CN100494939C - 压力转换成力的压力传感器/变送器 - Google Patents

Abstract

一种压力转换成力的压力传感器/变送器，包括力传感器及通过连接组件组装的导压元件，其技术要点是：所述导压元件的受力块组装在所述的力传感器上，与受力块连接的上应力杆通过连接硬芯与下矢量杆连接在一起，并沿支撑这两杆的上、下连接件的内腔往复移动，导压元件的受压膜盒固定在连接法兰中，连接在下矢量杆底端的受压体利用至少一层波纹形隔离膜片封装在受压膜盒内。它结构设计更加合理，充分利用力传感器结构简单、成本低，精度高等特点，与导压元件相配合，将压力转换成力，用一种量程的力传感器来分别测量多种量程段的压力，完成测量很高温度与很低温度下的正负压力，明显降低制造成本，显著提高其测量精度和扩大适用范围。

Description

压力转换成力的压力传感器/变送器

技术领域

本发明涉及一种采用力传感器来测量压力的装置，特别是一种测量高、低温介质的正、负压力的压力转换成力的压力传感器/变送器。也可以测量如沥青及焦油等粘稠介质。

背景技术

目前，压力/差压传感(变送)器已广泛应用于电站、石油化工、冶金、造纸、纺织、水利、制药等行业。压力测量中普遍采用充填隔离介质，如用硅油，来隔离测量液体及气体介质的压力。所能充填的介质有限，温度适用范围有限。如硅油的闪点在(一个大气压)250℃左右，耐温最高的汞在356℃就由液态变为气态了。低温测压也受限，用充填液体介质的隔离方法有很大局限性，这些可选用的充填介质在-60℃以下就凝固了。因此，在测量高、低温介质时，一旦冷却介质中断，传感器马上就会失灵或者损坏。

专利文献CN1140782C公开了一种“耐高温压力传感器”，它是由连接在底座中间体的压力膜片、压力传递杆、悬臂梁和硅隔离应变片等构成的应变片式压力传感器。该装置靠压力传递杆和悬臂梁直接连在应变片上，其机械加工误差及温度膨胀引起的误差毫不保留地加到了悬臂梁上，压力传递杆不能太长，长了就会因温度变化而产生极大的误差，悬臂梁与又平、又厚的压力膜片之间太近，固不能测太高温度，只能在0～220℃环境下工作。其应变片是单晶硅元件，使用温度不容易超过150℃，而且水汽还会在低温下凝结在应变片上而使其损坏。应变片不可能做的很大，它不适于直接测量200℃以上高粘稠介质的压力。它只是一个引压口，故不能测差压。专利公告号为CN2159561Y的“高温压力传感器”，是将冷却介质引入了压力传感器作为隔离介质的冷凝式全封闭结构。作为隔离介质的物质受温度影响大，对于传感器/变送器来说，在356℃以上和-60℃以下就不能使用，适用范围有限。

本发明人曾针对现有一些压力传感器存在的制造工艺比较复杂，易受高温介质温度的影响，测量精度较差等问题，设计出一种“远传耐高温压力/差压传感器”(公告号为CN1296687C)，采用隔离膜片推动矢量杆再带动充了隔离介质的隔离膜片的方法来测量高温压力、差压的传感器/变送器，较好地克服了现有技术对高温介质测量存在的缺陷。但是，实际使用中发现该装置还有不尽人意之处，如制造比较麻烦，仍有隔离介质受温度影响，制造成本较高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力转换成力的压力传感器/变送器，它结构设计更加合理，充分利用力传感器结构简单、容易制造、成本低，精度高、长期稳定性好的特点，与波纹隔离膜片、受压体和矢量杆相配合，将压力转换成力，用一种量程的力传感器来分别测量多种量程段的压力，完成测量很高温度与很低温度下的正负压力，明显降低制造成本，显著提高其测量精度和扩大适用范围，

本发明的目的是这样实现的：该装置包括固装在基座的封闭外壳内的力传感器及通过连接组件组装的导压元件，其技术要点是：所述导压元件的受力块组装在所述的力传感器上，与受力块连接的上应力杆通过组装在支撑盒内的连接硬芯与下矢量杆连接在一起，并沿支撑这两杆的所述连接组件中的上、下连接件的内腔往复移动，导压元件的受压膜盒固定在连接组件的连接法兰中，连接在下矢量杆底端的受压体利用至少一层波纹形隔离膜片封装在受压膜盒内。

所述连接上应力杆和下矢量杆的硬芯，利用封装在支撑盒内的弹性波纹膜片支撑限位组装在支撑盒内。

所述利用波纹形隔离膜片封装在受压膜盒内的连接在下矢量杆底端的受压体为两块，并将隔离膜片夹持在两块受压体之间进行密封焊接。

所述连接组件中的上、下连接件的侧壁分别设置只透空气不透水的筛塞。

由于本发明采用常用的结构简单、容易制造、成本低，精度高、长期稳定性好的力传感器，来测量正、负压力，以弹性波纹膜片来固定限位与支撑矢量杆及与矢量杆一体的受压体，受压体与它前面的感压隔离膜片的波纹形状完全匹配吻合，所以被测压力经隔离膜片作用在受压体上，通过受压体与矢量杆就可以将压力转换成力作用到力的传感器上，实现压力测量。只要隔离膜片与受压体及矢量杆能承受的很高温度与很低温度条件下的正、负压力，该装置都可以测量；改变受压体的受压面积，就可用一种量程的力传感器来分别测量多种量程段的压力，显著提高适用范围。因力传感器的成本只是同等压力传感器的1/3，故明显降低制造成本。另外，利用本发明可以制造出很大的压力传感器/变送器，如0-1000MPa；也可以制造很小的压力传感器，如0-10Pa。这样，就可以用很高的力传感器来测量很低的压力，如用80N的力传感器来测量40KPa的压力，因此，显著提高其测量精度和扩大适用范围。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的I型结构示意图。

图2是本发明的II型结构示意图。

图中序号说明：1螺栓；2力传感器；3支撑块；4受力块；5是上应力杆；6基座；7上连接件；8支撑盒；9弹性波纹膜片；10连接硬芯；11下连接件；12下矢量杆；13受压体；14受压膜盒；15波纹形隔离膜片；16连接法兰；17压膜环；18外壳；19密封塞；20引线；21接线端子盒；22、23只透空气不透水的筛塞、24钢丝绳、25锁扣、26受压体。

具体实施方式

根据图1～2详细说明本发明的具体结构和工作过程。该装置主要采用常用的结构简单、容易制造、成本低，精度高、长期稳定性好的力传感器，通过导压元件将压力转换成力作用到力的传感器上，制成测量正压力(图1所示)的I型结构和测量负压力(图2所示)的II型结构的压力传感器/变送器。该装置包括固装在基座6的封闭外壳18内的力传感器2和利用引线20、密封塞19连接的接线端子盒21，以及通过连接组件组装的导压元件等。其中力传感器2可以采用各种类型的市售力传感器，如陶瓷应变体的厚膜烧结应变电阻、激光调阻的力传感器，精度更高，性能优越的硅蓝宝石力传感器等。连接组件和导压元件可采用能耐住测量介质的最高温度或最低温度的材料制成。连接组件包括固定安装力传感器的基座6、上、下连接件7、11、支撑盒8、受压膜盒14、连接法兰等件。导压元件包括受力块4、上应力杆5、利用弹性波纹膜片支撑限位的连接硬芯10、下矢量杆12、受压体13、波纹形隔离膜片15等件。导压元件的受力块4利用螺栓1组装在力传感器2上，力传感.2利用支撑块3和螺栓1固装在基座6的封闭外壳18内。为了使固定力传感器2的基座小一些，受力块4设计成占用空间小的单臂支撑体结构。导压元件的受力块4与上应力杆5的连接结构应根据测量方式确定。测量正压力(图1所示)的I型结构采用接触连接；测量负压力(图2所示)的II型结构通过固定在上应力杆5锁扣和受力块之间的钢丝绳24连接，以确保上应力杆5及受压体13、隔离膜片15至少一个方向可自由运动，特别是在受温度影响的情况下，能有一端自由运动，误差至少可以减少一半。与受力块4连接的上应力杆5通过组装在支撑盒8内的连接硬芯10与下矢量杆12相互连接在一起，并沿支撑这两杆的上、下连接件7、11的内腔往复移动。连接上应力杆5和下矢量杆12的硬芯10，利用封装在支撑盒8内的弹性波纹膜片9支撑限位组装在支撑盒8内。弹性波纹膜片9选用具有一定机械强度的恒弹性材料制成。它也具备以下特点：恒弹性，面积足够大，易焊接。它的作用是保证上应力杆5与下矢量杆12能有一个确定方向及力传感器的零点不易变化。连接硬芯10与弹性波纹膜片9间的固定，采用激光或氩弧焊焊接。导压元件的受压膜盒14固定在连接组件的连接法兰16中，连接在下矢量杆12底端的受压体13利用至少一层波纹形隔离膜片15封装在受压膜盒14内，受压体13下部波纹面与波纹形隔离膜片15的波纹吻合匹配。受压体13与受压膜盒14内径之间的间隙，应根据所测压力的大小及膜片的弹性模量而确定，一般要小于0.5mm。这样既不能让受压体13与膜盒14在高、低温下抱死，又不使隔离膜片15因所受的拉力过大而损坏。连接在下矢量杆12底端的受压体13可根据实际使用情况加工成分体式或整体式结构形式。如制成测量正压力(图1所示)的I型结构时，受压体13与下矢量杆12活动连接在一起，其下部波纹面与波纹形隔离膜片15的波纹吻合匹配，所用受压膜盒14采用分体式组装在一起；如制成测量负压力(图2所示)的II型结构时，受压体为两块，一块是与下矢量杆12直接加工成一体的受压体13，另一块是分体受压体26，并将波纹形隔离膜片15夹持在两块受压体13、26之间进行密封焊接。两块受压体上边的13小一些，以保证膜片的运动，下边的26大一些，以利于膜片抗拉力的能力。所用受压膜盒14采用整体式结构。受压膜盒14底端利用压膜环17将单层或多层波纹形隔离膜片15封接。所采用的波纹形隔离膜片15的厚度足够薄(一般选用20μm～30μm)，应力小，特别是高、低温下应力小。如：选用20μm厚的哈氏合金膜片，三片叠加时，直径φ50mm的受压面积、400℃区域内变化实测到的应力变化≦5Pa。膜片波纹形状完全与受压体13匹配吻合，恒弹性，抗腐蚀，易焊接。只有具备这些特点，才能将压力精准稳定地转换出去，保证在高低温下正常有效地工作。波纹形隔离膜片15一般采用多层，在真空条件下焊接，以确保多层薄膜片之间无气体存在，膜片层数由测量的压力值大小确定。多层结构可提高耐压值，同时又可有效的保持良好的弹性，有效地传递压力信号。隔离膜片15具有柔软高强度特性，不受温度影响。正因为有了这样特性的隔离膜片，焊接到受压膜盒14上去后，与受压体13的波纹形状才能相匹配吻合。为确保上、下连接件7、11的内腔与大气连通，以减少上应力杆5和下矢量杆12在上、下连接件7、11内腔往复移动的阻力，在连接组件中的上、下连接件7、11的侧壁分别设置只透空气不透水的筛塞22、23。

本发明根据压力定义：压力(压强)是单位面积上所受的力。如设压力为P，力为F，面积为S，则有：

P＝F/S............(1)。

从上式中可以看出，如果我们选用一个力传感器后，知道它最高能有效测量多少牛顿的力后，就可计算我们所测压力下的受压力面积，如所选力传感器是80N，要测量40KPa的压力，那么由(1)式得出：

S＝F/P.........(2)，S＝80N/40000Pa＝0.002m²，S＝20cm²。(Pa＝N/m²)

设受压体的直径为φ，再根据圆形面积公式，S＝1/4πφ²，则计算出φ＝5cm，那么φ＝50mm。

在正压测量时，事先确定连接硬芯10到力传感器2的受力块4的受力面之间的距离，上矢量杆的有效长度要比该距离稍大一点。一般长10μm左右，具体还要从传感器零点输出上看，以增加0.5-1.0mV为好，确保无死区。

传感器与电路板的补偿可在装配前或之后进行都可以，标准输出的标定工作都是仪表制造工作中的常规工作。

在负压测量时，隔离膜片15带有自修复能力，此膜片波纹在超过介质温度下成形的圆滑面向着力传感器2的方向，当受温度影响时，膜片如发生形变时，让其应力向着钢丝绳方向，在负压作用下，能立即恢复，钢丝绳不能将此应力传给力传感器，也就无温度影响误差产生了。调整钢丝绳24与下矢量杆12的锁扣25拉紧一点，具体从力传感器2上反映出来的是零点输出高出0.5mV至1.0mV为宜，以防零点有盲区。

其它调整方法完全符合仪表制造规程。

Claims (4)

1、一种压力转换成力的压力传感器或变送器，包括固装在基座的封闭外壳内的力传感器及通过连接组件组装的导压元件，其特征在于：所述导压元件的受力块组装在所述的力传感器上，与受力块连接的上应力杆通过组装在支撑盒内的连接硬芯与下矢量杆连接在一起，并沿支撑这两杆的所述连接组件中的上、下连接件的内腔往复移动，导压元件的受压膜盒固定在连接组件的连接法兰中，连接在下矢量杆底端的受压体利用至少一层波纹形隔离膜片封装在受压膜盒内。

2、根据权利要求1所述的压力转换成力的压力传感器或变送器，其特征在于：所述连接上应力杆和下矢量杆的硬芯，利用封装在支撑盒内的弹性支撑膜支撑限位组装在支撑盒内。

3、根据权利要求1所述的压力转换成力的压力传感器或变送器，其特征在于：所述利用波纹形隔离膜片封装在受压膜盒内的连接在下矢量杆底端的受压体为两块，并将隔离膜片夹持在两块受压体之间进行密封焊接。

4、根据权利要求1所述的压力转换成力的压力传感器或变送器，其特征在于：所述连接组件中的上、下连接件的侧壁分别设置只透空气不透水的筛塞。

Images