Барокомпенсований первинний вимірювальний перетворювач

Барокомпенсований первинний вимірювальний перетворювач, який містить корпус у вигляді стакана з циліндричною порожниною, заповненою компенсуючою рідиною, яка ізольована від зовнішнього середовища ущільнювальним кільцем, через яке в порожнину встановлений з можливістю подовжнього переміщення жорсткий чутливий елемент у формі циліндра з гладкою поверхнею, вивід якого виконаний гнучким і виведений з корпусу з герметизацією, який відрізняється тим, що ущільнювальне кільце встановлене у виконану в корпусі поперечну канавку з перерізом у формі зрізаного конуса, який розширюється від дна стакана, і через шайбу підтиснуте у напрямі дна стакана втулкою, встановленою в корпусі з можливістю переміщення. Винахід відноситься до техніки виміру в середовище, що знаходиться під тиском, який відрізняється від атмосферного тиску, і може бути застосований, зокрема, при гідрохімічних дослідженнях. В даний час є великий вибір лабораторних недорогих і високоточних чутливих елементів для виміру хімічних параметрів водного середовища, що знаходиться при нормальному тиску. Існуючі чутливі елементи для глибоководних гідрохімічних досліджень менш точні і суттєво дорожче. Тому був створений, у тому числі і заявником, ряд нових конструкцій первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП), що знаходяться під підвищеним тиском, в яких застосовані лабораторні чутливі елементи, розроблені для роботи при нормальному тиску. До глибоководних ПВП, в порівнянні з лабораторними, пред'являється ряд додаткових вимог. У тому числі, щоб конструкція ПВП забезпечувала надійну його роботу при підвищеному зовнішньому тиску. Це досягається або шляхом створення конструкції корпусу, здатного витримати робочий тиск, або шляхом барокомпенсації конструкції ПВП. Принцип розробки датчика на основі барокомпенсації дозволяє зменшити габарити ПВП, що деколи має вирішальне значення, і забезпечує широкі можливості при виборі конструкційних матеріалів. Відомий барокомпенсований датчик ИВ-103 [1], розроблений і виготовлений заявником, Морським гідрофізичним інститутом Національної академії наук України. У цьому датчику застосований лабораторний електрод ЭСЛ-43-07 (Ту 25.05.223477). При виготовленні датчика електрод допрацьовувався - в нім просвердлювався отвір, через який порожнина електроду заповнювалася електролітом. У цьому датчику електроліт відокремлений від досліджуваного середовища гнучкою мембраною, тобто електроліт знаходиться під тим же тиском, що і досліджуване середовище. У цьому перевага пристрою. Проте із-за доопрацювання чутливого елементу можливе його руйнування, що є недоліком конструкції. Відомий барокомпенсований датчик ИС-022 [2], також розробки заявника, в якому застосований селективний електрод типа ХС-В-001. Хвостовик електроду розміщений в електроізоляційній рідині, що знаходиться під тим же тиском, що і досліджуване середовище. Барокомпенсація здійснюється за допомогою гнучкої мембрани. Як і в аналогу [1], в цьому технічному рішенні тільки жорсткість конструкції електроду визначає допустиму (19) UA (11) 92831 (13) C2 (21) a200903551 (22) 13.04.2009 (24) 10.12.2010 (46) 10.12.2010, Бюл.№ 23, 2010 р. (72) ДАНІЛЕНКО МИХАЙЛО ЯКОВИЧ (73) МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 84072 C2; 10.09.2008 UA 83574 C2; 25.07.2008 US 4659451 A; 21.04.1987 US 3652439 A; 28.03.1972 US 4976844 A; 11.12.1990 US 3929603 A; 30.12.1975 US 3551315 A; 29.12.1970 JP 5099897 A; 23.04.1993 3 глибину занурення датчика, що є недоліком пристрою. Найбільш близьким до винаходу по сукупності ознак є вибраний як прототип розроблений заявником барокомпенсований первинний вимірювальний перетворювач [3]. Прототип, по першому варіанту винаходу, містить твердотілий чутливий елемент у вигляді циліндричного стрижня з гладкою бічною поверхнею і корпус з циліндричною порожниною, заповненою компенсуючою рідиною. Чутливий елемент вставлений в порожнину корпусу за допомогою герметизуючого кільця, яке відокремлює зовнішнє середовище від компенсуючої рідини. Кільце розміщене в кільцевій прямокутній проточці, виконаній на циліндричної поверхні стрижня. Чутливий елемент встановлений з можливістю подовжнього переміщення в порожнині - вивід чутливого елементу виконаний гнучким. Вивід електрично ізольований і з герметизацією виведений через хвостовик корпусу. Другий варіант прототипу відрізняється від першого тим, що чутливим елементом первинного вимірювального перетворювача є сам корпус. Він виконаний з циліндричною порожниною, заповненою компенсуючою рідиною. У цій порожнині встановлений хвостовик перетворювача з можливістю подовжнього переміщення корпусу щодо хвостовика. Кільце ущільнення розміщене в кільцевій прямокутній проточці, виконаній на циліндричної поверхні хвостовика. Спільними суттєвими ознаками прототипу і заявленого пристрою є: корпус у вигляді стакана з циліндричною порожниною, заповненою компенсуючою рідиною, яка ізольована від зовнішнього середовища ущільнювальним кільцем, через яке в порожнину встановлений з можливістю подовжнього переміщення жорсткий чутливий елемент у формі циліндра з гладкою поверхнею, вивід якого виконаний гнучким і виведений з корпусу з герметизацією. Закладений в прототипі спосіб барокомпенсації забезпечує ефективне вирівнювання внутрішнього і зовнішнього гідростатичного тиску первинного вимірювального перетворювача. Недоліком прототипу є те, що використовуваний в нім радіальний спосіб установки ущільнення, зокрема гумового кільця, вимагає малих допусків на розміри поверхонь, що сполучаються (близько 0,03-0,1мм). Це обумовлює труднощі забезпечення надійної герметизації чутливого елементу датчика. У датчику застосовується або виготовлений чутливий елемент (з будь-якого відповідного твердого матеріалу), або вибраний з числа стандартних (наприклад, чутливий елемент від лабораторного сульфид-селективного електроду, що випускається промисловістю). Це визначає інший недолік прототипу - технічні суперечності, властиві йому при використанні стандартних лабораторних чутливих елементів. По-перше, стандартні чутливі елементи мають досить високий розкид величини діаметру циліндричної поверхні (близько 0,3-2мм). Гумові кільця також мають розкид величин їх діаметрів і поперечних перетинів. Тому для надійної герметизації чутливого елементу гумовим кільцем 92831 4 необхідно здійснити підбір розміру діаметру отвору корпусу конкретно під цей чутливий елемент. При заміні елементу, що вийшов з ладу, на інший стандартний необхідно здійснювати підбір чутливих елементів, щоб елемент входив в отвір корпусу, але не «провалювався» в нього. При цьому ізза розкиду розмірів знов встановлюваного елементу можливе погіршення герметизації датчика, що призводить до зниження його точності. Тобто, використання стандартних чутливих елементів з метою забезпечення високої точності датчика може привести до зниження точності датчика із-за ненадійної герметизації. По-друге, чутливий елемент має бути виконаний з канавкою під гумове кільце. Із-за доопрацювання стандартного лабораторного чутливого елементу, наприклад, типа скляного ЭСЛ-43-07 або електроду типа ХС-В-001 з пластмасовим корпусом, може бути понижена величина граничного навантаження руйнування чутливого елементу. Таким чином, може бути загублене перевага застосування в датчику порівняно дешевих і точних стандартних чутливих елементів. У основу винаходу поставлено завдання створення барокомпенсованого первинного вимірювального перетворювача, в якому за рахунок ознак, що характеризують особливості виконання вузла ущільнення чутливого елементу, забезпечується нова технічна властивість - можливість компенсації розкиду допусків на розміри елементів вузла ущільнення, що сполучаються, у тому числі і стандартних елементів. Вказана нова властивість забезпечує досягнення технічного результату винаходу: підвищення надійності герметизації первинного вимірювального перетворювача, у тому числі і на базі стандартних чутливих елементів; спрощення заміни чутливих елементів, що вийшли з ладу, із забезпеченням надійного ущільнення знов встановлених елементів; забезпечення роботи використовуваних точних стандартних лабораторних чутливих елементів в діапазоні їх штатних граничних навантажень руйнування. Це підвищує надійність і технологічність пристрою і розширює діапазон його робочого тиску. Поставлене завдання вирішується тим, що в барокомпенсованому первинному вимірювальному перетворювачі, що містить корпус у вигляді стакана з циліндричною порожниною, заповненою компенсуючою рідиною, яка ізольована від зовнішнього середовища ущільнювальним кільцем, через яке в порожнину встановлений з можливістю подовжнього переміщення жорсткий чутливий елемент у формі циліндра з гладкою поверхнею, вивід якого виконаний гнучким і виведений з корпусу з герметизацією, згідно винаходу ущільнювальне кільце встановлене у виконану в корпусі поперечну канавку з перетином у формі усіченого конуса, що розширюється від дна стакана, і через шайбу підтиснуте у напрямі дна стакана втулкою, встановленою в корпусі з можливістю переміщення. Сутність винаходу пояснюється за допомогою креслення, на якому зображено: Фіг.1 - загальний вид пристрою в розрізі; Фіг.2 - поперечний перетин вузла ущільнення чутливого елементу. 5 Барокомпенсований первинний вимірювальний перетворювач містить корпус 1 у вигляді стакана з циліндричною порожниною, яка заповнена компенсуючою рідиною 2. Компенсуюча рідина відокремлена від зовнішньої, досліджуваної, рідини вузлом ущільнення, через яке в компенсуючу рідину встановлений циліндричний чутливий елемент 3, що контактує із зовнішнім середовищем. Вивід 4 чутливого елемента виконаний гнучким і із запасом, вільно розташований в порожнині з рідиною 2 і виведений з хвостовика корпусу з герметизацією, в даному випадку - через гермоввод 5. Вузол герметизації чутливого елементу виконаний у вигляді ущільнення рухомого контакту і включає ущільнювальне кільце 6, в даному випадку круглого перетину, який встановлений в поперечну канавку корпусу 1. Канавка має поперечний перетин у формі усіченого конуса, що розширюється убік від дна корпусу. Ущільнювальне кільце 6 за допомогою шайби 7 з гладкими робочими поверхнями підтиснуте у бік дна корпусу втулкою 8, яка з можливістю подовжнього переміщення встановлена на корпусі (по різьбленню). Передбачений засіб фіксації положення втулки 8. Тип ущільнення (рухомого контакту) і забезпечення запасу вивідного дроту дозволяють чутливому елементу 3 подовжньо переміщатися в порожнині корпусу 1 під дією тиску, що змінюється. Корпус 1 із-за барокомпенсації (рівність зовнішнього і внутрішнього тиску) може бути виконаний з будь-якого конструкційного матеріалу, хімічно нейтрального по відношенню до досліджуваної рідини і забезпечуючого незмінність розмірів корпусу при його експлуатації. Наприклад, корпус може бути виготовлений з титану, оргскла, капролона. Чутливий елемент 3 може бути виготовлений виконаний з будь-якого твердого конструкційного матеріалу, наприклад, скла, пластмаси, металу. Для якісного ущільнення рухомого чутливого елементу 3 обов'язковими вимогами при його виготовленні є, щоб чутливим елементом був циліндр (стрижень з постійним діаметром по довжині) і в зоні взаємодії з ущільнювальним кільцем 6 мав гладку поверхню. Як чутливий елемент 3 може бути застосований стандартний елемент, наприклад, лабораторний сульфид-селективний електрод XC-S-001. Ущільнювальне кільце 6 виконано з пружного матеріалу, що зберігає свої первинні властивості в процесі контакту з компенсуючою рідиною 2 і зовнішнім середовищем, і може мати прямокутний або круглий перетин. Круглий перетин кільця, що має меншу площу контакту, є переважним. У пристрої можуть бути застосовані, наприклад, кільця ущільнювальні по ГОСТ 9833-73 з гуми НО-68 або силіконової гуми. Компенсуюча рідина 2 може бути електропровідною або електроізоляційною, залежно від того, з яким чутливим елементом вона контактуватиме. Наприклад, може бути застосоване поліметілсіліконовое масло ПМС-10 (Гості 3032-77). Рідина 2, окрім компенсації зовнішнього тиску, виконує функцію ізолювання електричного сигналу з чутливого 92831 6 елементу 3 і демпфування коливань гнучкого провідника 4. Як гнучкий провідник 4 можна застосувати будь-який монтажний дріт, здатний витримати багатократні навантаження, що вигинають. Наприклад, з фторопластовою ізоляцією типа МС. Гермоввод 5 застосовується в разі виконання корпусу металевим і дозволяє ізолювати електричний сигнал чутливого елементу 3 від корпусу 1. Гермоввод є окремим конструктивним вузлом, здатним витримати тиск, що в 1,5 разу перевищує робочий діапазон тиску пристрою. Збірка і робота пристрою здійснюються таким чином. При збірці перетворювача чутливий елемент 3 встановлюється в отвір (порожнину) корпусу 1, заповнений компенсуючою рідиною 2. Цей отвір повинен мати діаметр по верхньому допуску на діаметр використованого чутливого елементу 3. У конічну канавку корпусу 1 укладається ущільнювальне кільце 6 так, щоб воно щільно торкнулося поверхонь, що сполучаються, - корпуса 1 і чутливого елементу 3. На ущільнювальне кільце 6 встановлюється шайба 7, яка, для поліпшення умов ущільнення, має зовнішній діаметр, близький до діаметру меншого з основ усіченого конуса канавки корпусу. По різьбленню в корпус 1 встановлюється втулка 8, виконана з шліцами. Переміщенням (шляхом обертання) втулки 8 притискують шайбою 7 ущільнювальне кільце 6 у напрямі дна корпусу. Кільце 6 деформується і ущільнює чутливий елемент 3. Досягши необхідного ступеня ущільнення чутливого елементу фіксують положення втулки 8. Ширина і кут нахилу створення конуса канавки під ущільнення вибираються такими, щоб при заміні чутливого елементу З (установці в корпус іншого подібного чутливого елементу) ущільнювальне кільце 6 завжди знаходилося в межах висоти цього конуса. Цей кут, наприклад, можна виконати рівним 3-10 градусів, а ширину канавки рівною 2-3 розмірам перетину ущільнювального кільця. Барокомпенсований первинний вимірювальний перетворювач, встановлений в корпус вимірювального пристрою, занурюють в досліджувану рідину, наприклад, в морі на задану глибину. Електричний сигнал з чутливої зони елементу 3 поступає на його вивідний контакт і передається вимірювальному пристрою. У міру занурення пристрою зростаючий тиск зовнішнього середовища переміщає чутливий елемент всередину корпусу перетворювача - чутливий елемент 3 ковзає в кільці ущільнювання 6, занурюючись в компенсуючу рідину 2. Барокомпенсація усуває чинник впливу зростаючого зовнішнього тиску на ущільнювальне кільце 6 (тиск на кільце з двох сторін зрівняний), тому на будь-якій глибині занурення виключено втискування кільця 6 в зазор між ущільнюваними поверхнями, що забезпечує стабільність герметизації. Принцип ущільнення чутливого елементу 3 в корпусі 1 шляхом використання ущільнюючого кільця 6, яке встановлене в проточку корпусу заданої форми і підтиснуте направленим зусиллям у бік заплечика проточки, підвищує надійність герметизації чутливого елементу, у тому числі і при 7 92831 застосуванні серійного елементу, дозволяє в процесі експлуатації перетворювача легко замінювати в корпусі чутливі елементи без зниження надійності їх герметизації. Це підвищує достовірність інформації перетворювача про параметри досліджуваного середовища. Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 8 Використані джерела: 1. Датчик ИВ-103 (Рт 5.519.103). 2. Датчик ИС-022 (Рт 5.519.022). 3. Патент України №84072, 10.09.2008, Бюл. №17 - прототип. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601