Мембранный узел датчика давления
Владельцы патента RU 2280242:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (RU)
Использование: в датчиках давления для изменения упругих характеристик мембран. Сущность: мембранный узел датчика давления состоит из корпуса, упругой плоской или гофрированной мембраны, неподвижно закрепленной внутри корпуса, и регулировочного устройства. Регулировочное устройство содержит натяжной краевой гофр мембраны, распорное кольцо, установленное на периферийной части мембраны, один или несколько сухарей конической формы, микрометрический винт и отсчетное устройство. Изменение жесткости мембраны производится вращением микрометрического винта, вызывающим поступательное движение сухаря (или сухарей) в коническом пазу (или пазах) распорного кольца, за счет чего диаметр распорного кольца увеличивается, натяжной гофр мембраны сжимается, а жесткость мембраны повышается. Угол поворота микрометрического винта контролируется по отсчетному устройству, расположенному на корпусе мембранного узла датчика давления. Технический результат изобретения заключается в контролируемом изменении жесткости мембраны без разборки мембранного узла датчика давления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройствам для изменения упругих характеристик мембран и может быть использовано в датчиках давления для измерения давления, разряжения, разности давлений жидкостных и газовых сред.
В настоящее время известны несколько конструкций датчиков давления, в которых предусмотрено регулирование упругой характеристики мембраны без полной разборки датчика.
Известен мембранный чувствительный элемент (А.С. 287368 SU, МПК 1 G 01 L 7/08, опубл. 19.11.1970, бюллетень №35), содержащий рабочую гофрированную мембрану, укрепленную на жестком основании, и выполненный в виде жесткой мембраны, имеющей, например, плоскую или гофрированную поверхность, профильный упор-лекало, снабженный регулировочным устройством, изменяющим положение профильного упора-лекала относительно поверхности рабочей мембраны, отличающийся тем, что с целью получения заданной расчетной характеристики регулировочное устройство выполнено в виде резьбового кольца, жестко скрепленного с бортом упора-лекала и навинчивающегося на основание рабочей мембраны. Конструкция мембранного чувствительного элемента (А.С. 287368 SU) не позволяет изменять упругую характеристику мембраны в широких пределах с заданной точностью. Это объясняется неизменностью конфигурации мембраны в исходном состоянии, а также совместной работой мембраны и профильного упора-лекала, который позволяет подгонять упругую характеристику мембраны под требуемую за счет соответствия формы профильного упора-лекала форме мембраны.
Известен датчик давления (А.С. 994939 SU, МПК 3 G 01 L 7/08, опубл. 07.02.1983, бюллетень №5), содержащий корпус, выполненный в виде днища и разъемной крышки, индуктивный преобразователь, плоскую мембрану, прижатую съемным фланцем и крепежными винтами к днищу корпуса, отличающийся тем, что с целью увеличения собственной акустической частоты системы приемный канал - датчик за счет уменьшения объема подмембранного пространства и обеспечения возможности регулирования натяжения мембраны съемный фланец выполнен разъемным и состоит из двух частей: прижимного фланца, имеющего кольцевой выступ прямоугольного сечения для соответствующей кольцевой впадины днища корпуса, и профилированного фланца, снабженного регулировочными винтами, треугольные выступы которого входят в соответствующие впадины днища корпуса.
Конструкция датчика давления (А.С. 994939 SU) позволяет производить регулировку характеристики мембраны благодаря ее натяжению. В этой конструкции величина натяжения мембраны ограничена незначительным перемещением регулировочного фланца относительно прижимного, так как в противном случае треугольные выступы (впадины), выполненные на прижимном и регулировочном фланцах вызовут значительную деформацию мембраны в месте контакта, что может привести к разрыву мембраны. Кроме того, в этой конструкции сложно обеспечить равномерное натяжение мембраны, так как для этого необходимо поочередно заворачивать винты, соединяющие прижимной и регулировочный фланцы. Неравномерное натяжение мембраны отрицательно отражается на ее упругой характеристике. Указанные недостатки датчика давления (А.С. 994939 SU) не позволяют изменять упругую характеристику мембраны с заданной точностью.
Известен датчик давления (А.С. 537272 SU, МПК 2 G 01 L 7/08, опубл. 30.11.1976, бюллетень №44), содержащий мембрану, зажатую в корпусе по периферии двумя кольцами, отличающийся тем, что с целью улучшения равномерности натяжения мембраны при сборке и эксплуатации в нем каждое кольцо выполнено в виде тора, внешняя поверхность которого срезана по образующей конуса, обращенного вершиной в сторону, противоположную мембране.
Изменение упругой характеристики мембраны в конструкции датчика давления (А.С. 537272 SU) происходит за счет натяжения мембраны зажимными кольцами. Недостатком конструкции этого датчика давления (А.С. 537272 SU) также является невозможность изменения упругой характеристики мембраны с заданной точностью. Это вызвано тем, что натяжение мембраны обеспечивается силами трения, возникающими в зоне контакта мембраны с зажимными кольцами. Так как точки контакта зажимных колец и мембраны при натяжении перемещаются на малую величину, то и характеристика мембраны изменяется незначительно. Кроме того, при сборке датчика невозможно сразу получить требуемую характеристику мембраны, поэтому перед работой датчика необходимо проводить его дополнительное тестирование и подгонку характеристики мембраны под требуемую.
Известен мембранный узел (А.С. 1045021 SU, МПК 3 G 01 L 7/08, опубл. 30.09.1983, бюллетень №36), содержащий корпус с упругой мембраной и регулировочное устройство, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона регулирования путем изменения конфигурации мембраны в исходном состоянии в него введено кольцо овальной формы с лыской, выполненной по всей длине окружности кольца, расположенное по периферии мембраны и установленное на корпусе овальной частью, а кольцо закреплено по поверхности лыски на упругой мембране и контактирует с регулировочным устройством.
Изменение упругой характеристики мембраны в конструкции мембранного узла (А.С. 1045021 SU) происходит за счет изменения кривизны упругой линии мембраны. Однако точно предсказать какой будет кривизна упругой линии мембраны нельзя, так как изменение ее кривизны зависит от жесткости мембраны, жесткости кольца, контактирующего с мембраной, положения точки контакта мембраны, резьбовой втулки и кольца с лыской, а эта точка при регулировке смещается. Таким образом, невозможно изменить упругую характеристику мембраны на нужную величину с заданной точностью. Так же, как и в конструкции датчика (А.С. 537272 SU), для получения требуемой характеристики мембраны необходимо дополнительное тестирование мембранного узла.
Задачей изобретения является получение мембранного узла датчика давления с возможностью контроля и регулирования в широких пределах упругой характеристики мембраны.
Технический результат изобретения заключается в контролируемом изменении жесткости мембраны без разборки мембранного узла датчика давления.
Поставленный технический результат изобретения достигается при выполнении мембранного узла датчика давления, состоящего из корпуса, упругой плоской или гофрированной мембраны, неподвижно закрепленной внутри корпуса, и регулировочного устройства. Регулировочное устройство состоит из натяжного гофра мембраны, упругого распорного кольца, сухаря конической формы, микрометрического винта и отсчетного устройства. Натяжной гофр мембраны является ее краевым гофром (гофром, наиболее удаленным от центра мембраны) и имеет буртик, который служит для закрепления мембраны внутри корпуса. Форма натяжного гофра обеспечивает плотный контакт поверхности распорного кольца, наиболее удаленной от его центральной оси, с поверхностью натяжного гофра. Распорное кольцо выполнено разрезанным, при этом плоскость резания совпадает с одним из сечений распорного кольца, которое располагается перпендикулярно продольной оси распорного кольца, кроме того, распорное кольцо имеет конический паз, причем ось конического паза расположена в плоскости резания и параллельна центральной оси распорного кольца. В конический паз распорного кольца входит сухарь конической формы, с которым взаимодействует расположенный с ним соосно, микрометрический винт. Поворотный фланец микрометрического винта находится снаружи корпуса мембранного узла датчика давления, также снаружи корпуса располагается отсчетное устройство. Отсчетное устройство состоит из круговой шкалы, неподвижно связанной с корпусом, и риски, нанесенной на поверхность микрометрического винта, при этом положение риски относительно круговой шкалы позволяет контролировать угол поворота микрометрического винта.
Поставленный технический результат может быть достигнут также при выполнении мембранного узла датчика давления, в конструкции которого распорное кольцо выполнено разрезанным в нескольких местах, причем положение плоскостей резания совпадает с положением равноотстоящих друг от друга сечений, перпендикулярных продольной оси распорного кольца. При этом распорное кольцо имеет конические пазы, оси которых располагаются в плоскостях резания и параллельны центральной оси распорного кольца. В конические пазы входят сухари конической формы, одновременно со всеми сухарями конической формы взаимодействует микрометрический винт, ось которого совпадает с центральной осью распорного кольца.
Между техническим результатом изобретения и его существенными признаками существует следующая причинно-следственная связь.
Известно (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. - с.151, с.175-178), что, изменяя величину натяжения как плоских, так и гофрированных мембран, можно в широких пределах изменять упругую характеристику мембраны, что объясняется изменением жесткости мембраны, которое происходит при ее натяжении.
В предлагаемом мембранном узле датчика давления изменение жесткости мембраны осуществляется следующим образом. При вращении микрометрического винта он упирается в сухарь конической формы и вызывает его поступательное движение. При этом сухарь конической формы входит в конический паз распорного кольца и вызывает его расклинивание. В результате увеличивается диаметр распорного кольца, а контактирующий с наружной поверхностью распорного кольца натяжной гофр мембраны сжимается, вызывая ее натяжение и увеличение жесткости. Таким образом, увеличение жесткости мембраны прямо зависит от угла поворота микрометрического винта, который можно контролировать по отсчетному устройству.
Величина натяжения мембраны ограничена конусностью сухаря и паза и высотой распорного кольца. Для увеличения натяжения мембраны распорное кольцо может быть выполнено разрезанным в нескольких местах, и соответственно иметь несколько конических пазов, в которые входят сухари конической формы. В этом случае вращение микрометрического винта приводит к поступательному движению одновременно всех сухарей конической формы в пазах распорного кольца, за счет чего диаметр, а следовательно, и натяжение мембраны увеличиваются пропорционально числу сухарей конической формы.
На фиг.1 показан в разрезе мембранный узел датчика давления, в конструкции которого распорное кольцо имеет один конический паз.
На фиг.2 в сечении показано расположение сухаря конической формы в коническом пазу распорного кольца мембранного узла датчика давления, в котором распорное кольцо имеет один конический паз.
На фиг.3 показан в разрезе мембранный узел датчика давления, в конструкции которого распорное кольцо выполнено разрезанным в нескольких местах и имеет несколько конических пазов.
На фиг.4 в сечении показано расположение нескольких сухарей конической формы в конических пазах разрезанного распорного кольца мембранного узла датчика давления, в котором распорное кольцо имеет несколько конических пазов.
Мембранный узел датчика давления состоит из корпуса 1, образованного крышкой 2 корпуса 1 и днищем 3 корпуса 1. Крышка 2 корпуса 1 и днище 3 корпуса 1 соединяются крепежными болтами 4.
Внутри корпуса 1 установлена плоская или гофрированная мембрана 5. Неподвижное закрепление мембраны 5 обеспечивается фиксацией буртика 6 мембраны 5. Мембрана 5, установленная внутри корпуса 1, разделяет внутреннее пространство мембранного узла датчика давления на две полости: полость А и полость В, в которых создаются соответственно давления рА и рВ.
Мембранный узел датчика давления содержит регулировочное устройство, которое состоит из натяжного гофра 7 мембраны 5, упругого распорного кольца 8, сухаря конической формы 9, микрометрического винта 10 и отсчетного устройства 11.
Распорное кольцо 8 имеет центральную ось 12 и продольную ось 13. Распорное кольцо 8 выполнено разрезанным, при этом плоскость резания совпадает с одним из сечений распорного кольца, перпендикулярных его продольной оси 13. Распорное кольцо 8 имеет конический паз 14, ось 15 конического паза 14 расположена в плоскости резания и параллельна центральной оси 12 распорного кольца 8. Распорное кольцо 8 прижимает мембрану 5 к поверхности корпуса 1.
Натяжной гофр 7 является краевым гофром мембраны и имеет форму, обеспечивающую плотный контакт поверхности распорного кольца 8, наиболее удаленной от его центральной оси 12, с поверхностью натяжного гофра 7.
В конический паз 14 входит сухарь конической формы 9, с которым взаимодействует расположенный с ним соосно микрометрический винт 10. Поворотный фланец микрометрического винта 10 находится снаружи корпуса 1. Также снаружи корпуса 1 располагается отсчетное устройство 11, которое состоит из круговой шкалы 16, неподвижно связанной с корпусом 1, и риски 17, выполненной на поверхности микрометрического винта 10.
Мембранный узел датчика давления может быть выполнен с регулировочным устройством, в котором распорное кольцо 8 выполнено разрезанным в нескольких местах, в этом случае регулировочное устройство отличается следующим. Положение плоскостей резания при изготовлении распорного кольца 8 совпадает с положением равноотстоящих друг от друга сечений, перпендикулярных продольной оси 13. Распорное кольцо 8 имеет конические пазы 14, оси 15 которых расположены в плоскостях резания и параллельны центральной оси 12 распорного кольца 8. В конические пазы 14 входят сухари 9 конической формы. Одновременно со всеми сухарями 9 конической формы взаимодействует микрометрический винт 10, ось которого совпадает с центральной осью 12 распорного кольца 8.
Мембранный узел датчика давления работает следующим образом.
Перед созданием в рабочих полостях А и В давлений рА и рВ осуществляют вращение микрометрического винта 10, контролируя его угол поворота по отсчетному устройству 11. Вращение микрометрического винта 10 вызывает поступательное движение сухаря 9 в коническом пазу 14 распорного кольца 8, что обуславливает его расклинивание. Диаметр распорного кольца 8 увеличивается и натяжной гофр 7 мембраны 5, контактирующий с наружной поверхностью распорного кольца 8, сжимается. Происходит натяжение мембраны 5, в результате чего увеличивается ее жесткость. Так как увеличение диаметра распорного кольца 8 (величина натяжения мембраны 5) прямо связано с углом поворота микрометрического винта 10, то жесткость мембраны 5 можно контролировать по отсчетному устройству 11. После натяжения мембраны 5 в полостях А и В создают давления рА и рВ, разность которых обеспечивает прогиб мембраны. Величина прогиба может быть снята с помощью емкостных, индуктивных, тензометрических датчиков и преобразована в выходной сигнал, соответствующий разности давлений Δр=рА-рВ.
Работа мембранного узла датчика давления, выполненного с распорным кольцом, которое разрезано в нескольких местах, осуществляется аналогично описанному, за исключением того, что вращение микрометрического винта 10 вызывает поступательное движение нескольких сухарей 9 в конических пазах 14, что также приводит к увеличению диаметра распорного кольца 8 и натяжению мембраны 5.
1. Мембранный узел датчика давления, содержащий корпус, упругую плоскую или гофрированную мембрану, неподвижно закрепленную внутри корпуса, и регулировочное устройство, отличающийся тем, что регулировочное устройство состоит из натяжного гофра мембраны, упругого распорного кольца, сухаря конической формы, микрометрического винта и отсчетного устройства, при этом натяжной гофр мембраны является ее краевым гофром (т.е. гофром, наиболее удаленным от центра мембраны) и имеет буртик, который служит для закрепления мембраны в корпусе, форма натяжного гофра обеспечивает плотный контакт поверхности распорного кольца, наиболее удаленной от его центральной оси, с поверхностью натяжного гофра, распорное кольцо выполнено разрезанным, при этом плоскость резания совпадает с одним из сечений распорного кольца, которое располагается перпендикулярно его продольной оси, кроме того, распорное кольцо имеет конический паз, причем ось конического паза расположена в плоскости резания и параллельна центральной оси распорного кольца, в конический паз распорного кольца входит сухарь конической формы, с которым взаимодействует расположенный с ним соосно микрометрический винт, поворотный фланец микрометрического винта находится снаружи корпуса мембранного узла датчика давления, также снаружи корпуса расположено отсчетное устройство, состоящее из круговой шкалы, неподвижно связанной с корпусом, и риски, нанесенной на поверхность микрометрического винта, при этом положение риски относительно круговой шкалы позволяет контролировать угол поворота микрометрического винта.
2. Мембранный узел датчика давления по п.1, отличающийся тем, что распорное кольцо выполнено разрезанным в нескольких местах, причем положение плоскостей резания совпадает с положением равноотстоящих друг от друга сечений, перпендикулярных продольной оси распорного кольца, при этом распорное кольцо имеет конические пазы, оси которых расположены в плоскостях резания и параллельны центральной оси распорного кольца, в конические пазы входят сухари конической формы, при этом одновременно со всеми сухарями конической формы взаимодействует микрометрический винт, ось которого совпадает с центральной осью распорного кольца.
