Дифференциальный датчик давления

005793 Изобретение относится к дифференциальному датчику давления, содержащему сенсор,первую и вторую камеры для измерения давления, примыкающие каждая к сенсору,первую воспринимающую давление камеру, закрытую первой разделительной мембраной,вторую воспринимающую давление камеру, закрытую второй разделительной мембраной,первую камеру перегрузки, которая первой магистралью соединена с первой воспринимающей давление камерой и которая второй магистралью соединена с первой камерой для измерения давления,вторую камеру перегрузки, которая третьей магистралью соединена со второй воспринимающей давление камерой и которая четвертой магистралью соединена со второй камерой для измерения давления,жидкость, заполняющую первую и вторую воспринимающие давление камеры, первую и вторую камеры перегрузки, первую и вторую камеры для измерения давления, а также первую, вторую, третью и четвертую магистрали,мембрану перегрузки, отделяющую первую от второй камеры перегрузки. Датчики давления обычно подключаются через технологические подсоединительные устройства, в результате чего первое давление воздействует на первую разделительную мембрану и второе давление на вторую разделительную мембрану. Давление передается посредством жидкости в камеры для измерения давления и воздействует на сенсор. Сенсор, например пьезорезистивная ячейка для измерения дифференциального давления, вырабатывает исходный сигнал, пропорциональный разнице между первым и вторым давлениями. Исходный сигнал используется для последующей обработки, анализа и/или индикации. Дифференциальные датчики давления применяются во многих областях при измерении технологического параметра "дифференциальное давление". Наряду с технологическим параметром "дифференциальное давление" дифференциальный датчик давления применим также - благодаря разнице гидростатического давления - для определения уровня заполнения емкости. Также возможно определять расход в водоводе на основе разницы давлений между двумя разными участками разного сечения. В DE-A 42 44 257 описан дифференциальный датчик давления, содержащий сенсор,первую и вторую камеры для измерения давления, примыкающие каждая к сенсору,первую воспринимающую давление камеру, закрытую первой разделительной мембраной,вторую воспринимающую давление камеру, закрытую второй разделительной мембраной,первую камеру перегрузки, которая первой магистралью соединена с первой воспринимающей давление камерой и которая второй магистралью соединена с первой камерой для измерения давления,вторую камеру перегрузки, которая третьей магистралью соединена со второй воспринимающей давление камерой и которая четвертой магистралью соединена со второй камерой для измерения давления,жидкость, заполняющую первую и вторую воспринимающие давление камеры, первую и вторую камеры перегрузки, первую и вторую камеры для измерения давления, а также первую, вторую, третью и четвертую магистрали,мембрану перегрузки, отделяющую первую от второй камеры перегрузки. В описанном датчике давления мембрана перегрузки выполнена дискообразной и прочно закреплена по своей наружной кромке. В случае перегрузки, т.е. в том случае, когда на одну из разделительных мембран воздействует давление, которое превышает допустимое верхнее предельное значение, на которое рассчитан датчик давления, разделительная мембрана прижимается к своему основанию. Объем жидкости, вытесненный при прогибе разделительной мембраны, по одной из магистралей впускной камеры давления поступает в подключенную к ней камеру перегрузки и вызывает прогиб мембраны перегрузки из ее нулевого положения. Объем, дополнительно образуемый прогибом мембраны перегрузки на одной стороне, принимает на себя в течение действия перегрузки, по меньшей мере, часть перемещенного объема жидкости. В результате ограничивается давление, воздействующее при перегрузке на сенсор, и обеспечивается защита сенсора от перегрузки. В случае перегрузки на мембрану перегрузки могут действовать очень быстро очень большие усилия. Прежде всего возникают на месте закрепления мембраны перегрузки по ее наружному краю очень большие напряжения, которые могут привести к пластическим, т.е. остаточным после перегрузки деформациям. Соответственно мембрана перегрузки не занимает более нулевого положения, и обе камеры перегрузки имеют объем, изменившийся по сравнению с первоначальным состоянием. Разница между объемами камеры перегрузки до и после перегрузки ниже обозначена гистерезисным объемом. Гистерезисный объем непосредственно влияет на распределение давления в датчике давления и тем самым искажает результат измерения. Задачей изобретения является создание дифференциального датчика давления указанного выше типа, характеризующегося малым гистерезисным объемом. Поэтому предметом изобретения является дифференциальный датчик давления приведенного выше-1 005793 типа, в котором мембрана перегрузки содержит замкнутую наружную кромку и замкнутую внутреннюю кромку и прочно закреплена вдоль своих наружной и внутренней кромок. В варианте выполнения изобретения мембрана перегрузки выполнена тарельчатой формы. В другом варианте выполнения каждая камера перегрузки ограничена мембраной перегрузки и противолежащей ей, по существу, вогнутой стенкой. В еще одном варианте выполнения изобретения одна из магистралей проходит через центр мембраны перегрузки. Преимущество такого дифференциального датчика давления состоит в том, что по сравнению с датчиками давления с дискообразными мембранами перегрузки он содержит очень малый гистерезисный объем. Бесконечно малый сегмент тарелки шириной r, прогнутый на расстояние "у" из своего нулевого положения, содержит под собой объем V = у (r)(2r r), который пропорционален радиусу "r". Поэтому на пластические деформации, образующиеся именно по наружней кромке мембраны перегрузки,приходится большая доля гистерезисного объема. Во время перегрузки усилия, воздействующие на мембрану перегрузки согласно изобретению, распределяются по ее внутреннему и наружному закреплению соразмерно своим долям. В соответствии с этим возникающие на наружном закреплении напряжения и, следовательно, результирующие отсюда пластические деформации меньше, чем в разделительной мембране без внутреннего закрепления. Подробнее изобретение и его дополнительные преимущества поясняются с помощью чертежей, на которых представлен пример выполнения. При этом представлено на фиг. 1 - продольный разрез дифференциального датчика давления согласно изобретению; фиг. 2 - максимальный прогиб дискообразной мембраны перегрузки как функция радиуса; фиг. 3 - максимальный прогиб тарельчатой мембраны перегрузки как функция радиуса; фиг. 4 - объем, содержащийся на бесконечно малом кольцеобразно-цилиндрическом участке, при максимальном прогибе дискообразной мембраны перегрузки в качестве функции радиуса; фиг. 5 - объем, содержащийся на бесконечно малом кольцеобразно-цилиндрическом участке, при максимальном прогибе тарельчатой мембраны перегрузки в качестве функции радиуса; фиг. 6 - деформация, т.е. растяжение или сжатие дискообразной мембраны перегрузки при перегрузке; фиг. 7 - деформация, т.е. растяжение или сжатие тарельчатой мембраны перегрузки при перегрузке. На фиг. 1 представлен разрез дифференциального датчика давления. Дифференциальный датчик давления состоит из воспринимающего давление блока, расположенной на нем опоры для сенсора 1 и смежного с ним, не представленного на фиг. 1 корпуса, например, для размещения в нем блока обработки результатов. Сенсор 1 представляет собой, например, кремниевый чип мембранного типа, к сенсору 1 примыкают первая и вторая камеры 2, 3 для измерения давления. Давление, присутствующее в первой камере 2 для измерения давления, воздействует на одну сторону мембраны, а давление, присутствующее во второй камере 3 измерения давления, воздействует на другую, противоположную сторону этой мембраны. Результирующий прогиб мембраны служит мерой воздействующего на нее дифференциального давления. В качестве электромеханических преобразователей применяются, например, встроенные в мембрану пьезорезистивные элементы, объединенные в мостовую схему и генерирующие исходный, пропорциональный дифференциальному давлению сигнал для получения измеренного значения. Исходный сигнал поступает по магистрали 11 на последующую обработку и/или индикацию. Воспринимающий давление блок содержит закрытую первой разделительной мембраной 21 первую воспринимающую давление камеру 22 и закрытую второй разделительной мембраной 31 вторую воспринимающую давление камеру 32. Воспринимающий давление блок крепится, например, между двумя на фиг. 1 не представленными фланцами, которые содержат соответственно технологический подсоединительный элемент, через который производится подача замеряемой среды к соответствующей разделительной мембране 21, 31. Воспринимающий давление блок содержит две связанные между собой массивные детали 4, 5, между которыми располагается мембрана 6 перегрузки. С обеих сторон мембраны 6 перегрузки соответствующая смежная деталь 4, 5 содержит выемку. Поверхность дна выемок выполнена одинаковой с поверхностью мембраны, а их стенка является в основном вогнутой. Мембрана 6 перегрузки и противолежащая ей стенка выемки в детали 4 ограничивают первую камеру 23 перегрузки, которая с помощью первой магистрали 24 подключена к первой воспринимающей давление камере 22. Вторая магистраль 25 образует соединение между первой камерой 23 перегрузки и первой камерой 2 для измерения давления. Соответственно мембрана 6 перегрузки и противолежащая ей стенка выемки в детали 5 ограничивают вторую камеру 33 перегрузки, которая с помощью третьей магистрали 34 связана со второй воспринимающей давление камерой 32.-2 005793 Четвертая магистраль 35 образует соединение между второй камерой 33 перегрузки и второй камерой 3 для измерения давления. Первая и вторая камеры 23, 33 перегрузки разобщены между собой мембраной 6 перегрузки. Первая и вторая воспринимающие давление камеры 22, 32, первая и вторая камеры 23, 33 перегрузки, первая и вторая камеры 2, 3 для измерения давления и первая, вторая, третья и четвертая магистрали 24, 25, 34, 35 заполнены жидкостью. Предпочтительно, чтобы она была по возможности несжимаемой жидкостью с низким коэффициентом теплового расширения, например силиконовое масло. Мембрана 6 перегрузки содержит замкнутую наружную кромку и замкнутую внутреннюю кромку и прочно закреплена вдоль своих наружной и внутренней кромок. В представленном на фиг. 1 примере выполнения мембрана перегрузки выполнена тарельчатой формы. Ее внутренняя круговая кромка наварена на деталь 5. Ее наружная, также круговая кромка приварена как к детали 4, так и к детали 5. Благодаря такому сварочному соединению обеспечивается также связь и между обеими деталями 4,5. Ввиду того, что мембрана 6 перегрузки содержит замкнутую внутреннюю кромку, становится возможным пропустить одну или несколько магистралей сквозь мембрану 6 перегрузки. В представленном на фиг. 1 примере выполнения магистраль 25 проходит от первой камеры 23 перегрузки сквозь мембрану 6 перегрузки. Этим достигается то преимущество, что очень трудоемкой при изготовлении оказывается только деталь 5, так как в детали 4 выполнена только одна, а именно, первая магистраль 24. Само собой разумеется, что возможны и другие расположения магистралей, при которых обеспечиваются соединения каждой из камер 23, 33 перегрузки с приданной ей воспринимающей давление камерой 22, 32 и с приданной ей камерой 2, 3 для измерения давления. Отдельные магистрали не должны выполняться полностью разобщенными между собой, они могут быть связаны между собой или содержать участки, общие для нескольких магистралей. Это имеет место, например, в представленных на фиг. 1 магистралях 34 и 35. Дифференциальный датчик давления с мембраной 6 перегрузки, закрепленной по ее замкнутым наружной и внутренней кромкам, по сравнению с традиционными дифференциальными датчиками давления с мембранами перегрузки, содержащими только наружную кромку и в которых прочно закреплена только наружная кромка, при одинаковом объеме, образующемся дополнительно на одной стороне при перегрузке в результате прогиба мембраны 6 перегрузки, характеризуется намного меньшим гистерезисным объемом. Подробнее это будет пояснено приводимым в качестве примера сравнением дискообразной мембраны перегрузки с тарельчатой мембраной перегрузки. Благодаря выполненным магистралям, в данном случае магистралям 25, достигается преимущество,состоящее в том, что с обеих сторон датчика давления возможно непосредственное подведение давления к сенсору 1. Дорогостоящие перепускные магистрали, которые, в частности, используются и вне датчика давления, не требуются в датчике давления, согласно изобретению. Это существенно упрощает конструкцию по сравнению с традиционными датчиками давления, в которых регулярно выполнены перепускные магистрали. Такое конструктивное упрощение сопровождается снижением количества требуемой в датчике давления жидкости для передачи давления. Поскольку жидкость постоянно характеризуется конечным коэффициентом теплового расширения, и вызванное температурой изменение объема изменяет свойства датчика давления, то снижение объема жидкости одновременно означает и повышение точности замера. На фиг. 2 представлен максимальный прогиб "у(r)" дискообразной мембраны перегрузки в качестве функции радиуса. Максимальный прогиб "у(r)" характеризуется приходящимся на середину мембраны максимумом и снижается в направлении к кромкам. На наружной кромке мембраны перегрузки, внешний радиус которой обозначен как "rА", прогиб составляет всегда нуль. Напротив, тарельчатая мембрана перегрузки имеет максимальный прогиб "у(r)", максимальное значение которого располагается между внутренним и внешним радиусами "ri" "rа". На фиг. 3 представлен максимальный прогиб тарельчатой мембраны перегрузки в качестве функции радиуса. Прогиб "у(r)" снижается от максимума в обоих направлениях, на внутренней и наружной кромках радиусы "ri" и "rа" равны нулю. На фиг. 4 представлен объем V(r), содержащийся на бесконечно малом кольцеобразноцилиндрическом участке с радиусом "r" при максимальном прогибе "у(r)" дискообразной мембраны перегрузки в качестве функции радиуса. На фиг. 5 представлен этот же объем V(r) при максимальном прогибе "у(r)" тарельчатой мембраны перегрузки. Объем V(r) выводится из уравнения Дополнительный объем, образующийся на одной стороне при перегрузке в результате прогиба мембраны перегрузки указанных типов, соответствует интегралу от V(r), т.е. от площади под кривой. В результате становится очевидным, что на расположенный внутри участок малого радиуса приходится-3 005793 малая доля указанного объема. На наружный участок приходится большая доля указанного дополнительного объема. Поэтому прочно закрепленная по своей внутренней и наружной кромкам мембрана перегрузки должна иметь лишь незначительно больший внешний диаметр, чем мембрана перегрузки, закрепленная только по наружной кромке, с тем, чтобы в случае перегрузки присутствовал одинаковый дополнительный объем. Необходимый объем задается объемом воспринимающей давление мембраны в ненагруженном состоянии, т.е., когда отсутствует технологическое давление. Если наступает перегрузка, то усилия, воздействующие на выполненную, согласно изобретению,мембрану 6 перегрузки, распределяются в соответствии с удельными долями по внутреннему и наружному креплениям. В соответствии с этим возникающие на наружном креплении напряжения и, следовательно, результирующие отсюда пластические деформации будут меньше, чем в мембране перегрузки без внутреннего крепления. Остаточными деформациями являются удлинения или сжатия мембраны 6 перегрузки. На фиг. 6 представлена деформация обычной дискообразной мембраны перегрузки во время перегрузки. На фиг. 7 представлена деформация тарельчатой мембраны перегрузки при тех же условиях. На обеих фигурах представлена деформация r в зависимости от радиуса "r". Положительные значения r означают удлинение мембраны перегрузки, отрицательные - ее сжатие. Как представлено на фиг. 6, по внешней кромке дискообразной мембраны перегрузки происходит сильное удлинение, а по середине - сжатие. В промежутке происходит плавный переход. В тарельчатой мембране перегрузки по внешней и внутренней кромкам происходит удлинение. Однако ее амплитуда заметно меньше, чем в дискообразной мембране. В результате гистерезисный объем тарельчатой мембраны перегрузки заметно меньше, чем тот же объем дискообразной мембраны перегрузки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Дифференциальный датчик давления, содержащий сенсор (1),первую и вторую камеры (2, 3) для измерения давления, каждая из которых примыкает к сенсору,первую воспринимающую давление камеру (22), закрытую первой разделительной мембраной (21),вторую воспринимающую давление камеру (32), закрытую второй разделительной мембраной (31),первую камеру (23) перегрузки, которая первой магистралью (24) соединена с первой воспринимающей давление камерой (22) и которая второй магистралью (25) соединена с первой камерой (2) для измерения давления,вторую камеру (33) перегрузки, которая третьей магистралью (34) соединена со второй воспринимающей давление камерой (32) и которая четвертой магистралью (35) соединена со второй камерой (3) для измерения давления,жидкость, заполняющую первую и вторую воспринимающие давление камеры (22, 32), первую и вторую камеры (23, 33) перегрузки, первую и вторую камеры (2, 3) для измерения давления, а также первую, вторую, третью и четвертую магистрали (24, 25, 34, 35),мембрану (6) перегрузки, отделяющую первую от второй камеры (23, 33) перегрузки,отличающийся тем, что мембрана (6) перегрузки содержит замкнутые наружную и внутреннюю кромки и прочно закреплена вдоль своих наружной и внутренней кромок, в результате чего наружная и внутренняя кромки мембраны перегрузки не перемещаются относительно друг друга. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что мембрана (6) перегрузки выполнена тарельчатой формы. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что каждая камера (23, 33) перегрузки ограничена мембраной(6) перегрузки и противолежащей ей, по существу, вогнутой стенкой. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что одна из магистралей (25) проходит через центр мембраны