RU2464467C1

RU2464467C1 - Передатчик давления и манометр

Info

Publication number: RU2464467C1
Application number: RU2011105635/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь ГЕТМАН (DE); Игорь ГЕТМАН; Дитер ФУНКЕН (DE); Дитер ФУНКЕН
Original assignee: Эндресс + Хаузер Гмбх + Ко.Кг
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2012-10-20
Also published as: CN102099604A; EP2300739B1; EP2300739A1; US8210048B2; US20110113889A1; RU2011105635A; ATE542074T1; WO2010006898A1; CN102099604B; DE102008033337A1

Abstract

Изобретение относится к области передатчиков давления и манометров для передачи давления измеряемой среды на датчик давления по гидравлическому тракту. Заявленная группа изобретений содержит передатчик давления и манометр. Передатчик давления содержит корпус (20) и разделительную мембрану (10), при этом между корпусом (20) передатчика давления и разделительной мембраной (10) образована напорная камера, объем V которой зависит от положения разделительной мембраны, причем разделительная мембрана (10) состоит из материала толщиной h и содержит рабочий участок с поверхностью А, при этом разделительная мембрана (10) имеет эталонное положение, в котором напорная камера имеет эталонный объем Vref, и она может прогибаться настолько, что объем напорной камеры изменяется в диапазоне от Vref до Δsoll, при этом изменению объема ΔV соответствует безразмерная величина w(ΔV) при w(ΔV)=(3·ΔV)/(A·h), причем величина ΔVsoll выбирается такой, что справедливо: w(ΔVsoll)≥2,5, причем разделительная мембрана при любом значении w(ΔV), для которого справедливо: |w(ΔV)≤w'(ΔV)|, при этом |w'(ΔV)≥0,5*|w(ΔVsoll)| имеет дополнительную, не осесимметричную моду прогиба, накладывающуюся на осесимметричный прогиб на величину w(ΔV), при этом прогиб при не осесимметричной моде составляет при |w(ΔV)|=0,4*[w(ΔVsoll), по меньшей мере, 0,3-кратную величину от максимального прогиба при не осесимметричной моде. Манометр, содержащий гидравлический измерительный механизм с ячейкой для измерения давления с преобразователем давления для выдачи зависящего от давления электрического или оптического сигнала, при этом измерительный механизм содержит, по меньшей мере, один гидравлический тракт и, по меньше�

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к передатчику давления и манометру с таким передатчиком давления.

Уровень техники

Передатчики давления используются для передачи давления измеряемой среды на датчик давления по гидравлическому тракту. Для этого обычно передатчик давления содержит корпус, на котором герметично закреплена разделительная мембрана с образованием камеры передатчика давления между разделительной мембраной и корпусом передатчика давления с помощью кругового стыка. От камеры передатчика давления отходит гидравлический тракт, выполненный через корпус передатчика давления до датчика давления для его нагрузки от давления среды, воздействующей на разделительную мембрану с ее наружной, обращенной от передатчика давления стороны.

Рабочая жидкость, содержащаяся в гидравлическом тракте и в камере передатчика давления, которой в большинстве случаев служит масло, в результате зависящего от температуры объемного расширения изменяет положение разделительной мембраны. При этом следует иметь в виду, что общеупотребительные датчики давления, например полупроводниковые или емкостные датчики, характеризуются крайне малым, вызванным давлением прогибом своего чувствительного элемента, вследствие чего в измерительном диапазоне манометров происходят пренебрежимо малые, определяемые давлением объемные изменения рабочей среды и определяемое на основе температуры положение разделительной мембраны хорошо описывает в первом приближении ее фактическое положение в режиме измерения.

В том случае, когда разделительная мембрана представляет собой упругий конструктивный элемент, то прогиб этой мембраны при смещении ее положения создает дополнительное давление dp между давлением px измерения на внешней стороне разделительной мембраны и давлением рк в камере передатчика давления. Это давление: dp=px-pк способно существенно превысить, в частности, при небольших диапазонах измерения погрешность измерения собственно датчика давления.

Собственно говоря, абсолютное значение dp=рх-pk не имеет столь большого значения, так как, если бы эта величина оставалась постоянной, то ее можно было бы полностью компенсировать при измерениях. Однако проблема состоит в том, что при прогибе разделительной мембраны изменяется значение dp и что величина изменений возрастает с увеличением абсолютной величины dp.

Поэтому имеются многочисленные подходы к сведению давления dp к минимуму.

В промышленной технике измерения процессов распространение получили, в частности, разделительные мембраны с чеканным гофрированным узором. Такие мембраны являются, правда, более жесткими при малых прогибах по сравнению с ровными мембранами, зато они в целом обеспечивают более значительные прогибы.

В патенте Германии 19946234 C1 раскрыта мембрана для передатчика давления, содержащая кольцевую центральную поверхность и по краю поверхность для зажатия, при этом обе эти поверхности соединены между собой посредством концентрически расположенных относительно друг друга и смещенных в осевом направлении кольцевых поверхностей в виде ступеней. При этом отдельные кольцевые поверхности выполнены относительно плоскости, параллельной плоскости мембраны, наклонными попеременно радиально наружу и радиально внутрь, причем каждая кольцевая поверхность при радиусе закругления переходит посредством ступени в следующую кольцевую поверхность.

Такое выполнение разделительной мембраны предназначено для того, чтобы вызванные тепловым расширением движения разделительной мембраны, т.е. изменения ее равновесного положения, соответствовали смещению рабочей точки разделительной мембраны, вызванному объемным расширением рабочей жидкости.

Подобный подход раскрыт и в выкладном описании DE 10031120 A1, в котором коэффициенты теплового расширения разделительной мембраны и основной части, на которой закреплена разделительная мембрана, а также коэффициент теплового расширения передающей давление среды согласованы между собой таким образом, что может фиксироваться тепловое изменение объема рабочей жидкости вследствие смещения положения покоя разделительной мембраны в камере передатчика давления между разделительной мембраной и рабочим телом.

Оба описанных подхода являются теоретически очень интересными, однако на практике имеют очень ограниченное применение, так как предполагают наличие температурного равновесия между рабочей жидкостью, разделительной мембраной и корпусом передатчика давления. Это допущение не выполняется в большей части случаев применения в технике измерения процессов, вследствие чего описанные устройства могут вызывать при температурных скачках даже более значительные погрешности измерений, чем устройства для измерения давления с традиционными разделительными мембранами без зависящей от температуры управляющей функции.

В описании изобретения к европейскому патенту №1114987 B1 во внимание принята иная точка зрения относительно давления вследствие прогиба разделительной мембраны. В этом документе речь не идет об исключении воздействия разделительной мембраны на давление, а вместо этого о его линеаризации. Для этого предложена мембрана с кольцевыми трапециевидными поверхностями, которые соединены между собой фасками, расположенными под углом 45°.

В основу линеаризации давления p(Т) положена идея о том, что при знании температуры должна достигаться простая компенсация давления p(Т). Определение эффективной температуры, определяющей фактический объем рабочей жидкости, является однако чрезвычайно трудоемким в подавляющем большинстве случаев, при которых отсутствует температурное равновесие.

Совершенно иной подход описан в DE 102005023021 A1, в которой передатчик давления имеет разделительную мембрану, по меньшей мере, с двумя равновесными положениями, при этом рабочая точка передатчика давления при используемом температурном диапазоне должна всегда находиться между указанными обоими равновесными положениями. Однако это означает, что разделительная мембрана является бистабильной и может обладать свойствами стопорного диска, как это, например, описано в DE 10152681 A1.

В DE 102005023021 A1 указано, что мембрану сначала чеканят с приданием ей гофрированного узора, при этом кольцевые гофры выполнены с чередующейся высотой H1 и H2, а мембрану затем высаживают по оси с помощью пуансона, причем в результате высаживания материал смещается от цугов гофров с большей высотой H1 радиально к цугам гофров с меньшей высотой H2. Этим должно быть обеспечено положение, при котором внутренний участок разделительной мембраны может занимать, по меньшей мере, два разных положения покоя. Тогда в идеальном случае должна точно применяться такая величина давления жидкости, при которой по существу отсутствует противодействующая сила в направлении одного из обоих положений покоя, так как мембрана ведет себя при такой рабочей точке, как мембрана без направляющей силы.

На первый взгляд эта идея представляется привлекательной, однако в ней не принят во внимание тот факт, что упомянутое условие отсутствия направляющей силы как раз точно соблюдается в равновесных положениях и что мембрана в положении между равновесными положениями всегда будет стремиться занять энергетически наиболее оптимальное, ближайшее равновесное положение, что в отношении давления p это будет означать гистерезис или свойства стопорного диска.

Учитывая существующее множество диаметров и толщин материала для разделительных мембран, имеющих самые разны размеры и чеканные узоры, принято применять при сравнении функциональной способности следующее безразмерное давление p:

где q - обозначенное ранее через dp давление при прогибе разделительной мембраны, h - толщина ее материала, а - ее радиус и Е - модуль упругости материала разделительной мембраны.

В частности, безразмерное давление p может быть представлено в виде функции безразмерного прогиба w, при этом значение w определяется, как w=y/h, где y - длина, зависящая от объемного изменения V рабочей жидкости, вызывающей прогиб разделительной мембраны.

В данном случае целесообразно представить «y» как высоту конуса, основание которого равно подвижной поверхности разделительной мембраны, а объем которого равен изменению объема V, т.е.

Дополнительно необходимо особо подчеркнуть, что с прогибом «y» и выводимой отсюда величиной w не должна соотноситься непосредственно замеряемая длина на разделительной мембране. Необходимо только создать простую, пропорциональную объему меру длины вокруг основания для сопоставимости разделительных мембран.

Широкий обзор конструкций разделительных мембран приводится в формальном описании разделительных мембран с чеканным синусоидальным гофрированным узором, см. "Flat and corrugated diaphragm design handbook", автор Mario Di Giovanni, который служит дополнением к работам россиян Феодосьева и Андреевой. В соответствии с этим справедливо

при этом коэффициенты жесткости A и B представляют собой функции переменной величины q, которая в свою очередь является функцией высоты чеканного гофрированного узора, при этом

q²=1,5*(H/h)²+1

причем указана высота чеканного узора. В отношении подробностей, касающихся функций A(q) и B(q), рекомендуется обратиться к работе Di Giovanni. С увеличением высоты чеканного узора в любом случае возрастает A и уменьшается B. Следовательно, при конструировании мембран необходимо учитывать максимальный прогиб w_max для поддержания величины p(w_max) по возможности на низком уровне.

Если требуется сконструировать, например, разделительную мембрану с гофрированным узором для прогиба величиной до w_max=5, то это составит величину р ок.140. Для мембраны с радиусом а=29 мм при толщине материала h=100 мкм и модуле упругости 200 ГПа погрешность этой мембраны составит ок. 40 мбар, причем величина w будет соответствовать, при допущении указанного выше приближения к объему конуса, приблизительно отклонению по объему на ок. 430 мкл. Такие отклонения по объему вполне возможны при наличии капиллярных передатчиков давления, и погрешность измерения в 40 мбар не допустима, в частности, при малых диапазонах измерения, например 100 мбар. Следовательно, принципиальные пределы гофрированных мембран четко обозначены.

Мембраны с трапециевидным или синусоидальным контуром позволяют создавать мембраны, в которых величина p(w) приблизительно на половину меньше по сравнению с гофрированными мембранами. Однако во многих случаях применения и этого не оказывается достаточным.

Раскрытие изобретения

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание передатчиков давления и чувствительных элементов манометров с такими передатчиками давления, в которых отсутствуют указанные, присущие уровню техники недостатки.

Указанная задача решается согласно изобретению посредством передатчика давления по независимому пункту 1 и датчика давления по независимому пункту 14 формулы изобретения.

Передатчик давления согласно изобретению содержит:

- корпус с поверхностью; и

- разделительную мембрану, герметично соединенную с корпусом передатчика давления по круговой уплотняющей поверхности, при этом:

между поверхностью корпуса передатчика давления и разделительной мембраной образована напорная камера, объем V которой зависит от положения разделительной мембраны,

разделительная мембрана выполнена из материала толщиной h,

разделительная мембрана имеет прогибающийся рабочий участок с поверхностью A, ограниченный уплотнительной поверхностью,

разделительная мембрана имеет чеканный контур,

разделительная мембрана имеет эталонное положение, в котором напорная камера имеет эталонный объем V_ref.,

разделительная мембрана может прогибаться по существу осесимметрично из эталонного положения в обоих направлениях настолько, что объем напорной камеры может изменяться до величины V_ref.±ΔV_soll,

к изменению объема ΔV привязана безразмерная величина прогиба w, которая определяется, как w(ΔV)=(3*ΔV)/(A*h),

величина ΔV_soll выбрана такой, что справедливо: |w(ΔV_soll)|≥2,5, отличающийся тем, что при любых значениях w(ΔV), для которых справедливо |w(ΔV)|≤|w'(ΔV)|, причем |w'(ΔV)|≥0,5*|w(ΔV_soll)|, разделительная мембрана имеет дополнительную, в первом приближении не осесимметричную моду прогиба, накладывающуюся на осесимметричный прогиб на величину w(ΔV).

Согласно варианту развития изобретения прогиб при антисимметричной моде при |w(ΔV)|=0,4*|w(ΔV_soll)| составляет, по меньшей мере, 0,3-кратную величину, предпочтительно, по меньшей мере, 0,4-кратную величину, особо предпочтительно, по меньшей мере, 0,5-кратную величину от максимального прогиба при не осесимметричной моде прогиба.

Осесимметричный прогиб zs(r, φ, ΔV) является зависимым от объема прогибом при координате z отдельных точек (z, r, φ) на разделительной мембране

zs(r, φ, ΔV)=z(r, φ, ΔV)-z(r, φ, 0), при этом справедливо:

zs(r, φ, ΔV)≅z(r, φ+180°, ΔV).

В частности, справедливо

z(r, φ, 0)≅z(r, φ+180°, 0).

He осесимметричная мода прогиба может быть, например, антисимметричной модой прогиба, которая определяется, например, посредством функции zas(r, φ, ΔV), для которой справедливо

zas(r, φб ΔV)≅zas(r, φ+180°, ΔV),

при этом величина zas(r, φ, ΔV) представлена, как разность между фактической координатой z точки на поверхности разделительной мембраны и координатой z точки при симметричном прогибе разделительной мембраны

zas(r, φ, ΔV)≅z(r, φ, ΔV)-zs(r, φ, ΔV),

при этом функция zs(r, φ, ΔV) должна выбираться так, чтобы интеграл квадрата zas(r, φ, ΔV) поверхности рабочего участка был минимальным и, в частности, принял нулевое значение.

Согласно варианту развития изобретения критерий означает, что прогиб при не осесимметричной моде |w(ΔV)|=0,4*|w(ΔV_soll)| составляет, по меньшей мере, 0,3-кратную величину, предпочтительно, по меньшей мере, 0,4-кратную величину, особо предпочтительно, по меньшей мере, 0,5-кратную величину от максимального прогиба при не осесимметричной моде в том случае, когда не осесимметричная мода прогиба является антисимметричной модой прогиба, что интегралы от |zas(r, φ, 0,4*ΔV)| и |zas(r, φ, -0,4* ΔV)| составляют соответственно, по меньшей мере, 0,3-кратную, предпочтительно, по меньшей мере, 0,4-кратную, особо предпочтительно 0,5-кратную величину от максимального прогиба при антисимметричной моде прогиба, в частности, прогиба антисимметричной моды в эталонном положении |zas(r, φ, 0)|.

Согласно варианту развития изобретения функция zas(r, φ, ΔV) может быть сепарабельной

zas(r, φ, ΔV)=zas(r, ΔV)*zasphi(φ),

при этом zasphi(φ) может служить, например, cos(phi).

Согласно варианту развития изобретения мода прогиба является антисимметричной в смысле изобретения в том случае, когда при данном значении ΔV максимальной величины |zas(r, φ, ΔV)| соблюдается следующий критерий отклонения от строгой антисимметрии:

[|zas(r, φ, ΔV)+zas(r, φ+180°, ΔV)|]/[|zas(r, φ, ΔV)-zas(r, φ+180°, ΔV)|]≤0,2,

в частности, ≤0,1, предпочтительно ≤0,05, особо предпочтительно ≤0,025.

Антисимметричная мода характеризуется согласно другому варианту развития изобретения безразмерным максимальным прогибом «к», который определяется следующим образом:

к = максимальное значение (|zas(r, φ, ΔV)-zas(r, φ+180°, ΔV)|]|/h),

для которой справедливо: |k|≥2, предпочтительно |k|≥3, при этом максимальный прогиб согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения происходит вблизи эталонного положения, т.е. тогда, когда прогиб w разделительной мембраны составляет менее ±0,2 w_soll, в частности менее 0,1 w_soll,предпочтительно менее 0,05 w_soll, при этом w_soll=w(ΔV_soll).

Согласно еще одному варианту развития изобретения |k| составляет ≤6, предпочтительно |k|≤5, особо предпочтительно |k|≤4.

Согласно другому варианту развития изобретения прогиб «к» при антисимметричной моде составляет при |w(ΔV)|=0,5*|w(ΔV_soll)|, по меньшей мере, 0,4-кратную величину, предпочтительно, по меньшей мере, 0,5-кратную величину от максимального прогиба при антисимметричной моде.

Прогиб w(r, φ) при антисимметричной моде определяется, как отклонение от вращательно-симметричного прогиба y(r), соотнесенного с эталонным положением разделительной мембраны.

Согласно варианту развития изобретения разделительная мембрана может прогибаться из эталонного положения до величины |w(V_soll)|≥3, предпочтительно ≥4, более предпочтительно ≥5, особо предпочтительно ≥6.

Согласно другому варианту развития изобретения для безразмерного давления справедливо, например:

|p(w(V_soll))-p(w(-ΔV_soll))|/|w(ΔV_soll)-w(-ΔV_soll)|≤(|w(ΔV_soll)|+2)*2,

предпочтительно ≤(|w(ΔV_soll)|+2), особо предпочтительно ≤(|w(ΔV_soll)|+2)/2.

Согласно варианту развития изобретения для безразмерного давления справедливо, например, для любого значения w при |w|≤(|w(ΔV_soll)-0,2:

|p(w+0,2)-p(w-0,2))|/0,4≤(|w|+2)*2, предпочтительно ≤(|w|+2), особо предпочтительно ≤(|w|+2)/2.

Согласно следующему варианту развития изобретения для безразмерного давления на разделительную мембрану действителен диапазон прогиба, определяемый через |w|≤4: |p(w+0,2)-p(w-0,2))|/0,4≤4, предпочтительно ≤3.

Согласно другому варианту развития изобретения контур разделительной мембраны содержит центральный, ровный участок, вокруг которого расположен гофрированный участок предпочтительно с концентрическими цугами гофров.

Согласно варианту развития изобретения диаметр центрального участка составляет предпочтительно не более 2*а/3, особо предпочтительно не более а/2, при этом «а» означает радиус рабочего участка разделительной мембраны.

Амплитуда цугов гофров на гофрированном участке не должна быть постоянной величиной. Согласно предпочтительному варианту выполнения амплитуда цугов гофров уменьшается изнутри наружу до примыкания к самому внешнему цугу гофров, амплитуда которого может снова возрастать.

Амплитуда цуга гофров, примыкающего к самому внешнему цугу гофров, может составлять, например, от ок. 1/3 до 2/3 амплитуды цуга гофров, примыкающего к центральному участку.

Согласно варианту развития изобретения цуги гофров, за исключением самого наружного цуга гофров, имеют, например, максимальную амплитуду не более 4h, предпочтительно не более 3h, особо предпочтительно не более 2h.

Согласно другому варианту развития изобретения цуги гофров, за исключением самого наружного цуга гофров, имеют длину гофра, которая изменяется от одного цуга гофров до следующей цуга гофров не более чем на 20%, предпочтительно не более чем на 10%.

Согласно варианту выполнения изобретения антисимметричная мода прогиба может быть получена после чеканки по контуру посредством широкого, при необходимости, двухстороннего симметричного прогиба разделительной мембраны, величина которого составляет, например, |w|>5. После этого разделительная мембрана с соответственно заданным контуром может иметь в эталонном положении при необходимости антисимметричную моду прогиба в необходимом объеме.

Согласно другому варианту выполнения изобретения антисимметричная мода прогиба может задаваться чеканкой мембраны на ее основании, ось которой слегка наклонена по отношению к оси уплотнительной поверхности, например, на величину не менее ок. 1°, предпочтительно не менее 2°. Согласно данному варианту выполнения угол такого наклона более 4° не требуется.

Согласно другому варианту выполнения изобретения антисимметричная мода прогиба может задаваться антисимметричной температурной нагрузкой на зоны мембраны или не симметричным воздействием других возмущающих факторов, таких как магнитные поля.

Согласно еще одному варианту выполнения изобретения разделительная мембрана заполненного рабочей жидкостью передатчика давления с рабочей точкой в эталонном положении может деформироваться или вдавливаться при обеспечении контроля, например, в зоне, расположенной вокруг точки (r, φ), посредством соответствующего тела, в результате чего происходит соответствующая противоположная деформация в зоне, расположенной вокруг точки (r, -φ).

Само собой разумеется, что приведенные подходы по созданию антисимметричной моды прогиба могут произвольно сочетаться между собой.

Датчик давления согласно изобретению содержит гидравлический измерительный механизм, включающий в себя ячейку для измерения давления с преобразователем давления для выдачи зависящего от давления электрического или оптического сигнала, при этом измерительный механизм содержит, по меньшей мере, один гидравлический тракт и, по меньшей мере, один передатчик давления по любому из предыдущих пунктов формулы изобретения, причем ячейка для измерения давления нагружается, по меньшей мере, одним давлением, по меньшей мере, по одному гидравлическому тракту, проходящему от напорной камеры передатчика давления до ячейки для измерения давления.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение поясняется с помощью примеров выполнения, представленных на чертежах. При этом изображено:

фиг.1a - передатчик давления согласно изобретению в продольном разрезе;

фиг.1b - моделирование радиальных напряжений в разделительной мембране передатчика давления согласно изобретению;

фиг.1c - моделирование касательных напряжений в разделительной мембране передатчика давления согласно изобретению;

фиг.2 - нагрузочная характеристика dp(V) передатчика давления согласно изобретению (заполненные треугольники) в сравнении с загрузочной характеристикой передатчика давления согласно уровню техники (не заполненные квадраты);

фиг.3a - безразмерное давление p в качестве функции безразмерного прогиба w у передатчика давления согласно изобретению (заполненные треугольники) в сравнении с соответствующими данными передатчика давления из уровня техники (не заполненные квадраты), которые соответственно следуют из нагрузочных характеристик на фиг.2;

фиг.3b - производные ∂p/∂w от данных p(w) на фиг.3a;

фиг.3c - пример выбора рабочей точки или эталонного положения для передатчиков давления на фиг.2.

Осуществление изобретения

Показанный на фиг.1а в поперечном разрезе передатчик давления согласно изобретению содержит разделительную мембрану 10 с краевым участком 1, расположенным вокруг прогибающегося рабочего участка. Рабочий участок состоит из ровного центрального участка 12, окруженного участком с цугами 13 гофров, амплитуда которых уменьшается изнутри наружу до расположения самого наружного цуга 14 гофров, который имеет уже возросшую амплитуду и служит в числе прочего для исключения воздействия прогибов рабочего участка на сварной шов 21, которым разделительная мембрана 10 закреплена на корпусе 20 передатчика давления. Корпус 20 передатчика давления содержит основание 22 мембраны, которое имеет по существу контур разделительной мембраны 10, при этом контур разделительной мембраны может быть сформирован, например, чеканкой предварительно приваренной ровной круглой заготовки под мембрану на основании этой мембраны. Между разделительной мембраной 10 и ее основанием 22 образована напорная камера, которая сообщена через отверстие 23, проходящее от основания мембраны через корпус передатчика давления, с гидравлическим трактом для нагрузки ячейки для измерения давления от давления.

Разделительная мембрана выполнена, например, из качественной стали с модулем упругости ок. 210 ГПа. Толщина материала составляет в данном примере выполнения ок. h=100 мкм. Диаметр d (= 2a) рабочего участка, ограниченного сварным швом 21, составляет ок. 58 мм.

Разделительная мембрана может прогибаться относительно эталонного положения, которое определяется, например, плоскостью сварного шва 21, приблизительно на величину ΔV=±600 мкл.

Такому изменению объема ΔV соответствует безразмерный прогиб w=±6,8 или ход H, равный ок. 2·w·h=1,36 мм.

Зависимость между H и w является, разумеется, оценочной, и служит для показа порядка величин, так как показатель w определяется на основании ΔV при допущении конусности объемного хода, который при наличии изображенной формы мембраны очевидно не может быть точно определен.

Ровный центральный участок 12 измерительной мембраны 10 имеет диаметр, равный приблизительно половине радиуса. К центральному участку примыкают три цуга гофров приблизительно одинаковой длины, огибающая которых в месте примыкания к центральному участку имеет расстояние m, равное ок. 4h, причем это расстояние уменьшается до 2h на цуге гофров, граничащим с самым наружным цугом гофров в направлении от центрального участка наружу.

Прогиб разделительной мембраны для обеспечения объемного хода ΔV представляет собой по существу осесимметричный прогиб, на который правда накладывается на разделительной мембране согласно изобретению не осесимметричный, в частности антисимметричный прогиб, при этом не осесимметричный прогиб достигает своего максимума, например, в том случае, когда разделительная мембрана занимает эталонное положение. Максимальный прогиб при не осесимметричной моде может достигать, например, величины к=ок.2h-5h.

При прогибе разделительной мембраны из эталонного положения прогиб при не осесимметричной моде уменьшается, при этом прогиб при не осесимметричной моде при прогибе разделительной мембраны на величину w(ΔV_soll) может полностью отсутствовать.

На фиг. 1b, 1c приведены результаты моделирования по методу конечных элементов (FEM), полученных для разделительной мембраны передатчика давления согласно изобретению в эталонном положении или вблизи от него, причем интервалы серого цвета означают на фиг.1b радиальные напряжения, а на фиг.1c - касательные напряжения. На этих изображениях хорошо видно, что максимальные значения напряжений появляются вблизи экстремальных значений не осесимметричной моды, в то время как в разделительной мембране в перпендикулярном ей направлении, в котором осесимметричный прогиб имеет по существу нулевое значение, отмечается относительно мало напряжений или они вообще отсутствуют.

На фиг.2 показана так называемая нагрузочная характеристика p(V) передатчика давления согласно изобретению (заполненные треугольники) для сравнения с нагрузочной характеристикой передатчика давления, известного из уровня техники. Нагрузочная характеристика отображает давление в напорной камере в качестве функции объема находящегося в напорной камере масла. Абсолютное положение показателей давления обеих характеристик имеет меньшее значение. Существенное же значение имеет вопрос, каким образом изменяется давление, как функция объема.

Резкое снижение объема до нуля объясняется тем, что разделительная мембрана при данном показателе полностью прилегает к своему основанию и, следовательно, механические свойства с увеличением поверхности прилегания не могут уже определяться одной только разделительной мембраной.

Безразмерные кривые на фиг.3a построены на основе данных фиг.2 с помощью уравнений (1) и (2), при этом смещение координат произошло при

w=w(V-V_ref) и

p=p(dp(V)-dp(V_ref))

При этом модуль упругости материала мембраны составлял 210 ГПа, толщина мембраны составляла 100 мкм, диаметр рабочего участка известной из уровня техники мембраны составил 59 мм, а диаметр рабочего участка мембраны передатчика давления согласно изобретению - 58 мм.

На основании данных измерения и применения полинома третьего порядка и представленных на фиг.3a показателей была определена работоспособность. На фиг.3b показаны производные ∂з/∂w адаптированных функций на фиг.3a.

На фиг. 3a и 3b показано, какое усовершенствование может быть достигнуто с помощью мембраны согласно изобретению по сравнению с мембраной, известной из уровня техники.

Если в передатчике давления посредством выбора количества рабочей жидкости в напорной камере могут смещаться в определенных границах рабочая точка и эталонное положение, то передатчик давления может дополнительно оптимизироваться. Для этого на фиг.3 приведен пример, в котором показатель p(w) приведен в диапазоне -5<w<4 для сравнения с соответствующими данными передатчика давления согласно уровню техники. Для выбранного диапазона было дополнительно выполнено линейное согласование.

После адаптации по всему диапазону передатчик давления согласно изобретению показал увеличение показателя ∂з/∂w до 0,24 против ∂з/∂w=17 согласно уровню техники. Очевидно, что линейное согласование для компенсации погрешности на практике не будет достаточным, однако при таком способе может хорошо оцениваться общая величина компенсируемой погрешности и сравниваться с соответствующей величиной передатчика давления, известного из уровня техники.

При наличии мембраны с радиусом рабочего участка 28 мм и толщиной материала 100 мкм диапазон показателей w(ΔV_soll)-w(-ΔV_soll)=4-(-5)=9 соответствует рабочему объему 2 ΔV_soll=702 мкл. Если исходить из полученного повышения ∂з/∂w=0,24, то изменение зависимого от объема давления в описанном диапазоне составит менее 1 мбар. Это существенный успех по сравнению с уровнем техники.

Claims

1. Передатчик давления, содержащий:
корпус (20) с поверхностью и
разделительную мембрану (10), соединенную герметично с корпусом (20) передатчика давления по круговой уплотнительной поверхности (21), при этом:
между поверхностью корпуса (20) передатчика давления и разделительной мембраной (10) образована напорная камера, объем V которой зависит от положения разделительной мембраны, выполненной из материала толщиной h и содержащей прогибаемый рабочий участок с поверхностью А, ограниченный уплотнительной поверхностью, причем
разделительная мембрана (10) содержит чеканный контур (13) и имеет эталонное положение, в котором напорная камера содержит контрольный объем V_ref, при этом
разделительная мембрана может прогибаться из эталонного положения в обоих направлениях, по меньшей мере, настолько, что объем напорной камеры может изменяться до величины V_ref±ΔV_soll, причем
изменению объема ΔV соответствует безразмерная величина w прогиба, выводимая как:
w(ΔV)=(3·ΔV)/(A·h),
при этом величина ΔV_soll выбирается такой, что справедливо: |w(ΔV_soll)|≥2,5,
отличающийся тем, что разделительная мембрана при любом значении w(ΔV), для которого справедливо |w(ΔV)|≤|w'(ΔV)|, причем |w'(ΔV)|≥0,5·|w(ΔV_soll)|, содержит дополнительную не осесимметричную моду прогиба, наложенную на осесимметричный прогиб на величину w(ΔV), при этом, в частности, прогиб при не осесимметричной моде составляет при |w(ΔV)|=0,4·|w(ΔV_soll)|, по меньшей мере, 0,4-кратную величину, предпочтительно, по меньшей мере, 0,5-кратную величину от максимального прогиба при не осесимметричной моде.

2. Передатчик давления по п.1, отличающийся тем, что не осесимметричная мода прогиба содержит в первом приближении не антисимметричную моду прогиба, которая определяется функцией: zas(r, φ, ΔV), для которой справедливо:
zas(r, φ, ΔV)≅-zas(r, φ+180°, ΔV),
при этом величина zas(r, φ, ΔV) представлена в виде разности между фактической координатой «k» точки на поверхности разделительной мембраны и координатой «k» точки при симметричном прогибе разделительной мембраны:
zas(r, φ, ΔV):=z(r, φ, ΔV)-zs(r, φ, ΔV),
при этом функцию zs(r, φ, ΔV) необходимо выбирать так, чтобы интеграл квадрата zas(r, φ, ΔV) для поверхности рабочего участка был минимальным.

3. Передатчик давления по п.2, отличающийся тем, что мода прогиба является антисимметричной в том случае, когда при заданном значении ΔV максимальной величины |zas(r, φ, ΔV)| соблюдается следующий критерий отклонения от строгой антисимметрии:
[|zas(r, φ, ΔV)+zas(r, φ+180°, ΔV)|]/[|zas(r, φ, ΔV)-zas(r, φ+180°, ΔV)|]≤0,2, в частности ≤0,1, предпочтительно ≤0,05.

4. Передатчик давления по п.2, отличающийся тем, что антисимметричная мода прогиба характеризуется безразмерным максимальным значением «k» прогиба, определяемого как:
k: = максимальное значение ([(|zas(r, φ, ΔV)-zas(r, φ+180°, w)|]|/h),
для которого справедливо: |k|≥2, предпочтительно |k|≥3.

5. Передатчик давления по п.3, отличающийся тем, что антисимметричная мода прогиба характеризуется безразмерным максимальным значением «k» прогиба, определяемого как:
k: = максимальное значение ([(|zas(r, φ, ΔV)-zas(r, φ+180°, ΔV)|]|/h), для которого справедливо: |k|≥2, предпочтительно |k|≥3.

6. Передатчик давления по п.4, отличающийся тем, что максимальный прогиб при антисимметричной моде происходит вблизи эталонного положения разделительной мембраны в том случае, когда прогиб w разделительной мембраны составляет менее ±0,2 w_soll, в частности менее 0,1 w_soll, предпочтительно менее 0,05 w_soll, причем w_soll=w(ΔV_soll).

7. Передатчик давления по п.5, отличающийся тем, что максимальный прогиб при антисимметричной моде происходит вблизи эталонного положения разделительной мембраны в том случае, когда прогиб w разделительной мембраны составляет менее ±0,2 w_soll, в частности менее 0,1 w_soll, предпочтительно менее 0,05 w_soll, причем w_soll=w(ΔV_soll).

8. Передатчик давления по п.4, отличающийся тем, что для максимального прогиба «k» при антисимметричной моде также справедливо: |k|≤6, предпочтительно |k|≤5, особо предпочтительно |k|≤4.

9. Передатчик давления по п.5, отличающийся тем, что для максимального прогиба «k» при антисимметричной моде также справедливо: |k|≤6, предпочтительно |k|≤5, особо предпочтительно |k|≤4.

10. Передатчик давления по п.6, отличающийся тем, что для максимального прогиба «k» при антисимметричной моде также справедливо: |k|≤6, предпочтительно |k|≤5, особо предпочтительно |k|≤4.

11. Передатчик давления по п.7, отличающийся тем, что для максимального прогиба «k» при антисимметричной моде также справедливо: |k|≤6, предпочтительно |k|≤5, особо предпочтительно |k|≤4.

15. Передатчик давления по п.1, отличающийся тем, что для безразмерного давления p при любом значении w при |w|≤(|w(ΔV_soll)-0,2|) справедливо: |(p(w+0,2)-p(w-0,20))|/0,4≤(|w|+2)·2, предпочтительно ≤(|w|+2), особо предпочтительно ≤(|w|+2)/2.

16. Передатчик давления по п.6, отличающийся тем, что для безразмерного давления p при любом значении w при |w|≤(|w(ΔV_soll)-0,2|) справедливо: |(p(w+0,2)-p(w-0,20))|/0,4≤(|w|+2)·2, предпочтительно ≤(|w|+2), особо предпочтительно ≤(|w|+2)/2.

17. Передатчик давления по п.11, отличающийся тем, что для безразмерного давления p при любом значении w при |w|≤(|w(ΔV_soll)-0,2|) справедливо: |(p(w+0,2)-p(w-0,20))|/0,4≤(|w|+2)·2, предпочтительно ≤(|w|+2), особо предпочтительно ≤(|w|+2)/2.

18. Передатчик давления по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что контур разделительной мембраны содержит центральный ровный участок, вокруг которого расположен гофрированный участок предпочтительно с концентричными цугами гофров.

19. Передатчик давления по п.18, отличающийся тем, что амплитуда цугов гофров сначала уменьшается изнутри наружу, причем потом примыкает до самого наружного цуга гофров, амплитуда которого снова возрастает.

20. Передатчик давления по п.19, отличающийся тем, что амплитуда цуга гофров, граничащая с самым наружным цугом гофров, составляет около 1/3-2/3 от амплитуды цуга гофров, примыкающего к центральному участку.

21. Передатчик давления по п.20, отличающийся тем, что цуги гофров, кроме самого наружного цуга гофров, имеют максимальную амплитуду не более 4 h, предпочтительно не более 3 h, особо предпочтительно не более 2 h.

22. Передатчик давления по п.19, отличающийся тем, что пути гофров, за исключением самого наружного цуга гофров, имеют длину гофра, которая изменяется от одного цуга гофров до следующего цуга гофров не более чем на 20%, предпочтительно не более чем на 10%.

23. Передатчик давления по п.20, отличающийся тем, что цуги гофров, за исключением самого наружного цуга гофров, имеют длину гофра, которая изменяется от одного цуга гофров до следующего цуга гофров не более чем на 20%, предпочтительно не более чем на 10%.

24. Передатчик давления по п.21, отличающийся тем, что цуги гофров, за исключением самого наружного цуга гофров, имеют длину гофра, которая изменяется от одного цуга гофров до следующего цуга гофров не более чем на 20%, предпочтительно не более чем на 10%.

25. Манометр, содержащий гидравлический измерительный механизм с ячейкой для измерения давления с преобразователем давления для выдачи зависящего от давления электрического или оптического сигнала, при этом измерительный механизм содержит, по меньшей мере, один гидравлический тракт и, по меньшей мере, один передатчик давления по любому из пп.1-24, причем ячейка для измерения давления нагружается, по меньшей мере, одним давлением, по меньшей мере, через один гидравлический тракт, проходящий от напорной камеры передатчика давления до ячейки для измерения давления.