CN1040682A - 差压传感器 - Google Patents

Abstract

一个差压传感器，包括：布置在一个物件两侧的两个压力接收膜，物体外面固定有确定的两个槽，槽内充满压力传递介质；布置在两个压力接收膜之间的一个中心膜，这样就确定了有两个箱室，在该物体内部充进压力传递介质；两个主传递通道，分别在两个箱室和两个槽之间传递；两个副传递通道，传递该两个箱室的压力；还包括：装有两个压力测量室的一个差压敏感元件，接收该两个副传递通道到该两个槽所传递的压力并把该两个压力的差压转换成电信号。

Description

本发明涉及的是一种差压传感器，具体地说，本发明的传感器有一种适宜的结构，能预防差压检测膜的损坏，即使在用孔板对前后两点之间的差压进行测量时，差压发生突然改变或在差压变化很大，也能做到预防。

我们来阐述这种类型常规差压传感器的结构。当加入一个差压Δp时，这个差压Δp就传递到测量膜的正面和反面，测量膜上装着压敏元件，如半导体压敏传感器，差压被转换成与Δp成正比的电信号，它的输出被送到外面去。

当差压Δp变大时，压敏元件的输出也随之增加。若Δp再进一步变大，那么接收压力的膜就固定在传感器的波状部分。所以，当Δp再增大一点，Δp就停在图4（a）所示的预定值上，同时压敏元件的输出ΔE也保持在一个确定的饱和输出值ΔE′上。这个机理通常称为“预防机理”，甚至当超过测量范围的过量差压加到差压传递通道中的压敏元件上时，能预防测量膜的损坏。

作为与此技术领域相关联的先有技术参考，已由美国专利4713969和日本已公开专利60-237337/1985和60-238732/1985中提到。

但是，上面描述的工作是在被测压力静态加入的情况了发生的。而在实际设备中有这种情况：压力急剧改变或者压力猛地加入。因此，装有压敏元件的测量膜所特有的预防机理应该是阻止超过允许范围的差压甚至在这样的状况下加到测量膜上。例如，如果一个截流阀的工作取决于设备在差压测量期间的任一状态且流通率的测量猛地停止，那么急剧的压力上升就象图4（b）中Δp所表示的那样发生在测量设备中，这是一种冲击压力，通常称为“水锤”或“汽锤”，这个压力加到差压传感器上就会终于损坏装有压敏元件的测量膜。

正如以上所述，先有技术只考虑被测压力静态变化时的过荷预防机理而不考虑装有敏感元件的测量膜在被测压力急剧上升或改变时预防其损坏的方法。因此，这就存在一个测量膜因瞬时冲击压力而被损坏的问题。

鉴于上述的先有技术所存在的问题，本发明的目标是提供一种差压传感器，其结构使压力的传递能和缓地进行，如图4（b）中的ΔE₂那样（ΔE′～ΔE″），甚至对于瞬时冲击压力，象被测压力的急剧上升或变化，都能防止压敏元件的测量膜的损坏，并且具有较高的可靠性和较高的耐久性。

本发明的差压传感器包含有一个主传递通道系统和一个副传递通道系统，主传递通道系统包括：一个箱室、通到敏感元件的传递通道以及压力测量室;副传递通道系统包括：另外一个箱室、通到该敏感元件的另一传递通道以及另一个压力测量室。本发明设这两个系统中通到箱室的传递通道其直径在数值上至少等于由压力传递介质的粘度弹性模量和体积弹性模量、通到敏感元件的传递通道的形状以及压力测量室的体积所决定的常数，这样做是为了减少每个传递通道在从压力接收槽到连接中心膜的箱室间运行的阻力。因此，一个急剧的瞬态压力就被连接中心膜的箱室所吸收，也就不会传递到压力测量室去了。

本发明的结构中，主传递通道的固有振动值和增益等于副传递通道的固有振动值和增益，且由每个传递通道的形状和体积所决定。因此，瞬时压力不会象差压那样传递到压敏元件上去，于是能够防止压敏元件遭受破坏。

图1是按照本发明的一个实施例，表示了一个差压传感器的轴向剖面图;

图2是图1所示差压传感器的模型图;

图3是决定图1响应特性的方框图;

图4表示图1所示差压传感器的响应。

下面将依照图1～图3详细描述本发明最佳实施例。

图1是按照本发明的一个实施例，表示了该差压传感器的轴向剖面图。在图1中，考虑数字1表示一个物件，其两边部分呈波状。高挠性的高压侧压力接收膜12和低压侧压力接收膜13被装配得紧靠物件1的两边表面部分，用这样的方法使之含围着它们，物件1的两边波状部分与压力接收膜12，13有相同的波状，所以彼此进入紧密配合，且高压接收槽14和低压接收槽15分别由两边波状部分与压力接收膜12，13之间的间隙来确定。物件1提供有一个接通高压接收槽14的高压侧传递通道16、一个接通低压接收槽15的低压侧传递通道17和一个中心膜4，中心膜4是插在传递通道16和17之间的，用这样的方法来确定出一个与中心膜4相连的高压侧箱室41和一个也与中心膜4相连的低压侧箱室42。高压侧传递通道51和低压侧传递通道52分别连接到压敏元件6的两边且在物件1中形成，这是为了便于在插入中心膜4而形成的两个箱室41，42与由压敏元件6的测量膜所分隔成的高压侧压力测量室71和低压侧压力测量室72之间分别进行传递。

压敏元件6包括，例如一个半导体压敏传感器，它将测量室71和72之间的差压转换成一个电信号，它的输出信号通过牢牢密封的插针8被取出到传感器外面。

压力传递介质22，如硅油，通过密闭部分18，19被充填到上述结构的压力测量槽14，15;传递通道16，17;箱室41，42;传递通道51，52以及压力测量室71，72之中，且由密闭口20，21使之与外界空气隔绝。

在本发明中，当形成每个箱室41，42，每个测量室71，72和每个传递通道16，17，51，52特别是传递通道16，17和51，52时，依靠选择传递通道系统的流体阻抗和传递通道系统的各个常数，对传递通道系统的形状，每个箱室41，42，71，72和中心膜4的弹性常数予以选取，因此，即使在被测压力P_H，P_L发生急剧变化和加入压力（冲击压力）时，具有压敏元件6的测量膜也不会遭受破坏。下面将阐述这样一种特有结构的具体实施例。

当图1所示的差压传感器的机械系统转换成模型的时候，我们可以把它表达成象图2所示那样的流体弹性质量系统的复合系统。这里，中心膜4和包括压敏元件6在内的测量膜都是弹性/质量系统，其质量分别是m_c，m_s，弹性常数分别是Kc，Ks，表面积分别是Ac，As。传递通道系统形成的高压侧传递通道16和低压侧传递通道17其内径为d_h，d_l，长度为l_h，l_l，截面积为A_h，A_l，流体阻抗为R_h，R_l，流体惯性阻抗为L_h，L_l。传递通道系统形成的高压侧传递通道51和低压侧传递通道52其内径为d_sh，d_sl，长度为l_sh，l_sl，截面积为A_sh，A_sl，流体阻抗为R_sh，R_sl，流体惯性阻抗为L_sh，L_sl。高压 箱室41和低压侧箱室42其体积为V_ch，V_cl，高压侧测量室71和低压侧测量室72其体积为V_sh，V_sl。密闭在传递通道、箱室和测量室中的压力传递介质22的密度为 ，体积弹性模量为K，粘度为μ。

在有这些物理常数的流体弹性/质量系统的复合系统中，让我们来检查差压，即发生在有压敏元件6的测量膜两边高压侧测量室71和低压侧测量室72的压力之差，一个急剧的压力变化（冲击压力）加到高压侧压力接收膜12或加到低压侧压力接收膜13或同时加到高低压两侧接收膜12和13上。

今假定，被测量的压力P_H或P_L是逐步地加在压力接收膜12和13上的。此时，压力接收膜12向低压侧或向高压侧移动并将一预定的流通率Q释放到传递通道16。这个预定的流通率Q为箱室41所吸收，同时释放到箱室42并进一步释放到传递通道17。另一方面，箱室41和42的压力由上述流通率Q的释放量所决定。这两个压力通常是由传递通道16，17的流体阻抗R_h，R_l和流体惯性阻抗L_h，L_l来决定的。举例来说，如果R_h，L_h《R_l，L_l，那么时间周期就变长了，在此时间里，箱室41和42所呈现的压力值在初始阶段是相同的。在两个箱室41和42中发生的流通率和压力分别通过高压侧传递通道51和低压侧传递通道52传递到高压侧压力测量室71和低压侧压力测量室72。这个传递决定于两个传递通道51，52的流体阻抗R_sh，R_sl和流体惯性阻抗L_sh，L_sl以及两个测量室71，72的体积V_sh，V_sl。作为一个例子，假定R_sh，L_sh《R_sl，L_sl（设测量室71，72的体积V_sh，V_sl彼此相等），那么箱室41的压力通过高压侧传递通道51的传递就要比箱室42的早。

正如以上所述，因为每个测量室71，72的压力取决于所有构成部件的参量，所以压力的计算就不容易。因此，这就决定了我们主要决定每个部件当建立各自的传递功能时每个部件之间输入-输出关系的传递函数。当用这种方法将图2转换成方框图时，就能表达成图3所示的那样。

在配置图3所示的方框图中，有压敏元件6的测量膜在质量、弹性常数和表面积诸项和中心膜4之间在结构上或功能上其关系如下：

m_c》m_s，K_s》K_c，A_c》A_s

因此，测量膜6被看作是刚性稳定的。于是，图2的模型能用比较简单的方框图来表达，即可表达成两个初级延时部件、三个次级延时部件和两个积分部件。在图3中，T_h和T_l分别是传递通道16和17的时间常数，K_h和K_l是它们的增益，各由下列公式给出：

其中ν：动粘度的系数。符号K_h′，K_l′，G_h，G_l为增益，由压力传递介质的承压率（l/K）和中心膜4的体积V_ch，V_cl表面积A_c来决定，各由下列公式给出：

符号ω_n和K_c是中心膜4的固有振动值和增益，由下列公式给出：

ω_n= $\sqrt{K_C\mathrm{/m}{}_C}$

K_c＝A_c/m_c(3)

符号K_sh，ω_nh，sh，K_sl，ω_nl是sl是导管装置传递常数，由每个传递通道51，52以及测量室71，72的体积V_sh，V_sl来决定，各由下列公式给出。

K_sh＝K·A_sh/ ·l_sh·V_sh（4）

K_sl＝K·A_sl/ ·l_sl·V_sl（5）

ω_nh＝K·A_sh/

·l_sh·V_sh（6）

ω_nl＝K·A_sl/

·l_sl·V_sl（7）

sh=16ν/dn²· 1/(ω_nh) （8）

sh=16ν/dl²· 1/(ω_nl) （9）

当被测压力P_H或者P_L急剧地加入或急剧改变时，或者这两个压力P_H，P_L都急剧地加入或急剧改变时（图3这样的方框图），本发明检查该情况下测量室71，72之间的差压ΔP描述了一个不含高频分量的响应波，如图4（b）所示，每个构成部件的最佳值决定于图3所示方框图中每个部件的物理参量的变化。

为了决定图2和图3的模型和方框图中的瞬时特性，首先要检验由中心膜4所确定的箱室41、42的压力传递。这个压力传递取决于通到高、低侧箱室41，42的传递通道16，17的流体阻抗（R），流体惯性阻抗（L）和体积。因此，要作的检查是如何让压力传递介质22尽可能快地流出到相反的一侧，起作用的一侧。介质在压力接收槽14，15的高压一侧或低压一侧或同时在两侧中流动。压力传递介质的平稳流动是基于这样的概念：中心膜4获得快而正常的工作，且防止箱室41，42出现过量的压力。

所以，最需要的是在传递通道16，17和箱室41，42形成的导管装置系统中，流体阻抗要尽可能地小。但是，欲克服静态过荷而配置的压力接收膜12，13的强度总有一个限度，而且对传递通道16，17的形状作设计所提供的流体阻抗也应该有一定的范围。因此，上述流体阻抗的最小化有一个限制。

我们已经发现，上述的物件实际上是能够实现的，这只要使压力传递介质的流动是平稳的且给定一个能够衰减瞬时压力的流体阻抗值，甚至当这样的一种压力出现在箱室41，42，通过传递通道51，52扩展到测量室71，72时亦如此。按此条件，通到压力接收槽14，15的传递通道16，17的直径d_i用压力传递介质和通向压敏元件6的传递通道51，52之物理常数的参量表示成下列各式：

$\frac{d_i{}^2}{\mathrm{32}}\ge \frac{2}{\sqrt{{\mathrm{K\; ·A}}_{\mathrm{s\; i}}{\mathrm{/\; q\; ·l}}_{\mathrm{s\; i}}{\mathrm{·V}}_{\mathrm{s\; i}}}}\mathrm{(10)}$

其中i＝h，l

上面阐述了本发明的结构，在那里瞬时压力本身不能轻易地传递到每个测量室。下面将阐述本发明的装置防止压力之差的传递，甚至当瞬时压力出现在箱室41，42以差压方式传到测量室71，72的时候亦能防止。

当瞬时压力P_H′，P_L′分别出现在高压侧箱室41和低压侧箱室42的时候，这两个压力分别通过高压侧传递通道51和低压侧传递通道52传递到高压侧测量室71和低压侧测量室72。

此时，由图3的方框图，测量室71，72的压力P_H″和P_L″表示成下面两个式子：

PH″= (K_sh)/(S²+2ξ_n·ω_nh+ω² _nh) ·PH′（12）

PL″= (K_sl)/(S²+2ξ_l·ω_nl+ω² _nl) ·PL′（13）

如果中心膜的响应不强烈且对急剧的压力变化不响应，那么箱室41，42的两个压力P_H′和P_L′就变得相等，P_H′＝P_L′，而这是最坏的情况。因为瞬时压力此时变得最大，所以差压P_H″-P_L″就发生在测量室71和72之间。当这个差压超过了有压敏元件6的测量膜的承受值时，测量膜即遭破坏。因此，为了防止测量膜的破坏，本发明使膜的固有振动在数值上与其增益精确相等，于是，视在的差压就不会出现在上述的关系式中。换句话说，在上述的关系式中，由传递通道51，52以及测量室71，72及箱室41，42的形状和体积所决定的导管装置常数（上述的传递关系）在高压侧和在低压侧被作得一样。更确切地说，每个传递通道系统的固有振动值和增益被作作得彼此相等。当下列两式（14）和（15）建立时，这个条件式就能得到满足：

ω_nh＝ω_nl（14）

K_sh＝K_sl（15）

从上面提到的公式（4）～（9）的相互关系，能重新整理成下式：

(V_sl)/(V_sh) =( (d_sl)/(d_sh) )²·( (l_sh)/(l_sl) )（16）

如果我们以这种方法来决定每个导管装置系统的形状和体积使之满足这个假定式，发生在压敏元件6的膜中的压力又不以差压出现，那么压敏元件6的膜就不会破坏。

现在来阐述按照上述本发明的方法所构造的差压传感器的确切结构构数据。在图1中，高压侧测量室71和低压侧测量室72的体积互不相同且传递通道51和52的形状（直径，长度）亦各有异。此时，如上所述对每个传递通道16，17和51，52设置传递通道阻抗和常数。假定，高压侧传递通道51和低压侧传递通道52的每个长度以及高压侧压力测量室71和低压侧压力测量室72的每个体积已定，且此时低压侧传递通道52的直径和传递通道16，17的最小直径必须要决定。

当高压侧传递通道51的内径d_sh是3mm，长度l_sh是50mm，低压侧传递通道52的内径是d_sl，长度l_sl是20mm，高压侧压力测量室71的体积V_sh是l_cc，低压侧压力测量室72的体积V_sl是0.1cc，并且高压侧传递通道16和低压侧传递通道17的半径分别为d_h，d_l（其中Vc_h＝V_cl），低压侧传递通道52的内径由下式给出：

d_sl＝ $\sqrt{{\mathrm{(0.1)\times 5/2\times 0.3}}^2}$

＝1.5（mm）

高压侧传递通道16和低压侧传递通道17的最小内径分别是

$d_h\≥15\×\sqrt[4]{(2.9\×{10}^{-7}\×0.3/5000)\·5\×1/{0.3}^2}$ $d_l\≥15\×\sqrt[4]{(2.9\×{10}^{-7}\×0.3/5000)\×2\×1/0.15^2}$

d_h≥0.8（mm）

d_l≥0.6（mm）

其中的参量如下：

压力传递介质的物理常数

K＝5000Kgf/cm²

Δν＝0.3cm²/S

μ＝2.9×10^-7Kgf·S/cm²

如果传递通道能够满足这些形状，那么就有可能对压敏元件的测量膜的高压侧和低压侧上设置相同等级的压力传递速度和辐度，就能够最大可能地衰减瞬时压力。因此，当瞬时压力同时加到测量膜的高压侧和低压侧时，差压不含在测量膜上过量地起作用。

进一步说，即使上面提到的急剧压力（冲击波的压力）加到箱室时，测量膜也不会破坏，因为这个压力加到该处之前就被衰减了。

虽然这个实施例举的是低压侧传递通道52的形状是均匀矩形的例子，不过当它的形状（直径）与高压侧传递通道51的形状一样或者低压侧传递通道52有一个按理论公式的预定结构时，本发明的结果并不改变。在这个实施例中，虽然低压侧传递通道52或17是由高压侧传递通道的阻抗和常数来决定的，但是，反过来说，甚至当高压侧传递通道的阻抗和常数是由以理论公式为基础的低压侧传递通道的阻抗和常数来决定时，本发明的结构仍然是完全不变。

如上所述，根据本发明，甚至当发生急剧的压力上升或者压力变化时，它的冲击压能够同时传递到有压敏元件的测量膜的两边而没有相位差，所以过量的差压是不会加到测量膜的两个表面的。即使这个差压加上了，它也会被有效地衰减，膜就不会遭受此压力的破坏，因此，差压传感器的耐久性得到了改善。更进一步说，甚至在测量时高压侧和低压侧存在一个同步压力波动，它的脉动差压也能无相差地同时传递，所以在差压测量中不会发生任何错误，且差压传感器的测量精度能够获得改善。

Claims (7)

1、一个差压传感器，包括：

布置在一个物件两侧的两个压力接收膜，物件外面固定有确定的两个槽，槽内充满了压力传递介质；

布置在所述两个压力接收膜之间的一个中心膜，这样就确定了有两个箱室，在所述物件内部充进所述的压力传递介质；

两个主传递通道，分别在所述的两个箱室和所述的两个槽之间传递；

两个副传递通道，传递所述两个箱室的压力；和

装有两个压力测量室的一个差压敏感元件，接收由所述的两个副传递通道所传递的压力并把两个压力的差压转换成电信号；在那里，所述主传递通道的直径D在设置时满足下列关系：

2、按照权利要求1的差压传感器，其中，所述的两个压力测量室以及所述的两个副传递通道其每一个的形状和体积已给定，所以，所述的两个压力测量室及所述的两个通向槽的副传递通道，其中之一的固有振动值和增益基本上等于另一个的固有振动值和增益。

3、按照权利要求1的差压传感器，其中，所述的两个压力测量室以及所述的两个通向槽的副传递通道其每一个的形状和体积已给定定，所以，所述的两个压力测量室，所述的两个通向槽的副传递通道和所述的两个箱室，其中之一的固有振动值和增益基本上等于（所述的两个压力测量室、所述的两个通向槽的副传递通道和所述的两个箱室的）另一个的固有振动值和增益。

4、一个差压传感器，包括：

布置在一个物件两侧的两个压力接收膜，物件外面固定有确定的两个槽，槽内充满了压力传递介质;

布置在所述两个压力接收膜之间的一个中心膜，这样就确定了有两个箱室，在所述物件内部充进所述的压力传递介质;

两个主传递通道，分别在所述的两个箱室和所述的两个槽之间传递;

两个副传递通道，传递所述的两个箱室的压力;和

装有两个压力测量室的一个差压敏感元件，接收由所述两个副传递通道所传递的压力并把两个压力的差压转换成电信号;在那里，所述的两个压力测量室和所述的两个副传递通道的每一个其形状和体积已给定，所以，所述的两个压力测量室和所述的两个副传递通道，其中之一的固有振动值和增益基本上等于另一个的固有振动值和增益。

5、按照权利要求4的差压传感器，其中，所述的两个主传递通道的每一个的直径D在设置时满足下列式子：

6、一个差压传感器，包括：

布置在一个物件两侧的两个压力接收膜，物件外面固定有确定的两两个槽，槽内充满了压力传递介质;

布置在所述两个压力接收膜之间的一个中心膜，这样就确定了有两个箱室，在所述物件内部充进所述的压力传递介质;

两个主传递通道，分别在所述的两个箱室和所述的两个槽之间传递;

两个副传递通道，传递所述两个箱室的压力;和

装有两个压力测量室的一个差压敏感元件，接收由所述的两个副传递通道所传递的压力并把两个压力的差压转换成电信号;在那里，所述的两个压力测量室，所述的两个副传递通道和所述的两个箱室，其经改进的每一个的形状和体积已确定，所以，所述的两个压力测量室、所述的两个副传递通道和所述的两个箱室，其中之一的固有振动值和增益等于另一个的固有振动值和增益。

7、按照权利要求6的差压传感器，其中，所述的两个主传递通道的每一个直径D在设置时满足下列式子：

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