коррозионно-стойкий малогабаритный датчик давления

Формула изобретения

1. Коррозионно-стойкий малогабаритный датчик давления, содержащий корпус из металла, к которому в нижней части неразъемно прикреплена снаружи чувствительная мембрана, а к верхней части приварен сенсорный блок с размещенным в его нижней части чувствительным элементом, под которым в верхней части корпуса имеется цилиндрическая полость, заполненная разделительной кремний-органической жидкостью, при этом мембрана соединена с сенсором посредством узкого цилиндрического отверстия, проходящего вдоль продольной оси корпуса и через полость с разделительной жидкостью, отличающийся тем, что корпус выполнен составным из трех частей - нижней, верхней и средней, при этом нижняя часть выполнена из тугоплавкого инертного металла и имеет форму короткого цилиндра с фигурной наружной поверхностью, сквозным цилиндрическим отверстием в центре и цилиндрическим углублением сверху под верхнюю часть корпуса, которая выполнена из стали и имеет форму тонкостенного стакана с толстым днищем, имеющим в центре цилиндрическое отверстие того же диаметра, что и отверстие в нижней части корпуса, и опирающегося днищем на углубление вверху нижней части корпуса, а средняя часть корпуса размещена в полости стакана, выполнена из тугоплавкого инертного металла и имеет форму болта с головкой вверху и с узким цилиндрическим отверстием вдоль его продольной оси, соединяющим мембрану с сенсором, причем верхняя часть в виде головки болта соразмерна с цилиндрической полостью, заполненной разделительной кремний-органической жидкостью, и плотно прилегает к ней снизу верхней частью головки, нижняя часть которой опирается на толстое днище стакана и имеет вокруг ножки болта кольцевую проточку под расположенное в ней уплотняющее резиновое кольцо, а нижняя часть в виде ножки болта проходит через отверстия в нижней части корпуса и в днище стакана верхней части и приварена к стенкам отверстия в нижней части корпуса из тугоплавкого инертного металла.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что между стенкой стакана и боковыми поверхностями головки болта нанесено покрытие Анатерм.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть корпуса выполнена из нержавеющей стали.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что нижняя и средняя части корпуса выполнены из титана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления и может использоваться в условиях воздействия высоких давлений и контакта с агрессивными средами.

Проблема заключается в следующем.

В конструкциях датчиков морского исполнения используется материал, контактирующий с морской водой - титан, который обладает абсолютной стойкостью к морской воде, но при этом титан не варится с нержавеющей сталью (SST) и трудно паяется с ней. Сложность в конструкциях создается из-за необходимости соединения корпусных деталей из титана с сенсором и другими элементами, которые применяются внутри датчика, и изготавливаются, как правило, из SST. Выполнять датчик полностью из титана - дорого.

Известен датчик давления, описанный в п. РФ № 2377515 по кл. G01L 7/08, 3.24.12.07, оп.27.12.09.

Известный датчик давления содержит корпус с приемным штуцером, мембрану с плоским буртом и кольцо, закрепленное в корпусе, и отличается тем, что в нем мембрана приварена плоским буртом к нижней части кольца, имеющего выточку в непосредственной близости к сварному шву, воспринимающего воздействие давления измеряемой среды с внешней стороны, причем мембрана и кольцо выполнены из металлов с одинаковыми или отличными друг от друга температурными коэффициентами линейного расширения и модуля упругости, что полностью исключает негативное влияние щелевой коррозии в условиях замены растягивающих мембрану напряжений на напряжения сжатия, воспринимаемые поверхностями крепления мембраны в течение всего срока эксплуатации датчика.

Недостатком известного датчика является то, что в нем все-таки происходит проникновение агрессивной среды и коррозия, поскольку для исключения влияния щелевой коррозии необходимо подбирать металлы для мембраны и кольца либо с одинаковыми или отличными друг от друга коэффициентами линейного расширения и модуля упругости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик давления Метран-150, представленный в статье авторов Фетисова А.В. и Черкашиной Г.В. Этапы развития датчиков давления компании «Метран» за последние два десятилетия» в журнале «Датчики и системы», 2012 г., № 8, стр.7-10 (рис.6) и выбранный в качестве прототипа.

Известный датчик содержит массивный корпус из нержавеющей стали, к которому в нижней части неразъемно прикреплена снаружи чувствительная мембрана. К верхней части корпуса приварена головка из нержавеющей стали с размещенным в ее нижней части сенсором, под которым в верхней части корпуса имеется цилиндрическая полость, заполненная разделительной кремний-органической жидкостью. При этом мембрана соединена с сенсором посредством узкого цилиндрического отверстия, проходящего вдоль продольной оси корпуса и через полость с разделительной жидкостью.

Недостаток известного датчика заключается в том, что он не может надежно работать в агрессивных средах, поскольку выполнен из нержавеющей стали. Кроме того, датчик из-за массивности корпуса имеет большой вес.

Задачей является повышение надежности работы датчика в агрессивных средах при уменьшении его веса и габаритов.

Поставленная задача решается тем, что в коррозионно-стойком малогабаритном датчике давления, содержащем корпус из металла, к которому в нижней части неразъемно прикреплена снаружи чувствительная мембрана, а к верхней части приварен сенсорный блок с размещенным в его нижней части чувствительным элементом, под которым в верхней части корпуса имеется цилиндрическая полость, заполненная разделительной кремний-органической жидкостью, при этом мембрана соединена с сенсором посредством узкого цилиндрического отверстия, проходящего вдоль продольной оси корпуса и через полость с разделительной жидкостью согласно изобретению корпус выполнен составным из трех частей - нижней, верхней и средней, плотно прилегающих в местах контакта друг к другу, при этом нижняя часть выполнена из тугоплавкого инертного металла и имеет форму короткого цилиндра с фигурной наружной поверхностью, сквозным цилиндрическим отверстием в центре и цилиндрическим углублением сверху под верхнюю часть корпуса, которая выполнена из стали и имеет форму тонкостенного стакана с толстым днищем, имеющим в центре цилиндрическое отверстие того же диаметра, что и отверстие в нижней части корпуса, и опирающегося днищем на углубление в нижней части корпуса, а средняя часть корпуса размещена в полости стакана, выполнена из тугоплавкого инертного металла и имеет форму «болта» с головкой вверху и с узким цилиндрическим отверстием вдоль его продольной оси, соединяющим мембрану с сенсором, причем верхняя часть в виде головки «болта» соразмерна с цилиндрической полостью, заполненной разделительной кремний-органической жидкостью, и плотно прилегает к ней снизу верхней частью головки, нижняя часть которой опирается на толстое днище стакана и имеет вокруг ножки «болта» кольцевую проточку под расположенное в ней уплотняющее резиновое кольцо, а нижняя часть в виде ножки «болта» проходит через отверстия в нижней части корпуса и в днище стакана верхней части и приварена к стенкам отверстия в нижней части корпуса из тугоплавкого инертного металла.

При этом между стенкой стакана и боковыми поверхностями головки болта может быть нанесено покрытие Анатерм.

При этом верхняя часть корпуса может быть выполнена из нержавеющей стали, и нижняя и средняя части - из титана.

Выполнение корпуса составным из 3-х частей, две из которых выполнены из титана и неразъемно соединены между собой сваркой, обеспечивает работоспособность датчика при контакте с агрессивными средами. При этом выполнение верхней части корпуса из стали, опирающейся на нижнюю часть, с плотным прилеганием к ней и тесном контакте со средней частью из тугоплавкого инертного металла, герметизируемом уплотнением в виде резинового кольца, при увеличении давления дает возможность сохранить герметичность датчика, т.к. давление жидкости во внутренней полости действует на верхнюю и боковую поверхность «болта» и прижимает ее к днищу стакана и не работает на раскрытие уплотнения.

Технический результат - обеспечение надежной работы датчика в агрессивных средах при уменьшении его размеров и веса.

Заявляемый датчик давления обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение корпуса составным из трех частей - нижней, верхней и средней, плотное прилегание этих частей в местах контакта друг к другу, выполнение нижней части корпуса из тугоплавкого инертного металла в форме короткого цилиндра с фигурной наружной поверхностью, сквозным цилиндрическим отверстием в центре и цилиндрическим углублением сверху под верхнюю часть корпуса, выполнение верхней части корпуса из стали в форме тонкостенного стакана с толстым днищем, имеющим в центре цилиндрическое отверстие того же диаметра, что и отверстие в нижней части корпуса, и опирающегося днищем на углубление вверху нижней части корпуса, размещение средней части корпуса в полости стакана и выполнение ее из тугоплавкого инертного металла в форме «болта» с головкой вверху и с узким цилиндрическим отверстием вдоль его продольной оси, соединяющим мембрану с сенсором, при соразмерности верхней части в виде головки «болта» с цилиндрической полостью, заполненной разделительной кремний-органической жидкостью, плотное прилегание к ней снизу верхней частью головки, опирание нижней части «болта» на толстое днище стакана и наличие вокруг ножки болта кольцевой проточки под расположенное в ней уплотняющее резиновое кольцо, расположение нижней части в виде ножки «болта» в отверстиях в нижней части корпуса и в днище стакана верхней части, неразъемное соединение сваркой между собой внизу средней и нижней частей корпуса, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результат, поэтому он считает, что заявляемый датчик давления соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый малогабаритный датчик может найти широкое применение в измерительной технике для работы в агрессивных средах и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежом, где приведен общий вид датчика в продольном разрезе.

Заявляемый датчик содержит корпус из трех частей - нижней 1, верхней 2 и средней 3. Нижняя часть 1 корпуса выполнена из тугоплавкого инертного металла, в частности, титана. К нижней части 1 неразъемно прикреплена снизу чувствительная мембрана 4. Нижняя часть 1 имеет форму короткого цилиндра с фигурной наружной поверхностью, снабжена сквозным цилиндрическим отверстием 5 в центре и цилиндрическим углублением 6 сверху. Верхняя часть 3 корпуса выполнена из стали, например, нержавеющей и имеет форму тонкостенного стакана с толстым днищем 7, имеющим в центре цилиндрическое отверстие 8 того же диаметра, что и отверстие 5 в нижней части 1 корпуса, и опирающегося днищем 7 на углубление 6 вверху нижней части 1 корпуса. К верхней части 2 приварен сенсорный блок 9 с размещенным в его нижней части чувствительным элементом 10, под которым в верхней части 2 корпуса имеется цилиндрическая полость 11, заполненная разделительной кремний-органической жидкостью 12. Средняя часть 3 корпуса размещена в полости стакана 2, выполнена из тугоплавкого инертного металла, например, титана, и имеет форму «болта» с головкой 13 вверху и с узким цилиндрическим отверстием 14 вдоль его продольной оси, соединяющим мембрану 4 с сенсором 9. При этом верхняя часть 3 в виде головки 13 болта соразмерна с цилиндрической полостью И, заполненной разделительной кремний-органической жидкостью 12, через которую проходит узкий канал 15, и плотно прилегает к ней снизу верхней частью головки 13. Нижняя часть головки 13 опирается на толстое днище 7 стакана 2 и имеет вокруг ножки 16 болта кольцевую проточку 17 под расположенное в ней уплотняющее резиновое кольцо 18. Нижняя часть в виде ножки 16 болта проходит через отверстия 5 в нижней части 1 корпуса и отверстие 8 в днище 7 стакана верхней части 2 и приварена к стенкам отверстия 5 в нижней части 1 корпуса из тугоплавкого инертного металла.

При этом между стенкой стакана 2 и боковыми поверхностями головки 13 средней части 3 может быть нанесено покрытие 19 Анатерм.

Датчик давления работает следующим образом.

Рабочее давление воздействует снизу на мембрану 4 в нижней части корпуса 1 и передается через узкое отверстие 14 и 15 к чувствительному элементу 10 сенсора 9. Так как давление передается на сенсор 9 через жидкость 12, то при повышении давления внутри полости 11 повышается и давление на верхнюю поверхность головки 13 «болта», не допуская раскрытия стыка уплотняющих поверхностей. При нагружении высоким давлением (выше 1500 бар) датчик сохраняет герметичность, хотя боковые стенки стакана 2 становятся бочкообразными. Для дополнительной герметизации и защиты резинового кольца 18 от воздействия наполняющей полость 11 жидкости 12 можно использовать покрытие Анатерм с нанесением его на места контакта боковых стенок «болта» средней части 3 и тонких стенок стакана 2 под полостью 11.

В сравнении с прототипом заявляемый коррозионно-стойкий малогабаритный датчик давления является более надежным при работе в агрессивных средах, имеет меньшие габариты и вес.