位移式測量壓力傳感器的製作方法

2023-09-17 21:58:10

專利名稱：位移式測量壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種位移式差壓測量壓力傳感裝置，包括傳壓管道及裝在傳壓管道內的膜片、位移傳感器。它可用來測量不同物質的壓力。
在現有技術中，有若干種以不同原理的傳感器測量物質壓力的方案，其中一種是利用膜片、膜盒、波紋片一類彈性物質，根據胡克定律(X＝KP)製成感壓體，將壓力量轉變成位移量，再以一個位移傳感器將該位移量轉換成電信號傳輸給二次儀表進行處理，便可得到準確的被測壓力值。但實際應用中，尤其對高壓密封罐中液位或液體壓力的測量時，已往的傳感器都面臨著精度與測量範圍的矛盾，至今尚無良好的解決方案。此外，現有技術中，按胡克定律進行壓力測量的技術方案和許多非胡克原理測壓技術方案還存在著嚴重的、實質性的缺欠壓力測量的精確度，分辯率受到測量環境溫度的嚴重影響；由於加工工藝的原因，亦受到壓力與位移量之間的非線性關係的嚴重影響。
本實用新型目的在於克服現有技術之不足，提出「先差後測」新思想，克服了測量範圍與精度的矛盾；提供了一種可在原理上下消除溫度對測量精度的影響，並且最大限度地克服位移量與壓力量非線性對測量精度的影響；並且間接地實現溫度測量。本實用新型實現方案如下與現有技術相同，它也包括傳壓管道及裝在其內的膜片、位移傳感器；所不同的是所述傳壓管道的兩端分別接入不同載壓物質，膜片兩側對稱處的傳壓管道中分別各裝一個位移傳感器，傳壓管道外部的套桶。
本實用新型亦可這樣實現的在傳壓管道中，在周邊固定的膜片兩側對稱處，各裝一個位移傳感器，在傳感管道中，在兩位移傳感器外側的對稱處，以膜片封裝，內充矽油。
在上述各方案基礎上，本實用新型還可以在傳壓管道外套裝一個內表面與傳壓管道外表面之間具有間距的園套桶，該套桶跨越傳壓管道中最外部封裝膜片的兩側，其兩端是封閉的，兩封裝膜片的任一外側的傳壓管道壁上開有可使管內傳輸的載壓物質進入圓套桶與傳壓管道之間空間的交流孔。


圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為本實用新型差壓工作補償非線性影響原理示意圖。
圖3為本實用新型差壓工作消除溫度影響原理示意圖。
圖4為本實用新型安裝、調整時不會因操作誤差而影響基本工作性能的原理示意圖。
以下結合附圖，對本實用新型結構及設計原理做一詳述。
如圖1所示，本實用新型從傳壓管道7的兩端分別引入不同載壓物質B、C；管道7內安裝一個膜片3，在膜3兩側管道7內的對稱處分別固定安裝電磁或光纖位移傳感器2、5；波紋片6、8用以分別將載壓物質B、C與傳感器件相隔離，並且將B、C的壓力傳遞給膜片3，為保證這一目的，在波紋片6與膜片3和波紋片8與膜片3之間分別充填等壓矽油；在傳壓管道7的外表套裝著一個園桶套4；該桶套4沿軸向橫跨管道7內波紋片6、8外兩側；載壓物質B一側的傳壓管道7壁上開有交流孔1，這樣就可使物質B充填滿整個套桶4內，使B、C兩物質溫差，在套桶4中得到平衡，達到溫度的一致，使傳感器件2、3、5處於同一溫度，起到溫度的粗補償作用，當然要想獲得更好的溫度補償，就必須讓園桶套4在傳輸物質C一側的空間更大，具體尺寸結構可視需要而定。
本實用新型最基本工作原理是取自不同載壓物質B、C的各自壓力，分別同時作用於模片3兩側，使膜片3在方向相反的兩個壓力合力作用下產生位移，然後在膜片3兩側分別以傳感器測量該位移信號。我們稱為差壓傳感原理。
如圖2所示，設O為膜片3在差壓為零時或初始所處位置，△X為差壓P＝Pb－Po作用膜片3時，膜片3所產生的位移量，－d2、d5分別為傳感器2、5各自所固定的位置。膜片3在其量程範圍內，滿足胡克定律△X＝KP，K為常數。
由上述條件可分別得出兩個傳感器所感應的位移量為L5＝d5－△X (1)L2＝△X＋d2(2)將式(2)－(1)得L2－L5＝2△X＋(d2－d5) (3)如果d2＝d5有L2－L5＝2△X＝2KP (4)只要2、5對稱地處於3的兩側，位移量相差與差壓P完全正比，即測得差壓P值。
當環境溫度發生變化時，傳感器件2、3、5都必然產生相應的膨脹或收縮，造成膜片3相對於傳感器2、5產生相位移量變化，這種位移量變化並非是被測壓力引起的，會造成測量誤差，我們可稱這種誤差為溫度誤差。有圖1中的園桶套4作為一種溫度粗補償結構發揮作用，我們在此可認為傳感器2、3、5周圍環境溫度一致，因此我們只考慮脹、縮的溫度細補償問題，在此設為膨脹狀態。
如圖3所示，O點為膜片3受差壓P＝0時位置；△X為膜片3受差壓P≠0時位移量；△X3T為膜片3在T溫度下膨脹的新位移量；－d2、d5分別為位移傳感器2、5的固定位置；△X2T、△X5T分別為傳感器2、5在T溫度下膨脹的新位移量。
膨脹後位移傳感器2、5分別檢測到膜片3相對位移量為L2＝△X－△X3T－△X2T＋d2(5)L5＝d5－△X－△X3T－△X5T(6)將式(4)－(5)可得L2－L5＝2△X＋(d2－d5)＋(△X5T－△X2T) (7)同樣假設d2＝d5，有L2－L5＝2△X＋(△X5T－△X2T) (8)從式(8)可見溫度影響已經補償很多了，如果在選材質中下功夫，選位移傳感器2、5物質一樣，則式(8)變為L2－L5＝2△X (9)從式(8)，或(9)可以說，本實用新型從原理上將溫度影響基本上完全消除。
膜片3是根據胡克定律製做的，因此作用於它的壓力值與使它產生的位移量基本成正比，但由於加工工藝等諸多原因，不可能是純線性的。不仿設△X＝f(p) (10)
其中P＝Pb－Pc，即差壓值；△X是膜片3的位移量；f(P)是非線性數函數，將式(10)按泰勤級數展開△X＝a0＋a1p＋a2p2＋…… (11)其中a0，a1，a2…an…為常數。
p的方向，視考慮角度定正、負將式(11)代入式(1)、(2)L2＝d2＋f(p)＝d2＋a0＋a1p＋a2p2(12)L5＝d5＋f(－p)＝d5＋a0＋a1(－p)＋a2(－p)2＋… (13)將式(12)－(13)得L2－L5＝(d2－d5)＋2a1p＋2a3p3＋… (14)同樣，假設d2＝d5有L2－L5＝2a1p＋2a3p3＋… (15)從式(4)可知L2－L5∝△X，從式(12)、(13)可知△X與P的高階奇次冪、高階偶次冪有關，而式(15)僅與高階奇次冪有關，與高階偶次冪無關。對位移量與差壓P之間的非線性關係得到極大改善，實際中，a2的＞＞a3，將a2項補償掉，基本可認為非線補償完全成功。
在上述理論推導中，同時假設了位移傳感器2、5固定的位置與膜片3的初始位置的距離絕對相等。但實際組裝調整時，很難做到使它們絕對對稱，尤其要考慮到本實用新型中選用的位移傳感器2、5分辯率高達nm級的事實。
實際上，即使兩個傳感器明顯不對稱於膜片3。本實用新型亦可精確地測量差壓，並且毫不影響溫度、非線性補償的卓越特點，只是差一個固定偏置常數，而在二次儀表中可人為地去偏。
由式(3)可知，當－d2，d5固定d2－d5即為一固定常數L2－L5僅增添一常數項，當溫度變化時，由式(7)可見，其與式(3)一樣，完全實現了溫度的補償特徵。針對非線性補償，如果d2≠d5，本實用新型仍能與d2＝d5時一樣完成非線性補償，見式(14)，僅是增加一固定不變的常數項。
通過上述分析可知，本實用新型具有如下優點1.由於採用兩個位移傳感器測量膜片的壓力感應信號，從原理上實現了對溫度及非線性的補償功能，從本質上提高了壓力測量的精確度。
2.由於實行以膜片位移量反映膜片兩側差壓，實現了直接測量差壓的原理，該方法有效地解決了測量範圍與精確度的矛盾。通常測差壓是分別測得Pb＋Pc；Pc，然後在二次儀表中完成差壓運算(Pb＋Pc)－Pc，這種「先測後差」的工作原理，必然使測量範圍大大增加，使絕對誤差增大；而本實用新型是直接提取差壓信號，即「先差後測」工作原理，實現了測量範圍相對以往方法測量範圍大大減少，使絕對誤差下降。
3.本實用新型可用於高壓密封罐內液體壓力及液位的精確測量。只要將傳壓管道一端接於高壓罐的底部，另一端接高壓罐的頂部，即可測量高壓密封罐的差壓即液壓，經換算可知液位。
權利要求1.位移式測量壓力傳感裝置，包括傳壓管道及裝在其內的膜片、位移傳感器，其特徵是所述傳壓管道(7)的B、C兩端分別接入不同載壓物質，在傳壓管道(7)中，周邊固定的膜片(3)的兩側對稱處分別各固定一個位置傳感器(2)、(5)。
2.位移式測量壓力傳感裝置，包括傳壓管道及裝在其內的膜片、位移傳感器，其特徵是在傳壓管道(7)中，在膜片(3)的兩側對稱處分別各裝一個隔離、傳壓膜片(6)、(8)，在每塊隔離、傳壓膜片與膜片(3)之間的傳壓管道(7)內各裝一個位移傳感器(2)、(5)，在膜片(6)與(3)，(8)與(3)之間的傳壓管道(7)內充填等壓矽油。
3.根據權利要求2所述的傳感裝置，其特徵是在傳壓管道(7)外套裝一個內表面與傳壓管外表面之間具有間距的園桶套(4)，該桶套(4)跨越傳壓管道(7)內的模片(6)、(8)所在位置的外兩側，其兩端頭是封密閉的，模片(6)、(8)之間的任一外側的傳壓管道(7)壁上開有可使管內傳輸的載壓物質進入園桶套(4)與傳壓管道(7)之間空間的交流孔(1)。
專利摘要本實用新型系一種位移式測量壓力傳感器，由傳壓管道及裝在其內的膜片。膜片兩側各一個位移傳感器組成，傳壓管道的兩端分別接入不同載壓物質。本實用新型優點是通過對稱採集信號，徹底根除了溫度變化引起的測量誤差，補償了大部分壓力與位移的非線性因素，而且由於採用「先差後測」的原理，這就縮小了實際測量範圍，可保證絕對誤差的減少，由於膜片兩側充矽油，以膜片封密，可以防爆、防汙染。
文檔編號G01L13/00GK2164036SQ93209960
公開日1994年5月4日 申請日期1993年4月13日 優先權日1993年4月13日
發明者任順平 申請人:任順平