PL209591B1 - Czujnik ciśnienia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest czujnik ciśnienia, przeznaczony do pomiaru ciśnienia cieczy i gazów, zwłaszcza jako czujnik zanurzeniowy.

Z polskiego opisu zgł oszenia patentowego nr 368780 znany jest przetwornik ciś nienia z elementem czujnikowym, który posiada płaską przeponę. Przepona na swojej krawędzi przechodzi w pierś cień w postaci wydrążonego cylindra, dzięki czemu na dolnej powierzchni przepony powstaje środkowe wybranie. Na górnej powierzchni przepony umieszczony jest układ oporowy, składający się z elektrycznych oporników. Tuleja wchodzi w wybranie i podtrzymuje pierwszy elastomerowy pierś cień uszczelniający, który jest umieszczony na powierzchni obwodowej wybrania. Ponadto tuleja podtrzymuje drugi elastomerowy pierścień uszczelniający, który służy do uszczelnienia doprowadzenia dla cieczy ciśnieniowej. Doprowadzenie dla cieczy ciśnieniowej jest utworzone w elemencie konstrukcyjnym, na którym montowany jest czujnik ciśnieniowy. Tuleja jest sztywno połączona z tarczą która jest zamocowana swoją zewnętrzną krawędzią na obudowie, otaczającej element czujnikowy. Siły mechaniczne, występujące na elemencie konstrukcyjnym podczas i po montażu czujnika ciśnieniowego, są wprowadzane poprzez tuleję i tarczę do obudowy, dzięki czemu element czujnikowy jest uwolniony od naprężeń mechanicznych, które mogłyby spowodować niepożądane odkształcenie przepony, a tym samym zafałszowanie sygnału pomiarowego.

Czujnik do pomiaru ciśnienia znany jest z polskiego opisu patentowego nr 181740. Czujnik ten ma na płytkę podłożową oraz ma naniesione na elastyczną membranę polimerowo-węglowe warstwy rezystywne umieszczone w taki sposób, że warstwy rezystywne znajdują się naprzeciw siebie i oddzielone są niewielką szczeliną określoną przez pierścień dystansujący, natomiast w płytce podłożowej wykonane są otwory.

Inny czujnik ciśnienia znany z polskiego opisu patentowego nr 173699, jest czujnikiem niskiego ciśnienia, który zawiera płytę podstawy wykonaną z kruchego materiału oraz zespół membrany, zamocowany na płycie podstawy i przylutowany po obwodzie do płyty podstawy. Ciśnienie powoduje, że środkowa część membrany wygina się w kierunku płyty podstawy, zaś wygięcie membrany jest wyczuwane przez wskaźnik odkształcenia, w celu wskazania wielkości ciśnienia. Membrana jest wyposażona w liczne indywidualne podpory po stronie skierowanej ku płycie podstawy tak, że kiedy membrana jest wyginana w kierunku płyty podstawy pod wpływem dużego nadciśnienia podpory podtrzymują membranę przed dalszym przemieszczaniem się, aby uniknąć uszkodzenia lub zniszczenia membrany. Liczba podpór może być różna, zależnie od potrzeb. W korzystnym wykonaniu wynalazku, płyta podstawy wyposażona jest w bardzo cienką warstwę, wykonaną z dwutlenku krzemu, która jest dobrym izolatorem elektrycznym i, która pozwala również na lekkie ruchy podpór, kiedy są dociskane do płyty podstawy, co hamuje wzrost naprężeń w membranie ze wzrostem nadciśnienia.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 160250 czujnik ciśnienia zawiera płaską diafragmę poddawaną działaniu mierzonego ciśnienia oraz pierwszą i drugą parę mierników odkształcenia odpowiednio na górnej i dolnej powierzchni. Pierwsza para mierników odkształcenia o nieliniowej charakterystyce odpowiedzi elektrycznej o danym przebiegu jest zamocowana w położeniu promieniowym na górnej powierzchni płaskiej diafragmy, a druga para mierników odkształcenia o nieliniowej charakterystyce odpowiedzi elektrycznej o takim samym przebiegu lecz o przeciwnych wartościach w porównaniu z pierwszą mierników odkształcenia, jest zamocowana w takim samym położeniu promieniowym na dolnej powierzchni płaskiej diafragmy.

Znany jest też z polskiego opisu patentowego nr 163619 czujnik, zwłaszcza do pomiaru ciśnień, który składa się z elementu piezoczułego połączonego elektrycznie ze wzmacniaczem ładunku i wskaź nikiem. W czujniku tym na pierścieniowej podporze osadzony jest element piezoczuły w postaci płytki o kształcie dysku, którego wewnętrzna powierzchnia połączona jest przewodem ze wzmacniaczem ładunkowym i wskaźnikiem. Element piezoczuły ustalony jest pierścieniem zamykającym z warstwą osłonową. Pierścieniowa podpora osadzona jest na płycie centrującej usytuowanej na dole korpusu. Natomiast w strefie pomiędzy płytą centrującą a elementem piezoczułym, posadowiono wkładkę w kształcie ściętego stożka o większej średnicy zwróconej w kierunku elementu piezoczułego, wnętrze której wypełniono materiałem tłumiącym, korzystnie w postaci sproszkowanego wolframu.

Z polskiego opisu patentowego nr 207914, znany jest także magnetoelastyczny przetwornik siły.

Przetwornik ma toroidalny rdzeń magnetyczny, na który naniesione jest uzwojenie. Uzwojenie tworzy elektrycznie zamknięte i niezwarte zwoje toroidalnego nawoju o rozwiniętej powierzchni. Rdzeń magnetyczny wykonany jest z materiału magnetoelastycznego o liniowej zmianie przenikalności

PL 209 591 B1 magnetycznej w funkcji nacisku. Przetwornik ten mierzy siłę działającą jednokierunkowo i przenoszoną na rdzeń poprzez mechaniczne obciążenie uzwojenia lub poprzez przeniesienie nacisku na rdzeń za pomocą odpowiednich dystansowników. Natomiast nie są znane rozwiązania, w których do pomiaru ciśnienia płynów stosuje się toroidalne rdzenie magnetoelastyczne.

Istota czujnika ciśnienia, według wynalazku, polega na tym, że uzwojenie z wyprowadzeniami elektrycznymi nawinięte jest luźno na toroidalny rdzeń magnetyczny, to znaczy nie uciska rdzenia i nie przeszkadza w równomiernym na całej powierzchni rdzenia, przenoszeniu nacisków pochodzących od płynu, którego ciśnienie jest mierzone. Uzwojenie tworzy elektrycznie zamknięte i niezwarte zwoje nawoju, natomiast rdzeń magnetyczny wykonany jest z materiału magnetoelastycznego.

Korzystnie uzwojenie wykonane jest z cienkiej folii metalowej albo jest naniesione na rdzeń, jako warstwa przewodząca i ma postać nawoju naniesionego na magnetoelastyczny rdzeń i tworzącego z tym rdzeniem monolit pokryty impregnatem, przy czym impregnat jest zdolny do przenoszenia nacisku i jest odporny na kontakt z medium, którego ciśnienie jest mierzone. Uzwojenie może być również wykonane z cienkiego drutu albo linki przewodzącej w izolacji zdolnej do znoszenia kontaktu z mierzonym medium. W wariancie czujnika uzwojenie naniesione jest na karkas, korzystnie dzielony, wewnątrz którego osadzony jest luźno rdzeń magnetyczny. Karkas ma co najmniej jedną szczelinę w miejscu zł ożenia karkasu, albo w karkasie są wykonane otwory umożliwiające dostęp do mierzonego medium.

Uzwojenie i rdzeń magnetyczny są pokryte impregnatem.

W czujniku ciśnienia uzwojenie pomiarowe stanowi hydraulicznie i pneumatycznie nieszczelna warstwa toroidalnego nawoju wykonanego drutem osadzonym w izolacji zdolnej do znoszenia kontaktu z gazami lub/i cieczami, przy czym toroidalny nawój powinien być wykonany luźno tj. tak, aby siła ucisku nawoju na rdzeń toroidalny była do pominięcia. Hydraulicznie i pneumatycznie nieszczelna warstwa nawoju gwarantuje tutaj bezpośredni dostęp mierzonego medium występującego w formie gazu lub cieczy do powierzchni rdzenia zaś luźny nawój oznacza, że rdzeń przetwornika nie jest w sposób znaczący uciskany przez uzwojenie pomiarowe. Bezpoś redni nacisk medium cieczowego lub gazowego na pogrążony w nim czujnik toroidalny może być zagwarantowany przez zastosowanie odpowiednio dzielonego karkasu, wewnątrz którego znajduje się odciążony rdzeń magnetyczny.

Uzwojenie pomiarowe nawinięte na tym karkasie nie uciska rdzenia zaś odpowiednie otwory w karkasie umoż liwiają dostęp mierzonego medium do rdzenia. Nacisk medium na rdzeń może być też zagwarantowany poprzez szczelne uzwojenie wykonane z cienkiej folii metalowej i szczelnie zaimpregnowane na powierzchni rdzenia. Niska wytrzymałość mechaniczna folii wraz z pokryciem impregnatem, zapewniają iż ciśnienie medium bez zakłóceń przenosi się na rdzeń. Odmianą układu czujnika z uzwojeniem wykonanym z folii metalowej może być układ, w którym uzwojenie jest naniesione na powierzchnię rdzenia w postaci metalizacji a całość jest pokryta warstwą ochronną o dostatecznej odporności na kontakt z medium mierzonym (gazów lub cieczy).

Czujnik ciśnienia, według wynalazku został zrealizowany przy zastosowaniu rdzenia pierścieniowego, w którym kierunek magnesowania jest prostopadły do kierunku działania sił wywołanych ciśnieniem mierzonego medium dzięki czemu przenikalność magnetyczna jest zawsze monotoniczną funkcją ciśnienia. Czujnik rozwiązuje problem takiego wyeksponowania powierzchni rdzenia na działanie gazów lub cieczy, aby ciśnienie tych mediów bez przeszkód wywołanych istnieniem uzwojeń pomiarowych było przenoszone na toroidalny rdzeń magnetoelastyczny. W tym celu uzwojenia są wykonane jako nieszczelne dla mediów i są luźno nawinięte na rdzeń lub jest nawinięte na rdzeń chroniony dodatkowym dielektrycznym karkasem tak, że medium ma dostęp do całej powierzchni rdzenia która jest wolna od nacisków uzwojenia pomiarowego. Uzwojenie może mieć także postać delikatnej folii lub bardzo cienkiego drutu nawojowego i naniesione na rdzeń może być zabezpieczone za pośrednictwem specjalnie wykonanych warstw impregnacyjnych zdolnych do przenoszenia nacisku od medium do rdzenia. Uzwojenie lub uzwojenia pomiarowe mogą być też naniesione na rdzeń w formie metalizacji zabezpieczonej warstwą ochronną, która może przenosić obciążenia mechaniczne i jest odporna na działania cieczy lub gazów. Zastosowanie w czujniku rdzenia magneto elastycznego wykonanego z materiału charakteryzującego się korzystnie liniową zmianę przenikalności magnetycznej w funkcji nacisku oraz niezależnością przenikalności magnetycznej od temperatury lub z takiego materiał u, w którym przenikalność magnetyczna jest od temperatury zależ na liniowo, pozwala na łatwe i proste jego wyskalowanie. W czujniku siła działa równomiernie na całą powierzchnię rdzenia i jest do tego rdzenia prostopadła, czyli jest też prostopadła do kierunku magnesowania rdzenia przez uzwojenie pomiarowe. Całkiem nieoczekiwanie okazało się, że tylko przy takiej konfiguracji

PL 209 591 B1 sił i pola magnetycznego zależność indukcyjności uzwojenia pomiarowego przetwornika od ciśnienia jest zawsze monotoniczna tzn., że nie posiada charakterystycznego maksimum obserwowanego np. w rdzeniach ferrytowych wtedy, gdy kierunek działania siły i kierunek magnesowania pokrywają się. Ten fakt pozwala na zastosowanie, jako przetworników ciśnienia tanich rdzeni ferroceramicznych, np. wykonanych z ferrytów manganowo-cynkowych. W czujniku tym, uzwojenie nawinięte jest luźno, czyli może by nadrukowane w postaci cienkiej warstwy na rdzeń, nie stanowi przeszkody w docieraniu obciążeń mechanicznych do całej powierzchni rdzenia, a w najprostszym wykonaniu jest luźnym nawojem cienkiego drutu, który jest praktycznie przezroczysty dla płynu. W czujniku wyeksponowana jest na działanie płynu, cała jego powierzchnia rdzenia i dlatego czujnik ten można zaliczyć do rzadkiej grupy czujników niezniszczalnych.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia czujnik ciśnienia z nieszczelnym oraz mechanicznie luźnym uzwojeniem toroidalnym nawiniętym na rdzeniu pierścieniowym z materiału magnetoelastycznego, fig. 2 - czujnik ciśnienia z toroidalnym uzwojeniem naniesionym w formie metalizacji bezpoś rednio na rdzeń magnetyczny wykonany z materiału magneto elastycznego o niskiej konduktywności elektrycznej lub odpowiednio zaizolowany, a fig. 3 - czujnik ciśnienia z dwuczęściowym nie szczelnym karkasem.

P r z y k ł a d 1

Czujnik ciśnienia wykonany, jako magnetoelastyczny przetwornik ciśnienia, ma toroidalny rdzeń magnetyczny RM, na który jest luźno nawinięte w postaci toroidalnego nawoju wykonanego z przewodu elektrycznego w izolacji zdolnej do znoszenia kontaktu z mierzonym medium. Rdzeń magnetyczny RM wykonany jest z materiału magnetoelastycznego o liniowej zmianie przenikalności magnetycznej w funkcji nacisku, ponadto przenikalność magnetyczna rdzenia RM nie zależy od temperatury. Brzegowe końcówki uzwojenia SE połączone są przewodami pomiarowymi WP ze znanym układem pomiarowym.

P r z y k ł a d 2

Czujnik ciśnienia wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że uzwojenie SE wykonane jest z cienkiej folii metalowej w postaci nawoju naniesionego na magneto elastyczny rdzeń RM i tworzącego z tym rdzeniem RM monolit pokryty impregnatem, przy czym impregnat ED jest elastyczny i zdolny do przenoszenia nacisku oraz odporny na kontakt z medium, którego ciśnienie jest mierzone.

P r z y k ł a d 3

Czujnik ciśnienia wykonany jak w przykładzie drugim z tą różnicą, że toroidalne uzwojenie SE jest naniesione w formie metalizacji bezpośrednio na rdzeń magnetyczny RM wykonany z materiału magneto elastycznego o niskiej konduktywności elektrycznej. Po wykonaniu uzwojenia rdzeń jest pokryty elastyczną warstwą impregnatu ED.

P r z y k ł a d 4

Czujnik ciśnienia wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że toroidalne uzwojenie SE jest naniesione w formie metalizacji bezpośrednio na zaizolowany rdzeń magnetyczny RM, która jest tak cienka, że nie uciska rdzenia i nie przeszkadza w równomiernym na całej powierzchni rdzenia, przenoszeniu nacisków pochodzących od płynu, którego ciśnienie jest mierzone.

P r z y k ł a d 5

Czujnik ciśnienia wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że uzwojenie SE naniesione jest na rdzeń magnetyczny RM w postaci warstwy przewodzącej impregnowanej żywicą polimerową.

P r z y k ł a d 6

Czujnik ciśnienia wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że rdzeń RM jest otoczony dzielonym karkasem dielektrycznym KS. W karkasie KS jest wykonana szczelina umożliwiająca dostęp mierzonego medium do całej powierzchni rdzenia magnetycznego RM, a ponadto chroni rdzeń RM przed naciskiem uzwojenia pomiarowego.

P r z y k ł a d 7

Czujnik ciśnienia wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że rdzeń magnetoelastyczny RM jest chroniony przed uciskiem uzwojenia pomiarowego za pomocą dwuczęściowego karkasu KS, na którym nawinięte jest toroidalne uzwojenie pomiarowe SE. W karkasie KS są wykonane otwory umożliwiające dostęp mierzonego medium do całej powierzchni rdzenia magnetycznego RM. Stosowanie czujnika, polega na tym, że mierzy się ciśnienie medium w postaci gazu lub cieczy, na toroidalny rdzeń magnetyczny RM, przy czym rdzeń magnetyczny RM zanurzony jest lub posiada bezpośredni kontakt z medium. Gaz lub ciecz działa swoim ciśnieniem równomiernie na całej

PL 209 591 B1 powierzchni rdzenia RM bezpośrednio, poprzez warstwę impregnatu w postaci warstwy z materiału dielektrycznego, poprzez uzwojenie SE wykonane z cienkiej folii metalowej albo naniesione na rdzeń w postaci warstwy przewodzącej, natomiast rdzeń magnetyczny wykonany jest z materiału magneto elastycznego o korzystnie liniowej zmianie przenikalności magnetycznej w funkcji nacisku. Ponadto, gdy toroidalny rdzeń magnetyczny RM wykonany jest z materiału magnetoelastycznego, którego przenikalność magnetyczna nie zależy od temperatury albo jest liniowo zależna od temperatury, możliwe jest łatwe skompensowanie wpływów temperatury na odczyty czujnika ciśnienia.

Claims (10)

1. Czujnik ciśnienia ma toroidalny rdzeń magnetyczny wykonany z materiału magnetoelastycznego, na którym nawinięte jest uzwojenie z wyprowadzeniami elektrycznymi, znamienny tym, że uzwojenie (SE) z wyprowadzeniami elektrycznymi nawinięte jest na toroidalny rdzeń magnetyczny (RM), luźno i tworzy elektrycznie zamknięte i niezwarte zwoje nawoju.

2. Czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, uzwojenie (SE) wykonane jest z cienkiej folii metalowej w postaci nawoju naniesionego na magnetoelastyczny rdzeń (RM) i tworzącego z tym rdzeniem monolit pokryty impregnatem (ED), przy czym impregnat (ED) jest zdolny do przenoszenia nacisku i jest odporny na kontakt z medium, którego ciśnienie jest mierzone.

3. Czujnik, według zastrz. 2, znamienny tym, że uzwojenie (SE) na rdzeń magnetyczny (RM) naniesione jest w postaci warstwy przewodzącej.

4. Czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie (SE) jest wykonane z cienkiego drutu.

5. Czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie (SE) jest wykonane z linki przewodzącej w izolacji zdolnej do znoszenia kontaktu z mierzonym medium.

6. Czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie (SE) naniesione jest na karkas (KS), wewnątrz którego jest luźno osadzony rdzeń magnetyczny (RM).

7. Czujnik, według zastrz. 2, znamienny tym, że karkas (KS) jest karkasem dzielonym.

8. Czujnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że w miejscach złożenia części karkasu (KS), karkas (KS) ma co najmniej jedną szczelinę umożliwiającą dostęp mierzonego medium do rdzenia magnetycznego (RM).

9. Czujnik, według zastrz. 3, znamienny tym, że w karkasie (KS) są wykonane otwory, umożliwiające dostęp mierzonego medium do rdzenia magnetycznego (RM).

10. Czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie (SE) nawinięte na rdzeń magnetyczny (RM) są pokryte impregnatem (ED).