Датчик давления с разделительной диафрагмой с функцией метрологического самоконтроля

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к датчикам давления с разделительной диафрагмой, и может быть использовано в приборостроении при разработке, изготовлении и диагностике интеллектуальных датчиков давления. Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, заключается в повышении достоверности метрологического контроля датчика давления с разделительной диафрагмой в ходе технологического процесса путем упрощения конструкции системы контроля, устранения механического контакта диафрагмы с элементами устройства контроля и установления прямой связи между измеряемым и контролируемым параметром. Датчик давления содержит корпус 1, разделительную 4 и измерительную диафрагму 5, соединенные полостью 2, заполненной малосжимаемой жидкостью. В корпусе 1 напротив разделительной диафрагмы 4 в кольцевой паз 6 помещено пьезокерамическое кольцо 3. Кольцевой паз 6 является частью полости 2. Пьезокерамическое кольцо 3 выполнено с металлизированными верхними и нижними поверхностями, играющими роль электродов, при этом нижний электрод 7 соединен с корпусом датчика 1. На верхний электрод 8 подается напряжение по проводнику 9, размещенному в отверстии 10 корпуса 1, которое заполненное герметизирующим компаундом. 1 н.п., 2 илл.

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к датчикам давления с разделительной диафрагмой, и может быть использовано в приборостроении при разработке, изготовлении и диагностике интеллектуальных датчиков давления.

В настоящее время, в связи с повышением требований к надежности и эффективности систем управления различного вида повышаются требования к их метрологическому обеспечению, т.е. к обеспечению необходимой достоверности измерительной информации. Основные проблемы обеспечения достоверности измерительной информации связаны с датчиками: их компоненты стареют, параметры со временем изменяются. Возникают и внезапные дефекты. Все это может приводить к ошибкам в управлении [R. Taymanov, K. Sapozhnikova, Metrological Self-Check and Evolution of Metrology, Measurement, 43, 2010, pp. 869-877]. Основными путями решения проблемы обеспечения достоверности информации являются уменьшение межкалибровочного (межповерочного) интервала и различные способы резервирования и комплексирования датчиков. Ни один из этих методов нельзя признать оптимальным. Первый метод резко повышает затраты на эксплуатацию системы и он может быть просто не применим в силу особенностей ее эксплуатации. Кроме того, метод не дает гарантии сохранения параметров системы во время межповерочного интервала. Использование второго метода может быть ограничено конструктивными особенностями системы, ее тактико-техническими характеристиками и требованием независимости воздействия внешних условий на параметры датчика.

В ГОСТ Р 8.673-2009. ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Термины и определения [стр. 4 п.п. 3.11], эту проблему для интеллектуальных датчиков предлагается решить за счет реализации в них функции самоконтроля.

Известно устройство осуществления самоконтроля [патент RU 2321829, МПК: G01D 3/00, опубл. 20.10.2007, «Способ контроля метрологической исправности измерительного преобразователя неэлектрической величины и устройство для его осуществления»], у которого в чувствительном элементе выделяются (формируются) части, имеющие разную чувствительность к фактору, влияющему на исправность преобразователя. В процессе эксплуатации периодически измеряют значения сигнала от этих частей с чувствительностью, достаточной для выявления нарастания погрешности измерительного преобразователя, и по ним судят о его метрологической исправности, т.е. опорная величина формируется путем сравнения сигналов от частей первичного преобразователя, имеющих разую чувствительность к возмущающему фактору.

Недостатком устройства является необходимость разработки модели погрешности с большим количеством допущений и учетом дестабилизирующих факторов и условий работы, что снижает надежность и достоверность самоконтроля.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство, описанное в патенте SU 1117472 A, МПК G01L 9/10, опубл. 07.10.1984. Помимо стандартных элементов, обеспечивающих измерение давления - корпуса, чувствительного элемента, жестко связанного с плунжером, и блока контроля положения плунжера, а значит и чувствительного элемента, устройство включает электромагнит, позволяющий перемещать плунжер, изменяя силу и направление тока в обмотке.

Общим недостатком известных устройств самоконтроля датчиков давления является использование сложной электромеханической конструкции, снижающей надежность устройства и увеличивающее погрешность измерения параметра за счет дополнительных механических контактов с чувствительным элементом.

Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, заключается в повышении достоверности метрологического контроля датчика давления с разделительной диафрагмой в ходе технологического процесса путем упрощения конструкции системы контроля, устранения механического контакта диафрагмы с элементами устройства контроля и установления прямой связи между измеряемым и контролируемым параметром.

Технический результат заключается в возбуждении импульсов давления во внутренней полости датчика, наполненной малосжимаемой жидкостью, и контролю реакции датчика на возбуждаемый импульс.

Техническая задача достигается тем, что в датчике давления с разделительной диафрагмой с функцией метрологического самоконтроля, содержащем корпус, разделительную и измерительную диафрагмы, соединенные полостью, заполненной малосжимаемой жидкостью, согласно полезной модели в корпусе датчика напротив разделительной диафрагмы выполнен кольцевой паз, в который установлено пьезокерамическое кольцо с металлизированными верхними и нижними поверхностями, выполняющими роль электродов, при этом нижний электрод соединен с корпусом датчика, а верхний электрод соединен с проводником, который размещен в отверстии в корпуса, заполненном компаундом.

Сущность технического решения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан схематически датчик давления с функцией метрологического самоконтроля, на фиг. 2 - увеличенный вид A датчика.

Датчик давления с разделительной диафрагмой с функцией метрологического самоконтроля содержит корпус 1, разделительную 4 и измерительную диафрагму 5, соединенные полостью 2, заполненной малосжимаемой жидкостью. В корпусе 1 напротив разделительной диафрагмы 4 в кольцевой паз 6 помещено пьезокерамическое кольцо 3. Кольцевой паз 6 является частью полости 2. Пьезокерамическое кольцо 3 выполнено с металлизированными верхними и нижними поверхностями, играющими роль электродов, при этом нижний электрод 7 соединен с корпусом датчика 1. На верхний электрод 8 подается напряжение по проводнику 9, размещенному в отверстии 10 корпуса 1, которое заполненное компаундом.

С целью формирования импульса давления, во внутреннюю полость 2 корпуса датчика 1 помещается пьезокерамическое кольцо 3, как показано на фиг. 1. Верхняя и нижняя плоскость кольца металлизированы и являются электродами, при подаче на которые разности напряжения, толщина кольца изменяется, в соответствии со свойствами пьезокерамики. Изменение объема кольца должно компенсироваться, в силу малосжимаемости жидкости, соответствующим изменением формы разделительной 4 и измерительной 5 диафрагм, что приводит к изменению давления в полости. Это изменение давления отслеживается чувствительными элементами (на фиг. 1, 2 не показано), расположенными на измерительной диафрагме, и приводит к изменениям показаний датчика.

Контроль исправности датчика с охватом всех элементов измерительной системы осуществляется следующим образом: перед вводом устройства в эксплуатацию проводится дополнительная характеризация датчика, заключающаяся в том, что при известных давлениях на электроды пьезокерамического кольца подается импульс напряжения фиксированной амплитуды и длительностью, в 2-3 раза превышающей постоянную времени датчика. В качестве номинального контролируемого параметра ₀ используется изменение показаний датчика в установившемся режиме после подачи импульса напряжения относительно исходного состояния.

Изменяя давление на входе датчика, получают градуировочную зависимость изменения значения номинального контролируемого параметра ₀ при фиксированном значении амплитуды импульса напряжения от величины давления.

В процессе эксплуатации периодически на электроды пьезокерамического кольца подают импульс напряжения той же амплитуды и длительности, как во время характеризации, и контролируют изменение давления . Если |₀-|<_доп, где _доп - допустимое значение, принимают решение о метрологической исправности устройства.

Таким образом, путем упрощения конструкции системы контроля, устранения механического контакта разделительной диафрагмы с элементами устройства контроля и установления прямой связи между измеряемым и контролируемым параметром повышается достоверность метрологического контроля датчика давления с разделительной диафрагмой в ходе технологического процесса.

Датчик давления с разделительной диафрагмой с функцией метрологического самоконтроля, содержащий корпус, разделительную и измерительную диафрагмы, соединенные полостью, заполненной малосжимаемой жидкостью, отличающийся тем, что в корпусе датчика напротив разделительной диафрагмы выполнен кольцевой паз, в который установлено пьезокерамическое кольцо с металлизированными верхними и нижними поверхностями, выполняющими роль электродов, при этом нижний электрод соединен с корпусом датчика, а верхний электрод соединен с проводником, который размещен в отверстии в корпуса, заполненном герметизирующим компаундом.

РИСУНКИ