RU2386115C1

RU2386115C1 - Excess pressure sensor

Info

Publication number: RU2386115C1
Application number: RU2008151176/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Владимирович Середенко (RU); Борис Владимирович Середенко; Дмитрий Иванович Уткин (RU); Дмитрий Иванович Уткин
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-04-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: excess pressure sensor has a housing in which there are two linked cavities lying one above the other with separation and compensation membrane, a strain gauge electrically connected to an electronic unit through pressure seals. One of the cavities is linked to the detecting element of the strain gauge and is filled with low-compressible dielectric liquid. Also between the cavities there are profiled support surfaces for the membranes, bent towards each other, and a through-opening which is covered by on the side of the lower cavity by the compensation membrane which is pressed to the support surface by given excess pressure inside the volume under it. The separation membrane in the upper cavity, which receives the converted pressure, lies in a neutral position.

EFFECT: protection of the row of detecting elements of the sensor with different conversion ranges from critical pressure overload without replacing the fitted elastic members.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для непрерывного измерения давления и предназначено для защиты первичного чувствительного элемента от воздействия критического перегрузочного давления.The invention relates to measuring equipment, namely to devices for continuous pressure measurement and is intended to protect the primary sensitive element from the effects of critical overload pressure.

Известен датчик разности давлений (см., например, патент США №3841158, кл. 73-407, 1984), содержащий корпус, в котором выполнены две полости, заполненные малосжимаемой электроизоляционной жидкостью. Между полостями в корпусе закреплен полупроводниковый чувствительный элемент. На внешней поверхности корпуса закреплены герметично с зазором от корпуса две профилированные воспринимающие давление мембраны, подмембранные объемы каждой из которых соединены с помощью отверстий с соответствующей полостью. Между полостями в корпусе герметично закреплен сильфон, а между подвижной крышкой сильфона и корпусом в одной из полостей размещена пружина сжатия.A known differential pressure sensor (see, for example, US patent No. 3841158, CL 73-407, 1984) containing a housing in which there are two cavities filled with low compressible insulating fluid. A semiconductor sensing element is fixed between the cavities in the housing. On the outer surface of the casing, two profiled pressure-sensitive membranes are fixed hermetically with a gap from the casing, the submembrane volumes of each of which are connected via openings with a corresponding cavity. A bellows is hermetically fixed between the cavities in the housing, and a compression spring is placed between the movable bellows cover and the housing in one of the cavities.

Такая конструкция датчика, обеспечивая защиту чувствительного элемента от воздействия критического перегрузочного давления, увеличивает погрешность измерения.This design of the sensor, providing protection of the sensitive element from the effects of critical overload pressure, increases the measurement error.

Это обусловлено тем, что из-за необходимости обеспечения возможности как растяжения, так и сжатия сильфона (перегрузочные давления могут быть как внешними, так и внутренними) между гофрами сильфона принципиально должны быть зазоры. При измерении давления гофры сильфона или отдельные элементы гофров деформируются измеряемым давлением, при этом происходит изменение объемов жидкости в полостях датчика, что приводит к изменению положений мембран, воспринимающих давление и имеющих нелинейные упругие характеристики и, как следствие, к изменению перепада давлений на чувствительном элементе в исходном состоянии и изменению выходного сигнала датчика, т.е. к увеличению погрешности.This is due to the fact that, due to the need to ensure both stretching and compression of the bellows (overload pressures can be both external and internal), there should essentially be gaps between the bellows corrugations. When measuring the pressure of the bellows corrugations or individual elements of the corrugations are deformed by the measured pressure, this leads to a change in the volume of fluid in the sensor cavities, which leads to a change in the position of the membranes that receive pressure and have non-linear elastic characteristics and, as a result, to a change in the pressure drop across the sensitive element in initial state and a change in the output signal of the sensor, i.e. to increase the error.

Снижение погрешности за счет увеличения жесткости сильфона может привести к перегрузке чувствительного элемента.Reducing the error by increasing the stiffness of the bellows can lead to overload of the sensing element.

За прототип выбран датчик разности давлений (см., например, патент РФ №2098785, кл. G01L 13/02, 1996), содержащий корпус с двумя полостями, заполненными малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, и загерметизированными профилированными мембранами, полупроводниковый чувствительный элемент и сильфон, между подвижной крышкой которого и корпусом размещена пружина сжатия, второй сильфон, герметично закрепленный между полостями, между подвижной крышкой второго сильфона и корпусом размещена вторая пружина сжатия, при этом гофры сильфонов сжаты до упора.For the prototype, a pressure differential sensor was selected (see, for example, RF patent No. 2098785, class G01L 13/02, 1996), comprising a housing with two cavities filled with a low compressible insulating liquid and sealed profiled membranes, a semiconductor sensitive element and a bellows, between the movable cover of which and the housing accommodates a compression spring, a second bellows sealed between the cavities, a second compression spring is placed between the movable cover of the second bellows and the housing, while the bellows corrugations are compressed up to pa.

В этом датчике в процессе измерения гофры сильфона, подпружиненные пружиной сжатия, сжаты до упора, при этом изменения геометрических размеров сильфона не происходит, эффективная площадь его остается постоянной, т.е. остается постоянным объем полостей, что не увеличивает погрешность измерения.In this sensor, in the process of measuring the bellows corrugations, spring-loaded with a compression spring, are compressed all the way, while the geometric dimensions of the bellows are not changed, its effective area remains constant, i.e. the volume of cavities remains constant, which does not increase the measurement error.

В известном датчике гофры сильфона защищены от воздействия избыточного давления, что повышает точность измерения, но в каждом отдельном случае для реализации защиты чувствительного элемента от воздействия критического перегрузочного давления требуется установка упругих элементов датчика (сильфонов и пружин), согласованных по жесткостям с диапазоном преобразования примененного чувствительного элемента.In the known sensor, the bellows corrugations are protected from excessive pressure, which increases the accuracy of the measurement, but in each case, to implement the protection of the sensitive element from the effects of critical overload pressure, it is necessary to install elastic sensor elements (bellows and springs), matched in terms of stiffness with the conversion range of the applied item.

Предложенное изобретение направлено на защиту ряда отличных по диапазону преобразования чувствительных элементов датчика от перегрузочного критического давления без замены установленных упругих элементов.The proposed invention is aimed at protecting a number of sensitive sensor elements that are different in the conversion range from overload critical pressure without replacing installed elastic elements.

Для этого в датчике избыточного давления, содержащем корпус, в котором выполнены две расположенные друг над другом сообщающиеся полости с разделительной и компенсирующей мембранами, тензопреобразователь, электрически через гермовыводы соединенный с электронным блоком, причем одна из полостей сообщается с чувствительным элементом тензопреобразователя и заполнена малосжимаемой электроизоляционной жидкостью, в корпусе датчика между полостями выполнены профилированные опорные поверхности-упоры для мембран, прогнутых навстречу друг другу, и сквозное отверстие, перекрытое со стороны нижней полости компенсирующей мембраной, поджатой к опорной поверхности находящимся в ее подмембранном объеме заданным избыточным давлением, при этом расположенная в верхней полости разделительная мембрана, воспринимающая преобразуемое давление, находится в нейтральном положении.To this end, in an overpressure sensor comprising a housing in which two communicating cavities are arranged one above the other with a separation and compensating membranes, a strain gauge electrically connected through a pressure connection to an electronic unit, one of the cavities communicating with a strain gauge sensing element and filled with a low compressible insulating fluid , in the sensor housing between the cavities, profiled support surfaces are made-stops for membranes bent towards each other rugu, and a through hole, covered by the lower chamber of the compensating diaphragm, pressed against the support surface located in its submembrane specify the pressurized screen, wherein the separating membrane is located in the upper cavity receptive to convert the pressure is in the neutral position.

При указанном положении мембран преобразуемое датчиком давление полностью передается на чувствительный элемент тензопреобразователя.At the indicated position of the membranes, the pressure converted by the sensor is completely transmitted to the sensor element of the strain gauge.

При превышении преобразуемым давлением верхней границы диапазона преобразования датчика, но еще значительно меньшим, чем давление разрушения чувствительного элемента тензопреобразователя, компенсирующая мембрана отодвигается от опорной поверхности, освобождая пространство для перетекания жидкости из верхней полости в нижнюю. Процесс перетекания завершается при поджатии разделительной мембраны к своей опорной поверхности, при этом перегрузочное давление не передается на чувствительный элемент тензопреобразователя, предохраняя его от разрушения.If the transformed pressure exceeds the upper limit of the sensor conversion range, but is still significantly lower than the fracture pressure of the sensor element of the strain gauge, the compensating membrane moves away from the supporting surface, freeing up space for liquid to flow from the upper cavity to the lower. The overflow process is completed when the separation membrane is pressed to its supporting surface, while overload pressure is not transmitted to the sensitive element of the strain gauge, protecting it from destruction.

При уменьшении величины преобразуемого давления до верхней границы диапазона преобразования датчика обе мембраны возвращаются в исходное положение и давление, находящееся в камере приема давления датчика, снова полностью передается на чувствительный элемент тензопреобразователя.When reducing the magnitude of the converted pressure to the upper limit of the sensor conversion range, both membranes return to their original position and the pressure in the pressure receiving chamber of the sensor is again completely transferred to the sensor element of the strain gauge.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена функциональная схема датчика избыточного давления.The invention is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of an overpressure sensor.

Датчик избыточного давления состоит из корпуса 1, в котором размещены две полости 2, 3, электронного блока 4, соединенного с тензопреобразователем 5 через гермовыводы 6 разделительной мембраны 7, компенсирующей мембраны 8, пневмоканала 9, соединяющего полость 2 с камерой приема давления 10, опорные поверхности 11, 12, расположенные в полостях 2 и 3, пневмоканал 13, соединенный с атмосферой, и канал 14, соединяющий датчик избыточного давления с магистралью (измеряемым давлением).The overpressure sensor consists of a housing 1, in which two cavities 2, 3, an electronic unit 4 are placed, connected to a strain gauge 5 through a pressure seal 6 of a separation membrane 7, a compensating membrane 8, a pneumatic channel 9 connecting the cavity 2 to the pressure receiving chamber 10, supporting surfaces 11, 12 located in cavities 2 and 3, a pneumatic channel 13 connected to the atmosphere, and a channel 14 connecting the gauge of excessive pressure to the line (measured pressure).

Работает датчик избыточного давления следующим образом.The overpressure sensor operates as follows.

Разделительная мембрана 7, расположенная в полости 3 находится в нейтральном положении, компенсирующая мембрана 8, расположенная в полости 2, поджата заданным избыточным давлением P_S к опорной поверхности 11, повторяющей ее профиль.The separation membrane 7, located in the cavity 3 is in the neutral position, the compensating membrane 8, located in the cavity 2, is preloaded by the specified overpressure P _S to the supporting surface 11 repeating its profile.

При воздействии на разделительную мембрану измеряемого давления P≤P_S положение компенсирующей мембраны 8 остается неизменным, и давление Р передается в диапазоне преобразования на тензопреобразователь 5 без искажений.When exposed to the separation membrane of the measured pressure P≤P _{S, the} position of the compensating membrane 8 remains unchanged, and the pressure P is transmitted in the conversion range to the strain gauge 5 without distortion.

При превышении измеряемым давлением Р значения заданного избыточного давления P_S, компенсирующая мембрана 8 начинает прогибаться, отодвигаясь от опорной поверхности 11, и жидкость, заполняющая подмембранный объем в полости 2 начинает перетекать через отверстие в корпусе в освобождающееся пространство между компенсирующей мембраной 8 и опорной поверхностью 11. При поджатии разделительной мембраны 7 к своей опорной поверхности 12 происходит вытеснение жидкости из полости 2 и дальнейшее увеличение измеряемого давления не приводит к изменению действующего на чувствительный элемент тензопреобразователя 5 давления, не превышающего предел его перегрузочной способности.When the measured pressure P exceeds the specified excess pressure P _S , the compensating membrane 8 begins to bend, moving away from the supporting surface 11, and the liquid filling the submembrane volume in the cavity 2 begins to flow through the hole in the housing into the freed space between the compensating membrane 8 and the supporting surface 11 . When the separation membrane 7 is pressed to its supporting surface 12, liquid is displaced from the cavity 2 and a further increase in the measured pressure does not lead to w acting on the sensing element 5 tenzopreobrazovatel pressure not exceeding the limit of its surge capacity.

Для изменения диапазона измерения датчика устанавливают чувствительный элемент необходимого предела измерения, а для защиты чувствительного элемента задают требуемое значение избыточного давления P_S в камере 8.To change the measuring range of the sensor, a sensitive element of the required measurement limit is set, and to protect the sensitive element, the required value of overpressure P _S in the chamber 8 is set.

Таким образом, предложенная конструкция датчика избыточного давления обеспечивает защиту тензопреобразователя от разрушения.Thus, the proposed design of the gauge overpressure provides protection strain gauge from destruction.

При этом при изменении диапазона преобразования чувствительных элементов датчика защита чувствительных элементов от перегрузочного критического давления сохраняется без замены установленных упругих элементов.Moreover, when changing the conversion range of the sensor’s sensitive elements, the protection of the sensitive elements from overload critical pressure is maintained without replacing the installed elastic elements.

Кроме этого, отсутствие перемещения мембран при измерении избыточного давления в пределах установленного диапазона преобразования и возврат мембран после воздействия перегрузочного давления строго в исходное положение (благодаря наличию опорной поверхности 11) обеспечивает высокую точность измерения и исключает сдвиг "нулевого" показания датчика.In addition, the lack of movement of the membranes when measuring overpressure within the specified conversion range and the return of the membranes after exposure to overload pressure strictly to their original position (due to the presence of the supporting surface 11) ensures high measurement accuracy and eliminates the shift of the "zero" sensor reading.

Claims

An overpressure sensor comprising a housing in which two communicating cavities are arranged one above the other with separation and compensating membranes, a strain gauge electrically connected through a pressure gland to an electronic unit, one of the cavities communicating with a strain gauge sensing element and filled with a low compressible insulating fluid, characterized in that between the cavities are made profiled supporting surfaces-stops for membranes, bent towards each other, and with a through hole blocked from the side of the lower cavity by a compensating membrane pressed against the support surface by a predetermined overpressure located in its submembrane volume, while the separation membrane located in the upper cavity, which receives the pressure being transformed, is in the neutral position.