Датчик давления
Владельцы патента RU 2439515:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения избыточного давления в агрессивных высокотемпературных средах. Предлагаемый датчик давления, выполненный в виде коаксиального СВЧ-резонатора, содержит цилиндрический корпус, стержень, два параллельных плоских диска, крышку с мембраной, воспринимающей измеряемое давление, днище и две петли связи. Стержень датчика выполнен составным, одна часть которого, представляющая собой единую конструкцию с днищем, имеет внутреннюю микрометрическую резьбу и является неподвижной, а другая часть стержня с плоским диском на одном конце и наружной резьбой на другом конце ввернута в неподвижную часть, причем петли связи подсоединены к неподвижной части стержня, а длины резьбовых частей стержня выбраны с возможностью регулирования зазора между плоскими параллельными дисками от нуля до величины, составляющей одну треть диаметра мембраны крышки. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности датчика давления при его эксплуатации в экстремальных условиях, когда давление может превышать допустимое значение в десятки раз и более. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения избыточного давления в агрессивных высокотемпературных средах.
Известен датчик давления, в котором в качестве чувствительного элемента используется гофрированная мембрана. Датчик с гофрированной мембраной защищен от давления, превышающего допустимое значение, с помощью специального ложементного устройства - постели. Поверхность постели имеет рельеф, зеркально повторяющий гофры мембраны (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981).
Поэтому при измерении давления выше допустимого мембрана ложится на поверхность постели, прогибаясь в пределах упругой деформации. Такая защита мембраны сложна в изготовлении и имеет большую стоимость. Кроме того, она рассчитана на относительно небольшое (фиксированное) перемещение мембраны.
Известен также датчик давления (RU 2221228, 10.01.2004), который по технической реализации наиболее близок предлагаемому устройству и может рассматриваться как прототип. Это устройство представляет собой коаксиальный СВЧ-резонатор, содержащий корпус с днищем и крышкой с мембраной, на которую воздействует избыточное давление. С внутренней стороны днища корпуса закреплен стержень, на конце которого расположен диск. Этот диск параллелен другому диску, закрепленному с помощью штока к центру мембраны, образуя, таким образом, электрическую емкость (конденсатор). В днище резонатора выполнены два отверстия для подвода и съема электромагнитной СВЧ-энергии с помощью двух петель связи.
Этот датчик имеет недостаток, заключающийся в том, что между дисками имеется зазор, рассчитанный строго на определенный (штатный) диапазон измерения. Однако при пусконаладочных работах и/или нештатных ситуациях диапазон измеряемого давления может значительно превысить максимально допустимое значение. Тогда мембрана получит прогиб, превышающий заданные пределы упругой деформации, что приведет к пластической деформации мембраны и снижению точностных характеристик датчика.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности датчика давления при его эксплуатации в экстремальных условиях, когда давление может превышать допустимое значение в десятки раз и более.
Технический результат в предлагаемом датчике давления достигается тем, что он выполнен в виде коаксиального СВЧ-резонатора, содержащего цилиндрический корпус, стержень, два параллельных плоских диска, крышку с мембраной, воспринимающей измеряемое давление, днище и две петли связи, при этом стержень датчика выполнен составным, одна часть которого, представляющая собой единую конструкцию с днищем, имеет внутреннюю микрометрическую резьбу и является неподвижной, а другая часть стержня с плоским диском на одном конце и наружной резьбой на другом конце ввернута в неподвижную часть, причем петли связи подсоединены к неподвижной части стержня, а длины резьбовых частей стержня выбраны с возможностью регулирования зазора между плоскими параллельными дисками от нуля до величины, составляющей одну треть диаметра мембраны крышки.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, изображающим схему устройства. На нем показаны корпус 1, диски 2 и 3, крышка 4, днище 5, петли связи 6 и 7, неподвижная 8 и подвижная 9 части стержня соответственно, прорезь 10, паз 11.
В предлагаемом устройстве корпус 1, крышка 4, днище 5, неподвижная часть стержня 8 и подвижная часть стрежня 9 образуют резонатор. На подвижной части стержня 9 закреплен диск 2, образующий с диском 3 электрическую емкость (конденсатор). Плоская мембрана крышки 4 воспринимает измеряемое давление и перемещает диск 3. Петли связи 6 и 7 служат для подвода и съема СВЧ-энергии. Подвижная часть стержня имеет прорезь под отвертку 10 для регулировки расстояния между дисками и ограничивающий его перемещение паз 11.
Устройство работает следующим образом.
Под воздействием измеряемого давления P плоская мембрана крышки 4 деформируется и диск 3 перемещается. При этом электрическая емкость C конденсатора, образованного дисками 2 и 3, изменяется. Соответственно, изменяется резонансная частота f электромагнитных колебаний коаксиального резонатора с оконечной сосредоточенной емкостной нагрузкой в виде данного конденсатора, согласно уравнению (RU 2221228, 10.01.2004):
где 
- волновое сопротивление коаксиального резонатора; ε - диэлектрическая проницаемость среды в полости резонатора; D - внутренний диаметр корпуса 1; d - диаметр подвижной части стержня 9; с - скорость света в вакууме; L - длина коаксиального резонатора; 
- электрическая емкость конденсатора, образованного дисками 2 и 3; D1 - диаметр каждого из дисков 2 и 3; Δ - зазор между дисками 2 и 3.
Резонансная частота f электромагнитных колебаний в коаксиальном резонаторе, как видно из выражения (1), зависит от зазора Δ между дисками 2 и 3, который зависит, в свою очередь, от соответствующего прогиба мембраны, определяемого в соответствии со следующей формулой (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981):
где k - коэффициент заделки крышки 4 (k≈4…6); r - радиус мембраны; h - толщина мембраны; E - модуль упругости материала мембраны; P - измеряемое давление.
Чем больше прогиб мембраны, тем меньше зазор между дисками, а следовательно, больше частота колебаний электромагнитного поля в резонаторе. Датчик настраивается таким образом, чтобы в штатном режиме зазор между дисками не смог стать равным нулю, что вызовет короткое замыкание.
Для работы мембраны в пределах упругой деформации эмпирически установлено, что прогиб мембраны не должен превышать 0,3 диаметра мембраны (Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981). Для единого габаритного размера мембраны с радиусом r=10 мм, максимальным значением ее прогиба Δ=100 мкм и модулем упругости E=20300 кг/мм2 (нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т) значения толщины мембраны, рассчитанные в соответствии с выражением (2), для различных диапазонов измерения сведены в таблицу.
| Таблица | ||||||||||
| Р, МПа | 0,6 | 1,0 | 1,6 | 2,5 | 4,0 | 6,0 | 10,0 | 16,0 | 25,0 | 40,0 |
| h, мм | 0,28 | 0,33 | 0,40 | 0,48 | 0,58 | 0,67 | 0,83 | 1,00 | 1,20 | 1,40 |
Таким образом, выбирая толщину мембраны в зависимости от диапазона измеряемого давления, можно с помощью одного датчика производить измерения давления во всем стандартном ряду его значений.
Однако, в процессе отладки оборудования и пусконаладочных работ, когда возможны возникновения пиковых перегрузок по давлению, с целью предохранения мембраны датчика от чрезмерного прогиба она ставится на упор. Для этого подвижная часть стержня поворачивается на фиксированный угол, при котором зазор между дисками становится нулевым.
После завершения работ, при которых возможно появление гидравлических ударов, подвижная часть стержня возвращается в рабочее состояние, что фиксируется по калибровочной метке или по начальной резонансной частоте f0 датчика, если измеряемое избыточное давление равно нулю.
Наличие жесткого упора и фиксированное перемещение стержня позволяют предохранить мембрану датчика от сверхдопустимых деформаций и сохранить неизменной тарировочную характеристику - зависимость резонансной частоты от измеряемого давления - в пределах заданной погрешности.
Промышленные испытания на Смоленском заводе «Пирамида» и проведенные государственные испытания показали, что датчик давления по предложенной схеме имеет класс точности, равный 1.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение надежности датчика при его работе в условиях возможности гидравлических ударов, при которых давление может превышать максимально допустимые значения в десятки раз и более.
Датчик давления, выполненный в виде коаксиального СВЧ-резонатора, содержащего цилиндрический корпус, два параллельных плоских диска, крышку с мембраной, воспринимающей измеряемое давление, днище и две петли связи, отличающийся тем, что стержень датчика выполнен составным, одна часть которого, представляющая собой единую конструкцию с днищем, имеет внутреннюю микрометрическую резьбу и является неподвижной, а другая часть стержня с плоским диском на одном конце и наружной резьбой на другом конце ввернута в неподвижную часть, причем петли связи подсоединены к неподвижной части стержня, а длины резьбовых частей стержня выбраны с возможностью регулирования зазора между плоскими параллельными дисками от нуля до величины, составляющей одну треть диаметра мембраны крышки.
