PL220795B1 - Manometr indukcyjny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest manometr indukcyjny, przeznaczony do pomiaru nadciśnienia i podciśnienia w zbiornikach zamkniętych i otwartych oraz do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, mający zastosowanie w instalacjach technicznych, szczególnie w układach telemetrii przewodowej, w których wskaźnik ciśnienia powinien znajdować się w miejscu oddalonym od miejsca, gdzie znajduje się czujnik ciśnienia. Manometr indukcyjny według wynalazku może być także używany w życiu codziennym, w szczególności do pomiaru ciśnienia w oponach samochodowych lub instalacji wodociągowej oraz, jako środek dydaktyczny w pracowniach studenckich i szkolnych do pokazu właściwości ferrofluidów i metod pomiaru ciśnienia.

Znany manometr indukcyjny, ujawniony jest w polskim opisie patentowym Nr 53 051 i składa się ze szklanej rurki w kształcie litery U, zawierającej rtęć, przy czym jedno ramię rurki jest otwarte, a drugie połączone ze źródłem ciśnienia, działającego na powierzchnię rtęci w tym ramieniu. Na zewnątrz każdego z ramion umieszczone są współosiowo jedno nad drugim po dwa uzwojenia. Dwa z tych uzwojeń połączone są szeregowo oraz zasilane ze źródła napięcia zmiennego o częstotliwości wyższej, niż częstotliwość sieci energetycznej i pracują, jako uzwojenie pierwotne transformatora. Pozostałe dwa uzwojenia połączone są przeciwsobnie i przyłączone do przyrządu pomiarowego, rejestratora lub układu automatycznej regulacji. Działanie manometru polega na tym, że uzwojenia pierwotne wytwarzają zmienne strumienie magnetyczne, które przenikają rtęć i indukują w niej prądy wirowe. Straty energii powodowane przez te prądy są wprost proporcjonalne do różnicy wysokości słupków rtęci w obu ramionach rurki wymuszanej przez ciśnienie i mierzone, rejestrowane lub wykorzystywane do automatycznej regulacji.

Inny manometr indukcyjny, znany jest z opisu patentowego niemieckiego Nr 369 611 składa się również z rurki w kształcie litery U wypełnionej rtęcią, podobnie jak w polskim patencie nr 53 051 oraz ferromagnetycznego, płaszczowego, dwukierunkowego rdzenia transformatora, mającego uzwojenie pierwotne, nawinięte na bocznych kolumnach i zasilane prądem zmiennym. Środkowa kolumna transformatora umieszczona jest w jednym z ramion rurki w kształcie litery U i ma od niego mniejszą średnicę, dzięki czemu rtęć zawarta w tym ramieniu może wchodzić w szczelinę między kolumną a wewnętrzną ścianką rurki, tworząc zwarte uzwojenie wtórne transformatora. Zmieniające się ciśnienie powoduje zmiany poziomu rtęci w szczelinie, co z kolei skutkuje zmianą natężenia indukowanych w niej prądów, mających wpływ na moc pobieraną przez uzwojenie pierwotne. Zmiana mocy jest proporcjonalna do zmiany wysokości słupka rtęci, a ta z kolei do zmiany ciśnienia i mierzona przez watomierz, wskazujący w ten sposób ciśnienie.

Jeszcze inny manometr indukcyjny, znany jest z opisu Nr 133 782, wydanego w Związku Socjalistycznych Republik Radzieckich i składa się z rurki w kształcie litery U, wypełnionej rtęcią i mającej jeden koniec zamknięty, a drugi zatopiony. W rtęci, znajdującej w otwartym ramieniu połączonym ze źródłem ciśnienia, zanurzony jest ferromagnetyczny pływak. Na zewnątrz tego ramienia umieszczone są dwa ramiona mostka pomiarowego. Na zamknięte ramię rurki nałożone są również dwie cewki, stanowiące pozostałe dwa ramiona mostka. Zmiany ciśnienia powodują przesunięcie poziomu rtęci i przemieszczenie pływaka, co skutkuje zaburzeniem równowagi elektrycznej mostka proporcjonalnym do tych zmian. Towarzyszący tym zmianom przepływ prądu elektrycznego jest proporcjonalny do zmiany ciśnienia i po wzmocnieniu przez wzmacniacz przyłączony na wyjście mostka pozwala na pomiar ciśnienia.

Także znany manometr indukcyjny, ujawniony został w polskim opisie patentowym Nr 57 815. Manometr ten występuje w dwóch wersjach przeznaczonych do pomiaru małych i dużych ciśnień. W wersji dla małych ciśnień manometr indukcyjny składa się z rurki w kształcie litery U o ramionach otwartych, napełnionej cieczą nie przewodzącą prądu elektrycznego. W cieczy, w obu ramionach pływa jeden pływak ferromagnetyczny, szczelnie dopasowany do wewnętrznej średnicy rurki, a każde z ramion otoczone jest parą cewek, podobnie jak w manometrze indukcyjnym znanym z polskiego opisu patentowego nr 53 051. Cewki połączone są w układ mostkowy, zasilany ze źródła prądu przemiennego o częstotliwości wyższej, niż częstotliwość sieci energetycznej. Zmiana położenia pływaków w ramionach rurki, spowodowana zmianą ciśnienia, wymusza proporcjonalną zmianę indukcyjności dwóch cewek mostka i pojawienie się sygnału elektrycznego, który jest podawany na miernik, rejestrator lub układ automatycznej regulacji. Żeby zapobiec zawieszaniu się pływaków w ramionach rurki, są one w czasie pomiaru wstrząsane za pomocą wibratora. Wersja znanego manometru indukcyjnego

PL 220 795 B1 dla dużych ciśnień różni od poprzednio opisanej tym, że rurka w kształcie litery U zawiera w dolnej części rtęć, nad którą znajduje się w obu ramionach ciecz nie przewodząca prądu elektrycznego.

Jeszcze inny manometr indukcyjny ujawnia polski opis patentowy nr 102 547. Również w tym manometrze zastosowano otwartą rurkę w kształcie litery U, napełnioną rtęcią, a na jej ramionach umieszczono czujniki indukcyjne w postaci cewek, nawiniętych jednowarstwowo z odstępem, umożliwiającym wizualny odczyt poziomu rtęci lub czujniki pojemnościowe w postaci okładek kondensatora. Jedne końce cewek są połączone z masą, a drugie końce łączą się poprzez korektory zera z generatorami elektrycznymi. Każda z cewek włączona jest w obwód rezonansowy generatora, które z kolei połączone zostały poprzez separatory amplitud z mieszaczem. Sygnał z wyjścia mieszacza podawany jest na miernik częstotliwości połączony ze wskaźnikiem. Zasada działania manometru polega na tym, że zmiany ciśnienia powodują zmianę wysokości słupków rtęci, znajdujących się w ramionach rurki w kształcie litery U objętych czujnikami, co z kolei powoduje proporcjonalne zmiany częstotliwości generatorów i wytworzenie w mieszaczu dudnień, których częstotliwość jest mierzona przez miernik i pokazywana na wskaźniku wyskalowanym w jednostkach ciśnienia.

Manometr indukcyjny, przeznaczony do pomiaru ciśnienia płynów o podwyższonej temperaturze ujawniony został w polskim opisie patentowym nr 73 157. Znany manometr składa się z cylindrycznego korpusu umieszczonego w cylindrycznej osłonie, zaopatrzonej w końcówki - wlotową i wylotową, przeznaczone dla cieczy chłodzącej, która przepływa przez spiralny kanał wykonany na zewnętrznej powierzchni korpusu. Korpus ma w przedniej części komorę, zamkniętą od strony czołowej przeponą, a z drugiej strony membraną, między którymi znajduje się ciecz hydrauliczna. Z membraną jest sztywno związany rdzeń ferromagnetyczny, wprowadzony do przetwornika elektromechanicznego, stanowiącego zamknięty w obudowie układ trzech cewek, umieszczonych współosiowo jedna za drugą i pracujących, jako transformator różnicowy, zasilany prądem zmiennym. Membrana jest oddzielona od przetwornika podkładką, a przetwornik wkręcany w korpus manometru. Zasada działania znanego manometru polega na tym, że ciśnienie wywierane na membranę przekazywane jest poprzez ciecz hydrauliczną na przeponę i powoduje przesuwanie rdzenia ferromagnetycznego. Prowadzi to do zmiany rozkładu strumienia magnetycznego między cewkami transformatora różnicowego i pojawienie się na jego wyjściu napięcia elektrycznego, proporcjonalnego do zmiany ciśnienia.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że manometr indukcyjny składa się z naczynia zamkniętego szczelnie z jednej strony elastyczną membraną, dociśniętą do jego zewnętrznych ścianek pierścieniem z gwintem zewnętrznym, umożliwiającym połączenie manometru ze zbiornikiem, którym mierzone jest ciśnienie. Do naczynia przyłączony jest drożnie jeden koniec rurki o przekroju poprzecznym znacznie mniejszym, niż przekrój poprzeczny naczynia, a rurka ta zamknięta jest szczelnie na drugim końcu pokrywką. Wewnątrz rurki, po stronie jej zamkniętej części znajduje się tłoczek, szczelnie i suwliwie dopasowany do wewnętrznej średnicy rurki, a między tłoczkiem i pokrywką umieszczona została spiralna, śrubowa, ściskana sprężyna, zaś w przestrzeni między pokrywką a tłoczkiem jest próżnia. Wszystkie dotychczas wymienione elementy manometru, wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych, zaś rurka, tłoczek i pokrywka również z materiałów nie przewodzących prądu elektrycznego, a membrana i sprężyna, korzystnie z brązu fosforowego. Wnętrze naczynia i rurki wypełnione jest ferrofluidem, stanowiącym zawiesinę cząstek o rozmiarach koloidalnych, wytworzonych z materiału ferromagnetycznego magnetycznie miękkiego, korzystnie magnetytu i pokrytych warstwą substancji powierzchniowo czynnej, korzystnie kwasu oleinowego lub palmitynowego, chroniącej cząstki przed agregacją i sedymentacją. Cząstki są zdyspergowane w ciekłym nośniku, korzystnie w oleju silikonowym, przy czym współczynnik wypełnienia zawiesiny przez cząstki ferromagnetyczne wynosi 0,2-0,4. Na część rurki, zawierającą sprężynę, nałożony jest izolacyjny karkas z nawiniętym na nim uzwojeniem. Koniec słupka ferrofluidu i tłoczek, podczas niewywierania mierzonego ciśnienia na membranę, nie wchodzą do otworu w karkasie uzwojenia. Końce uzwojenia połączone są szeregowo przewodami z wyłącznikiem, miernikiem natężenia prądu zmiennego, korzystnie miliamperomierzem wskazówkowym lub cyfrowym, wycechowanym w jednostkach ciśnienia i generatorem drgań elektrycznych, o częstotliwości 20 kHz lub wyższej, korzystnie w postaci układu scalonego oraz ze źródłem stabilizowanego napięcia zasilania.

Zaletami manometru według wynalazku są wysoka czułość, wynikająca z dużych zmian długości słupka ferrofluidu - uzyskanych, mimo małych ugięć membrany przez zastosowanie układu szerokiego naczynia i cienkiej rurki oraz wysokiej przenikalności magnetycznej ferrofluidu, wyeliminowanie toksycznej rtęci, szeroki zakres zastosowań oraz możliwość zdalnego odczytu ciśnienia. Dodatkową zaletą jest prosta i niezawodna konstrukcja.

PL 220 795 B1

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rys., który przedstawia rurkę manometryczną i cewkę w przekroju osiowym, podłużnym oraz schemat połączeń elementów elektrycznych manometru.

Manometr indukcyjny według wynalazku składa się z naczynia 1, zamkniętego szczelnie z jednej strony elastyczną membraną 2, dociśniętą do zewnętrznych ścianek naczynia pierścieniem 3 z gwintem zewnętrznym, umożliwiającym połączenie manometru ze zbiornikiem, którym mierzone jest ciśnienie. Do naczynia 1, przyłączony jest drożnie jeden koniec rurki 4, o przekroju poprzecznym znacznie niniejszym, niż przekrój poprzeczny naczynia 1, a rurka 4, zamknięta jest szczelnie na drugim końcu pokrywką 5. Wewnątrz rurki 4, po stronie jej zamkniętej części znajduje się tłoczek 6, szczelnie i suwliwie dopasowany do wewnętrznej średnicy rurki 5, a między tłoczkiem i pokrywką 5, umieszczona została spiralna, śrubowa, ściskana sprężyna 7, zaś w przestrzeni między pokrywką 5, a tłoczkiem 6 jest próżnia 8. Wszystkie wyżej wymienione elementy 1-7, wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych, zaś rurka 4, tłoczek 6 i pokrywka 5, również z materiałów nie przewodzących prądu elektrycznego, a membrana 2 i sprężyna 7, korzystnie z brązu fosforowego. Wnętrze naczynia 1 i rurki 4 wypełnione jest ferrofluidem 9, stanowiącym zawiesinę cząstek o rozmiarach koloidalnych, wytworzonych z materiału ferromagnetycznego magnetycznie miękkiego, korzystnie magnetytu i pokrytych warstwą substancji powierzchniowo czynnej, korzystnie kwasu oleinowego lub palmitynowego, chroniącej cząstki przed agregacją i sedymentacją. Cząstki są zdyspergowane w ciekłym nośniku, korzystnie w oleju silikonowym, przy czym współczynnik wypełnienia zawiesiny przez cząstki ferromagnetyczne wynosi 0,2-0,4. Na część rurki 4, zawierającą sprężynę 7, nałożony jest izolacyjny karkas 10 z nawiniętym na nim uzwojeniem 11. Koniec słupka ferrofluidu 9 i tłoczek 6, podczas niewywierania mierzonego ciśnienia p na membranę 1, nie wchodzą do otworu w karkasie 10, uzwojenia 11. Końce uzwojenia 11 połączone są szeregowo przewodami z wyłącznikiem W, miernikiem natężenia prądu zmiennego M, korzystnie miliamperomierzem wskazówkowym lub cyfrowym, wycechowanym w jednostkach ciśnienia i generatorem drgań elektrycznych G, o częstotliwości 20 kHz lub wyższej korzystnie w postaci układu scalonego oraz ze źródłem stabilizowanego napięcia zasilania U.

Zasada działania manometru indukcyjnego według wynalazku polega na tym, że po złączeniu wyłącznika W, generator G wytwarza drgania elektryczne, powodując przepływ prądu zmiennego przez uzwojenie 11 i miernik M, który wskazuje jego natężenie. Wartość tego natężenia, przy stałym napięciu na końcach uzwojenia 11, jest odwrotnie proporcjonalna do jego impedancji, na którą składa się rezystancja uzwojenia i jego oporność indukcyjna, zależna od wymiarów, liczby zwojów oraz obecności materiałów magnetycznych w otworze karkasu i jego otoczeniu. Podczas niewywierania mierzonego ciśnienia p, koniec słupka ferrofluidu 9 znajduje się poza otworem karkasu 10, uzwojenia 11, co powoduje, że oporność indukcyjna cewki jest najmniejsza i miernik M pokazuje największe natężenie prądu. Gdy na membranę 2 jest wywierane mierzone ciśnienie p, wówczas membrana 2 ulega ugięciu, przez co przemieszcza ferrofluid 9 z naczynia 2 do rurki 4 i skutkiem tego słupek ferrofluidu wsuwa się do otworu w karkasie 10, uzwojenia 11, aż do chwili, w której ciśnienie spowodowane reakcją sprężyny 7, ściskanej przez tłok 6, zrównoważy ciśnienie p. Powoduje to wzrost oporności indukcyjnej cewki i spadek natężenia prądu, proporcjonalny do mierzonego ciśnienia p, co umożliwia jego odczyt na mierniku M, wycechowanym w jednostkach ciśnienia. Podczas zmniejszania ciśnienia p, opisane zależności mają odwrotny charakter. Odpowiednio wysoka częstotliwość pracy generatora G powoduje, że ferrofluid wskutek bezwładności nie ulega przemieszczeniu w rurce 4.

Claims (1)

1. Manometr indukcyjny zawierający miernik natężenia prądu zmiennego i generator drgań elektrycznych, znamienny tym, że ma naczynie (1) zamknięte szczelnie z jednej strony elastyczną membraną (2), dociśniętą do zewnętrznych ścianek naczynia pierścieniem (3) z gwintem zewnętrznym, umożliwiającym połączenie manometru ze zbiornikiem, w którym mierzone jest ciśnienie, do którego przyłączony jest drożnie jeden koniec rurki (4), o przekroju poprzecznym znacznie mniejszym, niż przekrój poprzeczny naczynia (1), przy czym rurka (4) zamknięta jest szczelnie na drugim końcu pokrywką (5), zaś wewnątrz rurki (4), po stronie jej zamkniętej części znajduje się tłoczek (6) szczelnie i suwliwie dopasowany do wewnętrznej średnicy rurki (4), a między tłoczkiem i pokrywką (5) umieszczona została spiralna, śrubowa, ściskana sprężyna (7), zaś w przestrzeni między pokrywką (5) a tłoczkiem (6) jest próżnia (8), przy czym naczynie (1), membrana (2), pierścień (3), rurka (4), pokryPL 220 795 B1 wa (5), tłoczek (6) i sprężyna (7) wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych, zaś rurka (4), tłoczek (6) i pokrywka (5) również z materiałów nie przewodzących prądu elektrycznego, a membrana (2) i sprężyna (7), korzystnie z brązu fosforowego, natomiast wnętrze naczynia (1) i rurki (4) wypełnione jest ferrofluidem (9) stanowiącym zawiesinę cząstek o rozmiarach koloidalnych, wytworzonych z materiału ferromagnetycznego magnetycznie miękkiego, korzystnie magnetytu i pokrytych warstwą substancji powierzchniowo czynnej, korzystnie kwasu oleinowego lub palmitynowego, przy czym cząstki są zdyspergowane w ciekłym nośniku, korzystnie w oleju silikonowym, a współczynnik wypełnienia zawiesiny przez cząstki ferromagnetyczne wynosi 0,2-0,4, natomiast na część rurki (4), zawierającą sprężynę (7) nałożony jest izolacyjny karkas (10) z nawiniętym na nim uzwojeniem (11), którego końce połączone są szeregowo przewodami z wyłącznikiem (W), miernikiem natężenia prądu zmiennego (M), korzystnie miliamperomierzem wskazówkowym lub cyfrowym, wycechowanym w jednostkach ciśnienia i generatorem drgań elektrycznych (G), o częstotliwości 20 kHz lub wyższej, korzystnie w postaci układu scalonego oraz ze źródłem stabilizowanego napięcia zasilania (U).