Измерительный модуль перепада давления с тензорезистивным сенсором, защищенным от перегрузки давлением

Изобретение относится к средствам измерения давления и может использоваться в нефтегазовой, химической и т.п. отраслях промышленности.

Известен преобразователь дифференциального давления FMD-78 разработки Endress+Hauser, представленный в технической информации TI 382Р/00/ru Endress+Hauser, стр. 6 (см. Приложение 1 к заявке) и выбранный в качестве прототипа, наиболее близкого конструктивно к заявляемому техническому решению.

Известный измерительный модуль включает в себя цилиндрический корпус, выполненный из трех частей, на двух наружных поверхностях первой и третьей частей которого размещены разделительные гофрированные мембраны, на границе первой и средней частей расположен тензорезистивный сенсор, а на границе третьей и средней частей в заполненной маслом полости размещена плоская упругая компенсационная мембрана, при этом указанная полость соединена каналами с тензорезистивным сенсором и с разделительными мембранами, имеющими несколько меньшие диаметры, чем упругая мембрана.

Известная конструкция (см. Приложение 1 к заявке) работает следующим образом.

При воздействии с двух сторон на разделительные мембраны 9 равного давления перемещения деталей модуля не происходит, и сигнал чувствительного элемента остается постоянным.

При воздействии перепада давления на разделительную мембрану 9 со стороны P₁ эта мембрана перемещается и, воздействуя через масло, прогибает упругую мембрану 7, что создает перепад давления на тензорезистивном сенсоре 6. По мере дальнейшего повышения перепада давления объем масла из зазора между разделительной мембраной 9 и корпусом перетекает в зазор между прогибающейся компенсационной мембраной 7 и корпусом до тех пор, пока перемещение разделительной мембраны 9 не ограничится профильной поверхностью корпуса, при этом прекратится перемещение компенсационной мембраны 7 и повышение перепада давления на сенсоре 6.

При воздействии перепада давления на разделительную мембрану 9 со стороны Р₂ имеет место прогиб компенсационной мембраны 7 в противоположном направлении до момента ограничения перемещения разделительной мембраны 9 профильной поверхностью корпуса со стороны Р₂.

Известный модуль обеспечивает защиту тензорезистивного сенсора от воздействия перегрузки в обе стороны и хорошие рабочие характеристики.

Недостатком известного измерительного модуля являются его значительные габариты, обусловленные тем, что для обеспечения достаточно малого перемещения упругой мембраны в процессе работы с целью исключения явления гистерезиса она должна иметь большие размеры, что приводит к значительным габаритам модуля и увеличивает его стоимость. При этом большой диаметр упругой мембраны ведет к большому объему жидкости в ее полости, что не лучшим образом влияет на метрологические характеристики датчика и надежность работы при низких (-40°С) и высоких температурах.

Задачей является уменьшение габаритов измерительного модуля давления при сохранении хороших рабочих характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в измерительном модуле перепада давления с тензорезистивным сенсором, защищенным от перегрузки давлением, снабженным двумя разделительными гофрированными мембранами и включающим в себя корпус, выполненный трехчастевым относительно его поперечной оси, на границе первой и средней частей которого расположен тензорезистивный сенсор, а на границе третьей и средней частей которого в заполненной маслом полости размещена упругая компенсационная мембрана, при этом указанная полость соединена проточными каналами с разделительными мембранами и с тензорезистивным сенсором, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, упомянутый трехчастевой корпус размещен внутри цилиндрического корпуса в его центральной части, а разделительные мембраны размещены на двух наружных торцевых поверхностях цилиндрического корпуса, при этом над упругой компенсационной мембраной закреплена вторая дополнительная упругая мембрана с зазором между мембранами, образованным сваркой периферийных поверхностей упругих мембран с торцевыми уступами на средней части корпуса, расположенными на разных уровнях, а обе упругие мембраны размещены с одной стороны сенсора и выполнены гофрированными с соответствующими друг другу гофрами.

Размещение трехчастевого корпуса внутри цилиндрического корпуса в его центральной части, а разделительных мембран на двух наружных торцевых поверхностях цилиндрического корпуса, добавление второй упругой компенсационной мембраны, закрепленной над первой мембраной с зазором между мембранами, образованным сваркой периферийных поверхностей упругих мембран с торцевыми уступами на средней части корпуса, расположенными на разных уровнях, размещение обеих упругих мембран с одной стороны сенсора и выполнение их гофрированными с соответствующими друг другу гофрами (что обеспечивает при их меньших диаметрах большую компенсационную способность) дает возможность существенно уменьшить размеры измерительного модуля, обеспечивая надежную защиту чувствительного элемента при перегрузках давлением и хорошие рабочие характеристики.

Технический результат - уменьшение габаритов при обеспечении высокой надежности защиты сенсора от перегрузок давлением.

Заявляемый измерительный модуль обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как размещение трехчастевого корпуса внутри цилиндрического корпуса в его центральной части, а разделительных мембран - на двух наружных торцевых поверхностях цилиндрического корпуса, наличие второй упругой компенсационной мембраны, закрепленной над первой мембраной с зазором между мембранами, образованным сваркой периферийных поверхностей упругих мембран с торцевыми уступами на средней части корпуса, расположенными на разных уровнях, размещение обеих упругих мембран с одной стороны сенсора и выполнение их гофрированными с соответствующими друг другу гофрами, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает заявляемую конструкцию соответствующей критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый измерительный модуль может найти широкое применение в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности для измерения перепада давления и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежом, где в разрезе показан измерительный модуль с защищенным от перегрузки давлением тензорезистивным сенсором.

Измерительный модуль содержит двухчастевой цилиндрический корпус 1, на противолежащих торцевых поверхностях которого расположены разделительные мембраны 2 и 3. Внутри корпуса 1 расположен трехчастевой цилиндрический корпус 4. В первой части корпуса 4 размещен тензорезистивный сенсор 5, а в полости на границе средней и третьей частей корпуса 4 расположена первая упругая компенсационная мембрана 6 и дополнительно введенная вторая упругая компенсационная мембрана 7. При этом мембрана 7 расположена над мембраной 6 с зазором 8 между ними. Зазор 8 образован сваркой периферийных поверхностей мембран 6 и 7 с торцевыми уступами на средней части корпуса 4, расположенными на разных уровнях. Обе упругие мембраны 6 и 7 размещены с одной стороны сенсора 5 и выполнены гофрированными с соответствующими друг другу гофрами. Тензорезистивный сенсор 5 соединен с разделительными мембранами 2 и 3 и упругими компенсационными мембранами 6 и 7 каналами подвода давления 9 и 10.

Измерительный модуль работает следующим образом. При воздействии с двух сторон на разделительные мембраны 2 и 3 равного давления перемещения деталей модуля не происходит и сигнал тензорезистивного сенсора 5 остается постоянным.

При повышении перепада давления на разделительной мембране 2 со стороны P₁ мембрана 2 перемещается и, воздействуя через масло в каналах 9, прогибает в противоположных направлениях (друг от друга) упругие мембраны 6 и 7, что создает перепад давления на тензорезистивном сенсоре 5. По мере дальнейшего повышения перепада давления объем масла из зазора между разделительной мембраной 2 и профильной поверхностью корпуса 1 перетекает в зазор между прогибающимися компенсационными мембранами 6 и 7 до тех пор, пока перемещение разделительной мембраны 2 не ограничится профильной поверхностью корпуса 1 со стороны P₁, при этом прекратится перемещение мембран 6 и 7 и повышение перепада давления на сенсоре 5.

При воздействии перепада давления на разделительную мембрану 3 со стороны Р₂ мембрана 3 перемещается и, воздействуя через масло в каналах 10, прогибает в противоположных направлениях (друг к другу) упругие мембраны 6 и 7 до момента ограничения перемещения разделительной мембраны 3 профильной поверхностью корпуса 1 со стороны Р₂, при этом прекратится перемещение мембран 6 и 7 и повышение перепада давления на сенсоре 5.

В сравнении с прототипом заявляемая конструкция модуля с защищенным от перегрузки высоким давлением тензорезистивным сенсором имеет меньшие габариты при сохранении хороших рабочих характеристик.