CN102169037A - 基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪属压力测量仪器领域，该嵌入式压力测量仪由圆筒状动极板(内筒)、圆筒状定极板(外筒)和圆筒状定极板两端的圆环面状端盖构成的测量电容器、测量电路模块、供电电池组成；测量电容器的定极板构成的圆环柱状的空心内设置有与两极板间构成的测量电容的输出端相连的测量电路，定极板的外壳作地端兼作本测量仪噪声屏蔽壳体；嵌入式压力测量仪优点很多，与现有技术相比，本发明以弹性金属元件制成的无约束圆筒状动极板为敏感元件，在动极板外设置有两端封闭的圆环柱状定极板以构成变间隙式的结构，增大了板间面积，增加了初始电容量，将整个测量电路内置于圆环柱状定极板的空心中，使得压力传感器与测量电路结构紧凑一体化，体积小，成本低，具有很好的推广性。

Description

基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪

一.技术领域

本发明公开的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪属压力测量仪器领域，具体涉及一种用于内腔压力测试的压力测量仪，这是一种利用壳体电容变化测量压力的测量仪器。

二.背景技术

在众多的运输方式中，内腔运输因其可靠性高，运输成本较低，已成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一，而高效、可靠的内腔中流体压力的测量在内腔泄漏检测与定位中处于十分重要的地位，它不仅为高浓度粘稠物料的远距离内腔输送系统的设计提供试验数据，并为建立相关理论奠定基础，同时还是石油、天然气开采的重要条件，也是安全生产的重要保障。因此，对内腔压力检测技术的研究，是一个具有实际意义的工作。

内腔流体压力的测量对这种压力测量仪有如下要求：1.能够在具有高浓度、高粘性、高磨损性等物理特性的被运输物料中工作。2.某些特定环境，如油田现场，多处于野外，因此需在无人值守的情况下进行测量，即要求压力测量仪能够将测试的数据存储下来，事后回放。这不仅要求压力测量仪数据存储容量大，同时功耗要小。3.由于压力内腔输送的流体可能具有有毒性、燃爆性和腐蚀性，且又有高温、高压、低温等特殊操作条件，要求压力测量仪具有耐高压、密封性好、耐腐蚀的特点。总之，内腔流体压力测量的环境恶劣，不仅要求压力测量仪耐腐蚀、适应高低温工作环境、同时要求压力测量仪具有高精度、高可靠性、低功耗的特点。目前，用来测量内腔压力的方法主要有液柱式压力测试方法、弹性式压力检测方法、电气式压力检测方法和活塞式压力检测方法；按照与被测介质是否接触，可以分为接触式测量和非接触式测量方法。

接触式测量方法，例如电容应变式流体压力传感器，从电容传感器的结构出发，利用应变膜片制作电容传感器的电极，设计了一种电容传感器。电容应变式流体压力传感器的结构是：电极为圆形极板，半径为R，在被测流体压力P的作用下，敏感膜片产生弯曲变形，压力P作用于膜片产生变形，通过导杆带动可动极板产生位移，改变了电容的大小，电容的变化量ΔC与压力P成线性关系。通过检测电容的变化量来判断其所受压力。测量时，通常情况下需要在被测对象开一个孔，通过引压管将被测介质引入压力检测仪表的敏感元件处。因此，引压系统的性能和可靠性左右着整个测量系统的性能，如引压管受堵将引起测压不正确；引压管太长使测压系统的动态性能变差等。在压力容器上开孔引压的方法产生的另一个问题是由于开孔使压力容器的强度大大降低，主要表现在：(1)开孔破坏了容器原有的应力分布并引起应力集中；(2)接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力；(3)壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡(即小圆角)而引起应力集中。而应力集中是产生裂纹的主要原因之一，实践证明，压力容器的泄漏和爆炸事故绝大多数起源于裂纹或其它缺陷的扩展。此外，不管任何系统在使用过程中，如果要求临时增加一个检测点，都非常的不方便。而本发明采用将压力测量仪固定在内腔中，利用其存储设备进行存储数据的方式，解决了上述问题。

非接触式测量方法，例如超声波石油内腔压力测量即在内腔外壁夹装超声波换能器，利用超声波进行内腔压力的测量。当流体介质受到的压力增高时，其密度增加，同时弹性模量也增加。这样，当压力变化时会引起介质的两个物理特性发生变化，它们都会对通过其中的超声波速度产生影响。同时产生影响的还有外界温度。通过测量超声波在内腔内传播时间的变化来推导出超声波在内腔内的速度变化，从而确定石油内腔内部压力的变化情况。它存在不足的问题是：(1)测量数据必须经过标准压力表的校正从而提高测量精度，数据处理比较复杂，且是难点。(2)测试电路功耗大、可靠性差、精度低。而本发明利用其大容量存储电路将数据存储后，将其数据读出来，运用相关数据处理软件即可处理数据。即嵌入式电子压力测量仪数据处理简单，功耗低，精度较高。

三.发明内容

本发明的目的是：向社会提供这种基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，该测量仪解决了无损内腔压力和高浓度、高粘性、高磨损性运输物料，及无人值守情况下的流体压力测量难题。

本发明的技术方案是这样的：这种基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点在于：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪是基于由壳体形成的板电容器构成的嵌入式压力测量仪。所谓嵌入式就是该测量仪可嵌入无损被测量压力器具的内腔中，及在无人值守情况下，镶嵌于高浓度、高粘性、高磨损性运输物料的流体内进行压力测量。乃是本发明技术方案的一大特点。

根据以上所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点还有：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪的基于壳体形成的板电容器由圆筒状动极板、圆筒状定极板和圆筒状定极板两端的圆环面状端盖组成。所述的嵌入式压力测量仪的结构，与现有技术相比，本发明以弹性金属元件制成的无约束圆筒状内筒(即动极板)为敏感元件，并在圆筒状动极板外设置两端封闭的外筒(即圆筒状定极板)以构成变间隙式测量电容的结构，将被测量压力转换成电容量的变化，这样的结构增大了板间面积，增加了初始电容量，便于后面的测量和提取。同时，将测量由压力引起的电容量变化的测量电路内置于圆筒状定极板的空心中，使得压力传感器与测量电路结构一体化，结构紧凑，体积小使用范围广，进行内腔压力测试时，能在承受高压的同时，实时实况地测取动态数据，掌握测试环境的压力变化规律。所述的这种结构的测量电容又是本发明技术方案的一大特点。

根据以上所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点还有：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪由圆筒状动极板、圆筒状定极板和圆筒状定极板两端的圆环面状端盖构成的测量电容器、测量电路模块、供电电池组成。所述的测量电路模块可以包括电容传感器信号的采集、转换、处理存储、接口等电路。

根据以上所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点还有：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪的测量电容器动极板呈无约束圆筒状，动极板作为敏感元件由弹性耐腐蚀金属材料如弹簧钢制成，定极板为两端有盖封闭的圆筒状空心圆柱体，定极板由耐腐蚀、耐高温的金属材料构成，动极板与定极板构成同心圆柱体，形成圆环柱形测量电容器。动极板与定极板通过绝缘材料固定在一起，这样，当动极板的压力发生变化时，定极板不会受到影响。本发明将动极板作为压力敏感元件，通过测量动极板与定极板之间的电容变化就可以实现压力的测试。为此要求动极板材料弹性好。由于压力内腔输送的流体可能具有有毒性、燃爆性和腐蚀性，因此需要动极板的材料耐腐蚀性好，而弹簧钢正是满足以上两个要求的材料。所述的动极板所采用的材料——弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比等等)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性能、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。可以看出，选择弹簧钢性能的优劣对本发明的测量仪的测量精确程度至关重要。所以动极板选择使用上述性能的弹簧钢是本发明的又一发明特点。此外对定极板材料的选择和使用也很重要。

根据以上所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点还有：所述的测量电容器的定极板构成的圆环柱状的空心内设置有与两极板间构成的测量电容的输出端相连的测量电路，定极板的外壳作地端兼作本测量仪噪声屏蔽壳体。所述的嵌入式压力测量仪定极板的外壳作为地，该发明特点是用来屏蔽噪声。噪声是泛指干扰和破坏有用信号以外的无用信号。在测量中它严重影响有用信号的测量精度。噪声可能来自电路本身，也可能来自外部环境对其的影响。在内腔压力测量中，噪声主要来自外部环境，为此把定极板的外壳作为地起到屏蔽外来噪声的效果。

根据以上所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点还有：本发明采用测量电路整个设置于封闭的圆环柱状定极板中，基于定极板的外壳作地端，整个测量电路为屏蔽外来噪声并抑制电磁场耦合噪声的测量电路。所述的将整个电路屏蔽起来，使外来噪声尽量少进入电路中。同时屏蔽与接地可以抑制电磁场耦合噪声。这又是定极板的外壳接地结构带来的好处之一。

根据以上所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，技术特点还有：所述的圆环柱形测量电容器内腔中流体通过动极板，压力发生变化，引起圆筒状动极板电容量发生变化，电容量与流体压力间的变化关系按公式(1)计算：

$P=\frac{(a-{\mathrm{be}}^{-\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}{c_l}})(a^2-c^2)E}{{2a}^{2}c}---\left(1\right)$

公式(1)中：P为测量的压力大小，C_l为电容的变化量，E为弹性模量，l为定极板外筒的长度，a为动极板内筒的外径，b为定极板外筒的内径，c为动极板内筒的内径，ε₀为介电常数。使用该测量仪时，将该压力测量仪固定于被测量压力器具的内腔中，当器具内腔中的流体通过测量仪动极板，压力发生变化时，引起圆筒状动极板应力σ、应变ε的改变，圆筒状动极板发生形变，圆筒状动极板与圆筒状定极板之间距离发生变化，圆筒状动极板与圆筒状定极板构成的检测电容的电容量发生变化，电容大小的变化值与压力的变化大小对应，即电容的变化量反映了压力变化的大小。然后，经连接于检测电容输出端的测量电路将电容变化量转换成电压信号，电压信号经A/D转换电路变为数字信号，将数字信号保存至静态RAM中，最后运用相关数据处理软件即可处理数据并将其数据读取出来。

本发明的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪优点有：1.与现有技术相比，本发明以弹性金属元件制成的无约束圆筒状内筒(即筒状动极板)为敏感元件，并在筒状动极板外设置有限长两端封闭的外筒(即圆环柱状定极板)以构成变间隙式检测电容的结构，将被测量压力转换成电容量的变化，这样的结构增大了板间面积，增加了初始电容量，便于后面的测量和提取。2.将测量由压力引起的电容量变化的整个测量电路内置于圆环柱状定极板的空心中，使得压力传感器与测量电路结构一体化，结构紧凑，体积小而使用范围广，进行内腔压力测试时，能在承受高压的同时，实时实况地测取动态数据，掌握测试环境的压力变化规律。3.本发明的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪具有结构简单、体积小、使用范围广(如：油田现场等)、制作成本低等优点。本发明的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪由于上述优点，所以具有很好的推广性。

四.附图说明

本发明的说明书附图共有1幅：

图1为嵌入式压力测量仪结构示意图；

在图1中：1.端盖；2.测量电路；3定极板；4.定极板外壳；5.绝缘垫；6.动极板；7.供电电池。

五.具体实施方式

本发明的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪非限定实施例如下：

实施例一.基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪

该例的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪具体结构由图1示出，这种基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪是基于由壳体形成的板电容器构成的嵌入式压力测量仪。所述的嵌入式就是该测量仪可嵌入无损被测量压力器具的内腔中，并在无人值守情况下，镶嵌于高浓度、高粘性、高磨损性运输物料的流体内进行压力测量。图1示出该例的嵌入式压力测量仪的具体结构，该例的嵌入式压力测量仪由圆筒状动极板6、圆筒状定极板3和圆筒状定极板两端的圆环面状端盖1、还有定极板外壳4构成的测量电容器、测量电路模块2、供电电池7等组成。该例的嵌入式压力测量仪的测量电容器的结构，动极板6呈无约束圆筒状，动极板6作为敏感元件由弹性耐腐蚀金属材料如弹簧钢制成，定极板3为两端有盖1封闭的圆筒状空心圆柱体，定极板3由耐腐蚀、耐高温的金属材料构成，动极板6与定极板3构成同心圆柱体，形成圆环柱形测量电容器。与现有技术相比，本发明以弹性金属元件制成的无约束圆筒状内筒(即圆筒状动极板6)为敏感元件，并在圆筒状动极板6外设置两端封闭的外筒(即圆筒状定极板3)以构成变间隙式测量电容的结构，将被测量压力转换成电容量的变化，这样的结构增大了板间面积，增加了初始电容量，便于后面的测量和提取。动极板6与定极板3通过绝缘材料(绝缘垫5)固定在一起，这样，当动极板6的压力发生变化时，定极板3不会受到影响。本发明将动极板6作为压力敏感元件，通过测量动极板6与定极板3之间的电容变化就可以实现压力的测试。为此要求动极板6材料弹性好。由于压力内腔输送的流体可能具有有毒性、燃爆性和腐蚀性，因此需要动极板6的材料耐腐蚀性好，而弹簧钢正是满足以上两个要求的材料，该例选择使用的弹簧钢的型号入是9255、50CRVA、60Si2MnA等。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比等等)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性能、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。可以看出，选择弹簧钢性能的优劣对本发明的测量仪的测量精确程度至关重要。此外对定极板3材料的选择和使用也很重要。该例将测量由压力引起的电容量变化的测量电路2内置于圆筒状定极板3的空心中，使得压力传感器与测量电路结构一体化，结构紧凑，体积小使用范围广，进行内腔压力测试时，能在承受高压的同时，实时实况地测取动态数据，掌握测试环境的压力变化规律。该例嵌入式压力测量仪的测量电容器的定极板3构成的圆环柱状的空心内设置有与两极板间构成的测量电容的输出端相连的测量电路2，定极板3的外壳4作地端兼作本测量仪噪声屏蔽壳体。该例的测量电路模块2可以包括电容传感器信号的采集、转换、处理、存储、接口等电路。该例的定极板3的外壳4作为地用来屏蔽噪声，噪声是泛指干扰和破坏有用信号以外的无用信号。在测量中它严重影响有用信号的测量精度。噪声可能来自电路本身，也可能来自外部环境对其的影响。在内腔压力测量中，噪声主要来自外部环境，为此把定极板3的外壳4作为地起到屏蔽外来噪声很好的结果。该例的测量电路2整个设置于封闭的圆环柱状定极板3中，基于定极板3的外壳4作地端，整个测量电路2为屏蔽外来噪声并抑制电磁场耦合噪声的测量电路。将整个测量电路屏蔽起来，使外来噪声尽量少进入电路中，同时屏蔽与接地可以抑制电磁场耦合噪声。这又是定极板3的外壳4接地结构带来的好处之一。该例的圆环柱形测量电容器内腔中流体通过动极6板，压力发生变化，引起圆筒状动极板6电容量发生变化，电容量与流体压力间的变化关系按公式(1)计算：

$P=\frac{(a-{\mathrm{be}}^{-\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}{c_l}})(a^2-c^2)E}{{2a}^{2}c}---\left(1\right)$

公式(1)中：P为测量的压力大小，C_l为电容的变化量，E为弹性模量，l为定极板3外筒的长度(如l选择16单位长度)，a为动极板6内筒的外径(如a选择13单位长度)，b为定极板3外筒的内径(如b选择13.3单位长度)，c为动极板6内筒的内径(如c选择10单位长度)，所述的单位长度可以选择公制mm、中国尺寸：分等等，ε₀为介电常数。使用该测量仪时，将该压力测量仪固定于被测量压力器具(如管道)的内腔中，当器具内腔中的流体通过本测量仪的动极板6，压力发生变化时，引起圆筒状动极板应力σ、应变ε的改变，圆筒状动极板6发生形变，圆筒状动极板6与圆筒状定极板3之间距离发生变化，圆筒状动极板6与圆筒状定极板3构成的检测电容的电容量发生变化，电容大小的变化值与压力的变化大小对应，即电容的变化量反映了压力变化的大小。然后，经连接于测量电容器输出端的测量电路2将电容变化量转换成电压信号，电压信号经A/D转换电路变为数字信号，将数字信号保存至静态RAM中，最后运用相关数据处理软件即可处理数据，再通过USB口在计算机上读出来。

实施例二.基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪

该例的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪大体结构如图1示出，该例基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪与实施例一的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪不同点有：该例测量电容器的结构参数分别选择：l＝20单位长度、a＝7.5单位长度、b＝7.7单位长度、c＝6.5单位长度等。该例的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。

实施例三.基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪

该例的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪大体结构如图1示出，该例基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪与实施例一、实施例二的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪不同点有：1.该例测量电容器的结构、各参数尺寸分别选择适配并能现实本发明的测量电容器的测量功能的参数均可采用。2.该例嵌入式压力测量仪的测量电路均可采用公知技术设计实现，也可用公知和商售的电子元器件组装制作，只要能实现测量电路之功能的均可使用。该例的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪其余未述的，全同于实施例一、实施例二中所述的，不再重述。

Claims (7)

1.一种基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪是基于由壳体形成的板电容器构成的嵌入式压力测量仪。

2.根据权利要求1所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪的基于壳体形成的板电容器由圆筒状动极板、圆筒状定极板和圆筒状定极板两端的圆环面状端盖组成。

3.根据权利要求1所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪由圆筒状动极板、圆筒状定极板和圆筒状定极板两端的圆环面状端盖构成的测量电容器、测量电路模块、供电电池组成。

4.根据权利要求1、或2、或3所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪的测量电容器动极板呈无约束圆筒状，动极板作为敏感元件由弹性材料制成，定极板为两端有盖封闭的圆筒状空心圆柱体，定极板由耐腐蚀金属材料构成，动极板与定极板构成同心圆柱体，形成圆环柱形测量电容器。

5.根据权利要求4所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的测量电容器的定极板构成的圆环柱状的空心内设置有与两极板间构成的测量电容的输出端相连的测量电路，定极板的外壳作地端兼作本测量仪噪声屏蔽壳体。

6.根据权利要求5所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的测量电路整个设置于封闭的圆环柱状定极板中，基于定极板的外壳作地端，整个测量电路为屏蔽外来噪声并抑制电磁场耦合噪声的测量电路。

7.根据权利要求6所述的基于壳体电容变化的嵌入式压力测量仪，特征在于：所述的圆环柱形测量电容器内腔中流体通过动极板，压力发生变化，引起圆筒状动极板电容量发生变化，电容量与流体压力间的变化关系按公式(1)计算：

$P=\frac{(a-{\mathrm{be}}^{-\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}{c_l}})(a^2-c^2)E}{{2a}^{2}c}---\left(1\right)$

公式(1)中：P为测量的压力大小，C_l为电容的变化量，E为弹性模量，l为定极板外筒的长度，a为动极板内筒的外径，b为定极板外筒的内径，c为动极板内筒的内径，ε₀为介电常数。