專利名稱：位移式測(cè)量壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位移式差壓測(cè)量壓力傳感裝置，包括傳壓管道及裝在傳壓管道內(nèi)的膜片、位移傳感器。它可用來(lái)測(cè)量不同物質(zhì)的壓力。
在現(xiàn)有技術(shù)中，有若干種以不同原理的傳感器測(cè)量物質(zhì)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(zhì)，根據(jù)胡克定律(X＝KP)制成感壓體，將壓力量轉(zhuǎn)變成位移量，再以一個(gè)位移傳感器將該位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給二次儀表進(jìn)行處理，便可得到準(zhǔn)確的被測(cè)壓力值。但實(shí)際應(yīng)用中，尤其對(duì)高壓密封罐中液位或液體壓力的測(cè)量時(shí)，已往的傳感器都面臨著精度與測(cè)量范圍的矛盾，至今尚無(wú)良好的解決方案。此外，現(xiàn)有技術(shù)中，按胡克定律進(jìn)行壓力測(cè)量的技術(shù)方案和許多非胡克原理測(cè)壓技術(shù)方案還存在著嚴(yán)重的、實(shí)質(zhì)性的缺欠壓力測(cè)量的精確度，分辯率受到測(cè)量環(huán)境溫度的嚴(yán)重影響；由于加工工藝的原因，亦受到壓力與位移量之間的非線性關(guān)系的嚴(yán)重影響。
本實(shí)用新型目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提出“先差后測(cè)”新思想，克服了測(cè)量范圍與精度的矛盾；提供了一種可在原理上下消除溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，并且最大限度地克服位移量與壓力量非線性對(duì)測(cè)量精度的影響；并且間接地實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)方案如下與現(xiàn)有技術(shù)相同，它也包括傳壓管道及裝在其內(nèi)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(zhì)，膜片兩側(cè)對(duì)稱處的傳壓管道中分別各裝一個(gè)位移傳感器，傳壓管道外部的套桶。
本實(shí)用新型亦可這樣實(shí)現(xiàn)的在傳壓管道中，在周邊固定的膜片兩側(cè)對(duì)稱處，各裝一個(gè)位移傳感器，在傳感管道中，在兩位移傳感器外側(cè)的對(duì)稱處，以膜片封裝，內(nèi)充硅油。
在上述各方案基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以在傳壓管道外套裝一個(gè)內(nèi)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(cè)，其兩端是封閉的，兩封裝膜片的任一外側(cè)的傳壓管道壁上開(kāi)有可使管內(nèi)傳輸?shù)妮d壓物質(zhì)進(jìn)入圓套桶與傳壓管道之間空間的交流孔。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型差壓工作補(bǔ)償非線性影響原理示意圖。
圖3為本實(shí)用新型差壓工作消除溫度影響原理示意圖。
圖4為本實(shí)用新型安裝、調(diào)整時(shí)不會(huì)因操作誤差而影響基本工作性能的原理示意圖。
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理做一詳述。
如圖1所示，本實(shí)用新型從傳壓管道7的兩端分別引入不同載壓物質(zhì)B、C；管道7內(nèi)安裝一個(gè)膜片3，在膜3兩側(cè)管道7內(nèi)的對(duì)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(zhì)B、C與傳感器件相隔離，并且將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之間分別充填等壓硅油；在傳壓管道7的外表套裝著一個(gè)園桶套4；該桶套4沿軸向橫跨管道7內(nèi)波紋片6、8外兩側(cè)；載壓物質(zhì)B一側(cè)的傳壓管道7壁上開(kāi)有交流孔1，這樣就可使物質(zhì)B充填滿整個(gè)套桶4內(nèi)，使B、C兩物質(zhì)溫差，在套桶4中得到平衡，達(dá)到溫度的一致，使傳感器件2、3、5處于同一溫度，起到溫度的粗補(bǔ)償作用，當(dāng)然要想獲得更好的溫度補(bǔ)償，就必須讓園桶套4在傳輸物質(zhì)C一側(cè)的空間更大，具體尺寸結(jié)構(gòu)可視需要而定。
本實(shí)用新型最基本工作原理是取自不同載壓物質(zhì)B、C的各自壓力，分別同時(shí)作用于模片3兩側(cè)，使膜片3在方向相反的兩個(gè)壓力合力作用下產(chǎn)生位移，然后在膜片3兩側(cè)分別以傳感器測(cè)量該位移信號(hào)。我們稱為差壓傳感原理。
如圖2所示，設(shè)O為膜片3在差壓為零時(shí)或初始所處位置，△X為差壓P＝Pb－Po作用膜片3時(shí)，膜片3所產(chǎn)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在其量程范圍內(nèi)，滿足胡克定律△X＝KP，K為常數(shù)。
由上述條件可分別得出兩個(gè)傳感器所感應(yīng)的位移量為L(zhǎng)5＝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(duì)稱地處于3的兩側(cè)，位移量相差與差壓P完全正比，即測(cè)得差壓P值。
當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感器件2、3、5都必然產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹或收縮，造成膜片3相對(duì)于傳感器2、5產(chǎn)生相位移量變化，這種位移量變化并非是被測(cè)壓力引起的，會(huì)造成測(cè)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，我們?cè)诖丝烧J(rèn)為傳感器2、3、5周圍環(huán)境溫度一致，因此我們只考慮脹、縮的溫度細(xì)補(bǔ)償問(wèn)題，在此設(shè)為膨脹狀態(tài)。
如圖3所示，O點(diǎn)為膜片3受差壓P＝0時(shí)位置；△X為膜片3受差壓P≠0時(shí)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。
膨脹后位移傳感器2、5分別檢測(cè)到膜片3相對(duì)位移量為L(zhǎng)2＝△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(shè)d2＝d5，有L2－L5＝2△X＋(△X5T－△X2T) (8)從式(8)可見(jiàn)溫度影響已經(jīng)補(bǔ)償很多了，如果在選材質(zhì)中下功夫，選位移傳感器2、5物質(zhì)一樣，則式(8)變?yōu)長(zhǎng)2－L5＝2△X (9)從式(8)，或(9)可以說(shuō)，本實(shí)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(jù)胡克定律制做的，因此作用于它的壓力值與使它產(chǎn)生的位移量基本成正比，但由于加工工藝等諸多原因，不可能是純線性的。不仿設(shè)△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(shù)函數(shù)，將式(10)按泰勤級(jí)數(shù)展開(kāi)△X＝a0＋a1p＋a2p2＋…… (11)其中a0，a1，a2…an…為常數(shù)。
p的方向，視考慮角度定正、負(fù)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(shè)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(guān)，而式(15)僅與高階奇次冪有關(guān)，與高階偶次冪無(wú)關(guān)。對(duì)位移量與差壓P之間的非線性關(guān)系得到極大改善，實(shí)際中，a2的＞＞a3，將a2項(xiàng)補(bǔ)償?shù)?，基本可認(rèn)為非線補(bǔ)償完全成功。
在上述理論推導(dǎo)中，同時(shí)假設(shè)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(duì)相等。但實(shí)際組裝調(diào)整時(shí)，很難做到使它們絕對(duì)對(duì)稱，尤其要考慮到本實(shí)用新型中選用的位移傳感器2、5分辯率高達(dá)nm級(jí)的事實(shí)。
實(shí)際上，即使兩個(gè)傳感器明顯不對(duì)稱于膜片3。本實(shí)用新型亦可精確地測(cè)量差壓，并且毫不影響溫度、非線性補(bǔ)償?shù)淖吭教攸c(diǎn)，只是差一個(gè)固定偏置常數(shù)，而在二次儀表中可人為地去偏。
由式(3)可知，當(dāng)－d2，d5固定d2－d5即為一固定常數(shù)L2－L5僅增添一常數(shù)項(xiàng)，當(dāng)溫度變化時(shí)，由式(7)可見(jiàn)，其與式(3)一樣，完全實(shí)現(xiàn)了溫度的補(bǔ)償特征。針對(duì)非線性補(bǔ)償，如果d2≠d5，本實(shí)用新型仍能與d2＝d5時(shí)一樣完成非線性補(bǔ)償，見(jiàn)式(14)，僅是增加一固定不變的常數(shù)項(xiàng)。
通過(guò)上述分析可知，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1.由于采用兩個(gè)位移傳感器測(cè)量膜片的壓力感應(yīng)信號(hào)，從原理上實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度及非線性的補(bǔ)償功能，從本質(zhì)上提高了壓力測(cè)量的精確度。
2.由于實(shí)行以膜片位移量反映膜片兩側(cè)差壓，實(shí)現(xiàn)了直接測(cè)量差壓的原理，該方法有效地解決了測(cè)量范圍與精確度的矛盾。通常測(cè)差壓是分別測(cè)得Pb＋Pc；Pc，然后在二次儀表中完成差壓運(yùn)算(Pb＋Pc)－Pc，這種“先測(cè)后差”的工作原理，必然使測(cè)量范圍大大增加，使絕對(duì)誤差增大；而本實(shí)用新型是直接提取差壓信號(hào)，即“先差后測(cè)”工作原理，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量范圍相對(duì)以往方法測(cè)量范圍大大減少，使絕對(duì)誤差下降。
3.本實(shí)用新型可用于高壓密封罐內(nèi)液體壓力及液位的精確測(cè)量。只要將傳壓管道一端接于高壓罐的底部，另一端接高壓罐的頂部，即可測(cè)量高壓密封罐的差壓即液壓，經(jīng)換算可知液位。
權(quán)利要求1.位移式測(cè)量壓力傳感裝置，包括傳壓管道及裝在其內(nèi)的膜片、位移傳感器，其特征是所述傳壓管道(7)的B、C兩端分別接入不同載壓物質(zhì)，在傳壓管道(7)中，周邊固定的膜片(3)的兩側(cè)對(duì)稱處分別各固定一個(gè)位置傳感器(2)、(5)。
2.位移式測(cè)量壓力傳感裝置，包括傳壓管道及裝在其內(nèi)的膜片、位移傳感器，其特征是在傳壓管道(7)中，在膜片(3)的兩側(cè)對(duì)稱處分別各裝一個(gè)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(nèi)各裝一個(gè)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(nèi)充填等壓硅油。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感裝置，其特征是在傳壓管道(7)外套裝一個(gè)內(nèi)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(nèi)的模片(6)、(8)所在位置的外兩側(cè)，其兩端頭是封密閉的，模片(6)、(8)之間的任一外側(cè)的傳壓管道(7)壁上開(kāi)有可使管內(nèi)傳輸?shù)妮d壓物質(zhì)進(jìn)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(shí)用新型系一種位移式測(cè)量壓力傳感器，由傳壓管道及裝在其內(nèi)的膜片。膜片兩側(cè)各一個(gè)位移傳感器組成，傳壓管道的兩端分別接入不同載壓物質(zhì)。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)稱采集信號(hào)，徹底根除了溫度變化引起的測(cè)量誤差，補(bǔ)償了大部分壓力與位移的非線性因素，而且由于采用“先差后測(cè)”的原理，這就縮小了實(shí)際測(cè)量范圍，可保證絕對(duì)誤差的減少，由于膜片兩側(cè)充硅油，以膜片封密，可以防爆、防污染。
文檔編號(hào)G01L13/00GK2164036SQ93209960
公開(kāi)日1994年5月4日 申請(qǐng)日期1993年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月13日
發(fā)明者任順平 申請(qǐng)人:任順平