении в капилляре течения жидкого кристалла, вызванного перепадом давления, изменяется локальная ориентация в зоне n-го сегмента жидкого кристалла, причем степень этого изменения зависит от величины управляющего напряжения. При соответствующем подборе управляющих напряжений с помощью делителя можно получить (при заданном перепаде давления) достаточно сильное отличие отклонений ориентации в соответствующих сегментах капилляра, что при наблюдении в поляризованном свете приводит к появлению резкой границы между соседними сегментами. Увеличение перепада давления приводит к последовательному перемещению границы вдоль капилляра и обеспечивает возможность визуального отсчета при соответствующей калибровке капилляра.

Отдельные изолированные участки с различным электрическим напряжением позволяют создать неоднородное гидравлическое сечение капилляра при постоянной его толщине и получать резкую границу между различными типами ориентации за счет различного ориентирующего действия электрических полей различной напряженности.

Работа измерителя разности давления осуществляется следующим образом: При подаче к разделительным мембранам 5,6 некоторой разности давлений ЖК начинает перетекать из одной камеры 3 в другую камеру 4 , протекая вдоль капилляра 7. Количество ЖК, втекающего в капилляр при заданном давлении, определяется площадью сечения самой узкой части капилляра. Здесь скорость его течения максимальна. По мере расширения сечения капилляра скорость течения ЖК уменьшается по закону, определенному геометрией капилляра.

Если зазор капилляра выполнен в виде линейного раструба, то распределение скоростей вдоль капилляра строго обратно пропорционально расстоянию от узкой части капилляра. Меняя форму зазора, можно, при необходимости, получить квадратичную, гиперболическую и другие зависимости распределения скорости течения ЖК вдоль капилляра (фиг. 3).

В зависимости от скорости течения происходит переориентация молекул ЖК в плоскости капилляра. Участки, где скорость течения превышает определенный предел, при котором молекулы ЖК полностью ориентируются длинными осями вдоль потока, выглядят прозрачными, отделяясь резкой границей от участков, на которых скорость потока недостаточна для полной переориентации. Эти участки выглядят радужно окрашенными или черными.

Положение линии раздела четко связано с давлением, приложенным к мембранам, сдвигаясь вправо при увеличении давления и влево - при уменьшении. Число различных положений линий раздела вдоль капилляра определяет диапазон и точность измерений давления. Для того, чтобы расширить диапазон измерений, к токопроводящему слою 12 прикладывают переменное напряжение, которое стабилизирует ЖК и восстанавливает исходную гомеотропную ориентацию на тех участках капилляра 7, где скорость течения невысока. Линия раздела сдвигается в сторону больших скоростей, что равносильно расширению диапазона чувствительности в сторону больших давлений. Увеличение напряжения, верхним пределом которого является пробойное напряжение слоя ЖК, приводит к еще большему расширению диапазона. Если жидкость протекает через клинообразный капилляр, то при одинаковом давлении в капилляре 7 скорость течения в толстой части капилляра больше, чем в тонкой. Молекулы ЖК под действием потока меняют ориентацию от исходной гомеотропной до полностью планарной (параллельной поверхности электродов) при больших скоростях. В результате при визуальном наблюдении в поляризованном свете наблюдается следующая картина. В тонкой части клина слой ЖК выглядит почти черным, ближе к толстой части наблюдаются яркие цветные горизонтальные полосы, обусловленные наведенной потоком оптической разности хода, а в самой толстой части клина, где ориентация молекул ЖК потоком планарная, а поток ЖК турбулентен, видна однородная светлая область, отделенная от остальной области клина резкой границей. При неизменном давлении положение границы раздела изменяется при подаче управляющего напряжения на токопроводящий слой 12. При увеличении напряжения граница сдвигается вниз, происходит стабилизация - восстановление исходной ориентации. На фиг. 1 это положение границы отмечено позицией 15, если токопроводящий слой одной из пластин 12 разделен на две части.

Считывание величин измеряемых давлений визуально проводят по положению границ раздела, при этом для удобства на одну из пластин 10 можно нанести шкалу, откалиброванную непосредственно в единицах давления. Количество градаций давления, которые можно надежно считывать, зависит от геометрии раструба или клина. Так, например, чем меньше разница между d и D и больше длина клина (по вертикали), тем больше градаций и выше точность измерений. Диапазон величин давлений, которые могут быть изменены в D/d раз больше, чем в том случае, если бы капилляр был плоским (D=d). При необходимости считывания показаний не визуальным способом, а электрическим, по разные стороны капилляра 7 устанавливают элементы оптронной пары (источник света-фотоприемник) или линейки оптронных пар и по величине электрического сигнала с них или по положению границ раздела судят о величине измеряемого показания.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что оба варианта измерителей обеспечивают достижение указанного технического результата - существенно расширяют диапазон регулировки чувствительности и обеспечивают при этом визуальное считывание информации.

Источники информации: 1. Nakagawa T. A device for measuring very low pressure differences. Trans. ASME I Fluids Eng., 1980, v. 102, N 4, pp. 499-501.

2. RU 2008637, кл. G 01 L 11/00 1994.

Формула изобретения

1. Измеритель разности давлений, содержащий выполненные в корпусе и заполненные нематическим жидким кристаллом две камеры с установленными в них разделительными мембранами, соединяющий камеры прозрачный плоский капилляр с нанесенным на его внутренние поверхности стенок прозрачным токопроводящим слоем и оптронную пару с источником и приемником излучения, расположенными по обе стороны капилляра, отличающийся тем, что капилляр выполнен переменного сечения.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что капилляр переменного сечения выполнен расположением его стенок под углом друг к другу.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что капилляр переменного сечения выполнен установкой в нем ограничительных прокладок переменного сечения.

4. Измеритель разности давлений, содержащий выполненные в корпусе и заполненные нематическим жидким кристаллом две камеры с установленными в них разделительными мембранами, соединяющий камеры прозрачный плоский капилляр с нанесенным на его внутренние поверхности стенок прозрачным токопроводящим слоем и оптронную пару с источником и приемником излучения, расположенными по обе стороны капилляра, отличающийся тем, что токопроводящий слой выполнен в виде отдельных изолированных участков для подведения к каждому различного значения электрического напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4