RU2831518C1 - Датчик разности давлений с защитой от перегрузочных давлений - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением разности давлений. Датчик давления содержит корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Каждая полость загерметизирована воспринимающей давление разделительной мембраной, расположенной с зазором относительно профилированных оснований, причем давление, создаваемое мембранами на электроизоляционную жидкость, передается с помощью проточных каналов (гидравлических дросселей) к измерительному узлу, состоящему из компенсационной мембраны и полупроводниковых тензочувствительных элементов на основе структуры «кремний на кремнии» (КНК). После разделительной мембраны установлена дополнительная мембрана с дросселирующим отверстием, расположенная с зазором относительно подложки, на которой выполнен гидравлический дроссель в виде проточки в форме спирали таким образом, что при воздействии перегрузочного давления зазор между дополнительной мембраной и подложкой уменьшается. При этом за счет прижатия дополнительной мембраны к подложке образуется спиральный дроссель, поперечное сечение которого уменьшается при увеличении перегрузочного давления с крутым фронтом, что исключает попадание перегрузочного давления на измерительную КНК мембрану. Технический результат - создание датчика разности давлений с защитой от перегрузочных давлений. 5 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению давления электрическими методами с помощью чувствительного элемента - тензопреобразователя, и может быть использовано в различных областях науки техники, связанных с измерением разности давления.

В большинстве случаев датчики разности давлений измеряют разность давлений между двумя рабочими давлениями, значение которых значительно превышает измеряемую разность давлений. Поэтому в процессе эксплуатации датчиков разности давлений в результате аварийных ситуаций на чувствительные элементы датчиков могут воздействовать давления, значения которых на порядок превышают измеряемое, что приводит к выходу датчиков из строя. Также при резкой подаче в датчик давлений, между которыми измеряется разность, на чувствительный элемент могут воздействовать давления, значения которых превышают допустимые.

Изобретение позволяет защитить чувствительный элемент - тензопреобразователь от разрушения при случайной подаче давления, связанной с ошибкой оператора, засорением каналов подвода давления или резкой подаче давления.

Известен датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление профилированной мембраной, расположенной с зазором относительно корпуса, а между полостями в корпусе герметично установлены чувствительный элемент - тензопреобразователь и система его защиты от перегрузочного давления, состоящая из двух сильфонов, подпружиненных пружинами. При воздействии перегрузочного давления и, следовательно, увеличении разности давлений между полостями, сильфон (находящийся в полости, в которой давление возрастает выше допустимого) начинает разжиматься, при этом соответствующая профилированная мембрана ложится на профилированную поверхность корпуса, предотвращая дальнейшее увеличение разности давлений между полостями, что предохраняет тензопреобразователь (имеющий достаточно тонкую, не более 50 мкм, мембрану) от разрушения. Патент РФ №2098785, МПК G01L 13/02, 14.02.1996.

Однако такая конструкция датчика не решает полностью проблему защиты от перегрузочного давления. Это обусловлено тем, что предложенная конструкция достаточно хорошо защищает чувствительный к давлению элемент от статического или медленно меняющегося давления, но не защищает от воздействия быстро меняющегося давления, например, при резком открытии вентилей подающих давление в датчик, поскольку при измерении динамических процессов (воздействии перегрузочного давления с резким фронтом) защита из сильфонов не успевает срабатывать, что приводит к тому, что на чувствительный элемент датчика может воздействовать давление, значение которого превышает допустимое, что приводит к выходу его из строя (разрушению или недопустимому изменению его характеристик - нулевому показанию, чувствительности).

Наиболее близким известным техническим решением является датчик дифференциального давления, в котором частично устранены приведенные выше недостатки. Датчик содержит корпус, в котором жестко закреплены две разделительные мембраны, передающие давление, посредством малосжимаемой электроизоляционной жидкости, к измерительному узлу, состоящему из тензочувствительного элемента и предохранительной (компенсационной) мембраны, защищающей чувствительный элемент от чрезмерного давления. Для исключения выхода из строя чувствительного элемента под действием резко меняющегося давления в датчике установлены гидравлические дроссели, выполненные в виде коаксиальных зазоров, для чего в вертикальные отверстия в корпусе датчика установлены цилиндрические стержни (название по патенту - пламегасители). Патент РФ №2143673, МПК G01L 9/06, 13/02, 18.08.1995. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком приведенного устройства является снижение быстродействия датчика, так как предложенное устройство защиты от перегрузочных давлений (гидравлические дроссели) работает постоянно - и в аварийных режимах, и при измерении рабочей разности давлений (значение которой не превышает допустимых значений).

Предлагаемое изобретение направлено на решение указанной задачи.

Задачей изобретения является создание датчика разности давлений, имеющего высокое быстродействие в рабочем диапазоне давлений и обеспечивающего защиту чувствительного элемента при воздействии перегрузочных давлении. Для этого предусмотрено введение в конструкцию гидравлического дросселя, проходное сечение которого (и, следовательно, гидравлическое сопротивление) не является постоянной величиной, а зависит от скорости изменения измеряемого давления. Причем при увеличении скорости измеряемого давления увеличивается гидравлическое сопротивление.

Техническим результатом является обеспечение стойкости к перегрузочным давлениям и повышение быстродействия.

Технический результат достигается тем, что в датчике разности давления, содержащем корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление разделительной мембраной, расположенной с зазором относительно профилированных оснований, причем давление, создаваемое мембранами на электроизоляционную жидкость, передается с помощью проточных каналов и гидравлических дросселей к компенсационной мембране и к чувствительному элементу - тензопреобразователю, состоящему из кремниевой мембраны на которой сформированы диффузионные тензорезисторы, после разделительной мембраны установлена дополнительная мембрана с дросселирующем отверстием, расположенная с зазором относительно подложки, на которой выполнен гидравлический дроссель в виде проточки в форме спирали таким образом, что при воздействии перегрузочного давления за счет прижатия дополнительной мембраны к подложке образуется спиральный дроссель поперечное сечение которого уменьшается при воздействии перегрузочного давления с крутым фронтом.

Изобретение поясняется чертежами, где:

1 - корпус;

2 - первая полость;

3 - вторая полость;

4 - первая разделительная мембрана;

4* - исходное положение первой разделительной мембраны при воздействии перегрузочного давления;

5 - вторая разделительная мембрана;

6 - первый зазор;

7 - профилированное основание;

8 - компенсационная мембрана;

8* - исходное положение компенсационной мембраны при воздействии перегрузочного давления;

9 - чувствительный элемент (тензопреобразователь);

10 - дополнительная мембрана;

10* - исходное положение дополнительной мембраны при воздействии давления с резким фронтом;

11 - дросселирующее отверстие;

12 - второй зазор;

13 - подложка;

14 - гидравлический дроссель;

15 - проточный канал;

16 - проточный канал;

17 - монтажные проводники;

18 - гермовыводы;

19 - проточный канал;

20 - дросселирующее отверстие;

21 - профилированное основание;

22 - первый зазор со стороны второй разделительной мембраны;

23 - дополнительная мембрана со стороны второй разделительной мембраны;

24 - второй зазор со стороны второй разделительной мембраны;

25 - подложка со стороны второй разделительной мембраны.

На фиг. 1 представлена конструкция датчика разности давлений с защитой от перегрузочных давлений.

На фиг. 2 представлен гидравлический дроссель в виде проточки в форме спирали.

На фиг. 3 представлена штатная работа датчика при подаче давлений в пределах допустимых значений.

На фиг. 4 представлена работа датчика при подаче медленно меняющегося перегрузочного давления.

На фиг. 5 представлена работа датчика при подаче резко меняющегося перегрузочного давления.

Датчик разности давлений (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором выполнены две полости 2 и 3, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Каждая полость разделена на приемный и измерительный отсеки, соединенные каналом 16. Со стороны приемного отсека каждая полость загерметизирована воспринимающей давление разделительной мембраной 4 (5), расположенными с зазором 6 (22) относительно профилированного основания 7 (21). Между измерительными отсеками полостей расположен измерительный узел, состоящий из компенсационной мембраны 8 и полупроводниковых тензочувствительных элементов на основе структуры «кремний на кремнии» (КНК) 9. В измерительном отсеке каждой полости между разделительной 4 (5) и компенсационной 8 мембранами установлена дополнительная мембрана 10 (23) с дросселирующим отверстием 11 (20), расположенная с зазором 12 (24) относительно подложки 13 (25), на которой выполнен гидравлический дроссель в виде проточки в форме спирали 14 (фиг. 2) таким образом, что поперечное сечение спирального дросселя уменьшается при воздействии перегрузочного давления с крутым фронтом, (за счет прижатия дополнительной мембраны к подложке), что исключает попадание перегрузочного давления на измерительную мембрану чувствительного элемента 9 через проточный канал 15 (19). Электрический сигнал от чувствительного элемента 9 через монтажные проводники 17 и гермовыводы 18 выводится на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).

Датчик работает следующим образом.

При подаче давления, например, на разделительную мембрану 4 она прогибается, зазор 6 под ней уменьшается, а находящаяся в приемном отсеке первой полости 2 жидкость через проточный канал 16 выталкивается в измерительный отсек. Давление жидкости в измерительном отсеке повышается и воздействует на дополнительную мембрану 10, деформируя ее, и через дросселирующее отверстие 11 и проточный канал 15 давление воздействует на мембрану 8, вызывая ее деформацию. Одновременно давление жидкости по проточному каналу 15 передается на одну из сторон чувствительного элемента 9 (мембраны с тензорезисторами).

При воздействии давления мембрана тензопреобразователя деформируется и тензорезисторы преобразуют напряжение мембраны в электрический сигнал, который через монтажные проводники 17 и гермовыводы 18 выводится на вторичный преобразователь (на чертеже не показан).

Аналогично давление через вторую разделительную мембрану 5 передается на другую сторону чувствительного элемента 9.

В зависимости от величины и скорости изменения подаваемых в него давлений датчик работает следующим образом.

Вариант 1. Подача в датчик давлений P₁ и Р₂ разность которых не превышает допустимую (см. фиг. 1).

В этом случае воздействие давления P₁ на мембрану 4 и давления Р₂ на мембрану 5 вызывает давление жидкости в полостях корпуса 2 и 3 которое через дросселирующие отверстия 11, 20 и проточные каналы 15 и 19 передается на разные стороны мембраны с тензорезисторами 9, которые преобразуют напряжение мембраны в электрический сигнал.

Для обеспечения работоспособности датчика в диапазоне рабочих перепадов давлений жесткость компенсационной мембраны 8 выбрана таким образом, что ее деформация при воздействии рабочей разности давлений (значения которого не превышают допустимые значения) не приводит к тому, что разделительные мембраны 4 или 5 «садятся» (уменьшая величину зазора 6 до нуля) на профилированные основания корпуса 1.

Вариант 2. Подача давлений, при которых разность давлений превышает допустимую, например, со стороны Р₂ (см. фиг. 2). В этом случае компенсационная мембрана 8 начинает прогибаться, забирая часть жидкости из зазора 6 (см. фиг. 1), при этом разделительная мембрана 4 «садится» на профилированное основание 7 корпуса 1 и увеличение давления в полости 2 и, соответственно, зазоре 12, прекращается, что предохраняет полупроводниковый чувствительный элемент 9 от разрушения. Аналогичная картина происходит при воздействии перегрузочного давления со стороны Р₁. При этом проходное сечение дросселей 11 достаточно большое, что исключает деформацию мембраны 10 при медленном изменении действующего на нее давления.

Вариант 3. Подача давления с резким фронтом, например, со стороны Р₂ (см. фиг. 3). В этом случае жидкость из полости 2 начинает перетекать в зазор 12 (см. фиг. 1) через дросселирующее отверстие 11. При этом дополнительная мембрана 10 начинает деформироваться из-за разности давлений в камерах 2 и 12 (давление между которыми не может моментально выровняться, так как между ними установлено дросселирующее отверстие 11) уменьшая зазор 12 между дополнительной мембраной 10 и подложкой 13. При максимальной перегрузке (когда дополнительная мембрана 10 полностью прижата к основанию 13) давление поступает к измерительному элементу 9 через гидравлический дроссель в виде проточки в форме спирали 14 (см. фиг. 2). Вследствие этого растет гидравлическое сопротивление в цепи передачи давления к мембране тензопреобразователя и, следовательно, происходит демпфирование перегрузочных давлений, что в свою очередь обеспечивает защиту измерительной КНК мембраны 9 от воздействия перегрузочного давления с резким фронтом. Аналогичная картина происходит при воздействии давления с резким фронтом со стороны P₁.

Таким образом, предложенная конструкция датчика разности давления обеспечивает защиту тензопреобразователя от воздействия перегрузочных давлений как статических, так и динамических, не снижая при этом быстродействия датчика в рабочем диапазоне измеряемых давлений.

Claims (1)

1. Датчик разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, при этом каждая полость загерметизирована воспринимающей давление профилированной разделительной мембраной, расположенной с зазором относительно профилированных оснований, причем давление, создаваемое мембранами на электроизоляционную жидкость, передается с помощью гидравлических дросселей, представляющих собой проточные каналы, к измерительному узлу, состоящему из компенсационной мембраны и полупроводниковых тензочувствительных элементов на основе структуры «кремний на кремнии», отличающийся тем, что после разделительной мембраны установлена дополнительная мембрана с дросселирующим отверстием, расположенная с зазором относительно подложки, на которой выполнен гидравлический дроссель в виде проточки в форме спирали.