CN108507715A - 一种适用于微差压变送器的浮动膜盒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及差压变送器技术领域，具体公开了一种适用于微差压变送器的浮动膜盒，其中，包括：传感器部件、杯体部件和本体部件，杯体部件与本体部件焊接，杯体部件包括杯体，杯体与传感器部件焊接，在杯体部件上形成沿传感器部件外围的环形腔室，本体部件包括隔离膜片和本体，隔离膜片与本体的外表面焊接，且隔离膜片与本体的正压侧端面以及负压侧端面焊接后形成两个对称的腔室，本体上设置有两个对称的导流孔，每个导流孔的一端与所述环形腔室连接，另一端与腔室连接，腔室、环形腔室和导流孔内均设置填充液。本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒能够适用于微差压变送器。
Description
技术领域
本发明涉及差压变送器技术领域，尤其涉及一种适用于微差压变送器的浮动膜盒。
背景技术
电容式差压变送器已广泛的应用于各种工业领域，但对微差压的精确测量现有技术还没有可靠的方案。如图1所示，为现有的浮动膜盒结构，差压变送器由检测部分和转换部分组成，检测部分包括传感器部件20、杯体部件30、本体部件40、杯体31、隔离膜片41、填充液11、本体42、保护膜片44等组成，各金属零部件的组合采用全焊接的一体化结构，作为压力传导的媒介在膜盒内充有填充液体，填充液充满膜盒两侧形成对称的3个腔室。
正常工作条件下，被测差压P1、P2作用在本体部件40正、负压两侧的隔离膜片41上，并通过填充液11经导流孔43同时传递给传感器部件20和保护膜片44。传感器部件20中的测量膜片21受到差压ΔP=P1-P2（P1>P2）作用下产生微位移，此微位移可转换成比例的电容信号输出，实现对差压的测量，此时的保护膜片44处于静止状态是不会动作的。
非正常工作条件下，如误操作时遇到单向过大压受力，本体部件40正、负压两侧的任何一侧受到单向过大压的作用（单向过大压远大于差压变送器允许的测量范围），这时保护膜片44开始动作产生挠性变形，另一侧隔离膜片41受力后向外突出变形，此时另一侧腔室3的填充液部分移动到另一侧腔室1。随着外界压力的升高，受压侧腔室1内的填充液11全部转移到受压侧腔室3内，受压侧隔离膜片41与受压侧本体42完全吻合，此时，由于受压侧腔室1内没有了填充液，外界的过大压力不会再传递到本体部件40内。这样极大地降低了测量膜片21的实际受压，避免测量膜片21因受到过大压力作用而损坏，起到单向过大压保护作用。当变送器恢复到正常工作条件时，作为弹性材料制作的隔离膜片41及保护膜片44也恢复到正常状态。这种结构的差压变送器，用于较大测量范围时具有明显的优势。
但这种浮动膜盒结构的差压变送器结构设计复杂，制造难度大，特别是用于微差压变送器时，因测量范围微小（0.1~1kPa），制造过程中任何一个细微的变化和干扰都会对产品性能产生明显的不利影响，而且这个变化和干扰在制造过程中是难以控制的。这些影响因素导致产品温度特性差，重复性、稳定性不好，静压、单向静压离散程度高，长期稳定性劣化，直接影响到产品的正常工作。
因此，如何提供一种适用于微差压变送器的浮动膜盒结构成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种适用于微差压变送器的浮动膜盒，以解决现有技术中的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种适用于微差压变送器的浮动膜盒，其中，所述适用于微差压变送器的浮动膜盒包括：传感器部件、杯体部件和本体部件，所述杯体部件与所述本体部件焊接，所述杯体部件包括杯体，所述杯体与所述传感器部件焊接，在所述杯体部件上形成沿传感器部件外围的环形腔室，所述本体部件包括隔离膜片和本体，所述隔离膜片与所述本体的外表面焊接，且所述隔离膜片与所述本体的正压侧端面以及负压侧端面焊接后形成两个对称的腔室，所述本体上设置有两个对称的导流孔，每个所述导流孔的一端与所述环形腔室连接，另一端与所述腔室连接，所述腔室、环形腔室和所述导流孔内均设置填充液。
优选地，所述本体的正压侧端面和负压侧端面均为波形面，所述隔离膜片与两个所述波纹面形成的对称的两个腔室均为波纹腔室。
优选地，两个所述腔室内的所述填充液的液量相等。
优选地，所述隔离膜片包括金属薄膜片。
优选地，所述杯体和所述本体的制作材料均包括不锈钢材料。
优选地，所述填充液包括硅油或者氟油。
本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒，与现有技术相比去掉了保护膜片，减少了膜盒内的填充液量，保证产品制造过程的对称结构，消除了产生性能不良和输出不稳定的关键因素，使得产品的温度、静压、单向静压、响应时间、长期稳定性等主要性能指标得以保证和提升，消除了报废损失，质量得到可靠保证，高准确度的产品制造成为可能，因此，本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒能够适用于微差压变送器。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术的浮动膜盒的剖面结构示意图。
图2为本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒的剖面结构示意图。
图3为本发明的温度特性试验曲线图。
图4为现有技术的温度特性试验曲线图。
图5a为本发明的单向静压特性试验结果图。
图5b为本发明的静压特性试验结果图。
图5c为现有技术的单向静压特性试验结果图。
图5d为现有技术的静压特性试验结果图。
图6为本发明的单向过大压破坏试验曲线图。
图7为本发明的长期稳定性试验曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明的一个方面，提供一种适用于微差压变送器的浮动膜盒，其中，如图2所示，所述适用于微差压变送器的浮动膜盒10包括：传感器部件20、杯体部件30和本体部件40，所述杯体部件30与所述本体部件40焊接，所述杯体部件30包括杯体31，所述杯体31与所述传感器部件20焊接，在所述杯体部件30上形成沿传感器部件20外围的环形腔室2，所述本体部件40包括隔离膜片41和本体42，所述隔离膜片41与所述本体42的外表面焊接，且所述隔离膜片41与所述本体42的正压侧端面以及负压侧端面焊接后形成两个对称的腔室1，所述本体42上设置有两个对称的导流孔43，每个所述导流孔43的一端与所述环形腔室2连接，另一端与所述腔室1连接，所述腔室1、环形腔室2和所述导流孔43内均设置填充液11。
本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒，与现有技术相比去掉了保护膜片，减少了膜盒内的填充液量，保证产品制造过程的对称结构，消除了产生性能不良和输出不稳定的关键因素，使得产品的温度、静压、单向静压、响应时间、长期稳定性等主要性能指标得以保证和提升，消除了报废损失，质量得到可靠保证，高准确度的产品制造成为可能，因此，本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒能够适用于微差压变送器。
如图2所示，适用于微差压变送器的浮动膜盒10由传感器部件20、杯体部件30、本体部件40焊接组成一体化结构。杯体部件30由杯体31与传感器部件20焊接组合，在杯体部件30上形成沿传感器部件20外围的腔室2。杯体部件30与本体部件40通过焊接组合成适用于微差压变送器的浮动膜盒10。隔离膜片41沿外圆周边与本体42采用焊接方式组合，组合后使用压力机直接在本体42的波纹面上成型，两个波纹具有完全一致的吻合性且两波纹间形成腔室1，构成本体部件40。本体42上加工有两个对称的导流孔43及双侧对称的波纹面。填充液11充满浮动膜盒10内的腔室1、环形腔室2和导流孔43，腔室1、环形腔室2及导流孔43相对于传感器部件20构成适用于微差压变送器的浮动膜盒10的结构。
具体地，所述本体42的正压侧端面和负压侧端面均为波形面，所述隔离膜片41与两个所述波纹面形成的对称的两个腔室1均为波纹腔室。
优选地，两个所述腔室1内的所述填充液11的液量相等。优选地，所述填充液11包括硅油或者氟油。
具体地，本体部件40的正、负压侧端面（以图2所示方向为例，左侧为负压侧，右侧为正压侧）的波纹设计为完全对称结构，制造过程中容易保证其一致性，浮动膜盒10内的填充液11分别充满正、负压侧的所有空间且保证液量均等。
优选地，所述隔离膜片41包括金属薄膜片。
优选地，所述杯体31和所述本体42的制作材料均包括不锈钢材料。
具体地，隔离膜片41为金属薄膜片，通常由SUS316L不锈钢带料制作，但不限于此材料，还可以是哈氏合金、孟乃尔、钽等金属材料。杯体31及本体42采用具有特殊要求的国产化SUS316不锈钢棒料加工。填充液11可以是硅油或者氟油。
正常工作状态时，被测微差压P1、P2作用在本体部件40正、负压两侧的隔离膜片41外表面，并通过填充液11经导流孔43直接传递到杯体部件30且分为两路，一路作用于传感器部件20的测量膜片21上，一路由环形腔室2作用于传感器部件20的环形外围。
测量膜片21受到差压ΔP=P1-P2（P1>P2）作用时产生微小位移，此微小位移可转换成比例的电容信号输出，实现对微小差压的精确测量。
本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒，与现有技术相比，去掉浮动膜片，从根本上解决了因浮动膜片失效变形产生的各种影响因素。当环境温度发生较大变化时，伴随温度的升高和降低，构成适用于微差压变送器的浮动膜盒10中的各种材料都会产生热胀冷缩现象。传感器部件20及测量膜片21是由硅材料制作的，热膨胀系数很小，环境温度的变化对其影响几乎可以忽略不计。杯体31和本体42焊接为一体，但因两种零件采用同一种金属材料制作，具有相同的热膨胀系数和相近的几何形状，焊接热应力不会使材料产生异变。
再者，减少本体部件40内的填充液11的液量，受温度影响最大的是填充液11，液体相对于金属具有较大的热膨胀系数，变送器设计制造时，希望膜盒内的填充液量尽可能少，本发明结构去掉了前述的保护膜片及由此形成的腔室，使得本体部件40内的填充液11的液量较现有技术的结构减少了50%，有效降低了由填充液11液量所产生的温度影响因素。
优化填充液11液量工艺参数，通过优化工艺参数的方法提高本体部件40两侧腔室1液量的一致性，将原工艺L±20ml优化为L±10ml。同时，通过提高填充液11的加热脱气温度和延长脱气时间的方式，减少填充液11中的微量气体。
另外，本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒可实现结构设计及制作的对称性，去掉浮动膜片后，本体为一个零件可以容易的保证本体部件加工制造的对称性。
并且，由于杯体31、本体42采用特殊要求的国产化SUS316不锈钢棒料制作，其材料的特殊性在于对H含量的严格限制，材料中的微量H会在长期高温条件下逸出并以气体状态H2混入填充液11，受温度影响产生膨胀造成输出不稳定现象。本发明通过控制材料自身的H含量，保证H2的逸出量微不足道。
通过上述措施，显著的改善了微差压变送器的温度特性，当温度升高时，适用于微差压变送器的浮动膜盒10内的填充液11膨胀产生的热应力作用于内腔，膨胀容积增大的部分全部限定在本体部件40正、负两侧的腔室1中，为容纳增大的容积，此时隔离膜片41会向外突出变形，因隔离膜片41是由金属弹性材料制作的且为波纹状，具有较宽的位移范围且不会产生塑性变形，因此，不会对测量膜片21产生影响。反之，当温度降低时，填充液11收缩，腔室1中的容积减小，隔离膜片41向内收缩变形，同样可保证本体部件40正、负两侧腔室1中填充液11的均等。再者，因结构设计、制造的完全对称性及正、负压两侧填充液11的均等性，即使部分作用到测量膜片21正、负两侧的热应力也会相互抵消。
本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒改善了静压特性，具体地，适用于微差压变送器的浮动膜盒10受到高静压作用时，由于杯体部件30的环形腔室2的结构，改善了传感器部件20的受力状态，传感器部件20不仅受到轴向力的作用，同时沿外环受到径向力的均匀作用，使得传感器部件20处于浮动状态，对传感器部件20及测量膜片21起到了可靠的保护作用。
非正常工作状态时，例如单向受过大压力，被测压力超过了允许的测量范围，因杯体部件30的环形腔室2及传感器部件20自身结构设计的自保护作用，可缓解测量膜片21的受力。通过破坏性测试验证：在1.0MPa单向过大压作用下，不会损坏测量膜片21，在0.5MPa单向过大压作用下，单向过大压特性在规定的范围内。现实工况条件下，0.5MPa单向过大压可满足现场技术要求。
如图3所示，是本发明温度特性试验曲线图，图中横坐标为温度试验范围：-40℃~85℃，纵坐标为温度补正系数，两条交叉的粗实线内为允许的温度试验误差规格值。对本发明18台产品的实测曲线为细实线所示，温度试验曲线集中分布在0线上下，受高、低温度变化的影响很小，说明温度试验特性优良。
图4所示是在上述同等试验条件下，现有技术的温度特性试验曲线图。取24台产品的实测曲线为细实线所示，温度试验曲线离散程度大，分布不均匀，远离 0线上下，半数超过规格值。受高、低温度变化的影响很大，特别是0℃以下的低温特性更差，说明温度试验特性差。
如图5所示为静压、单向静压特性试验评定对照测试结果图，从图中可知，图5a、图5b分别为本发明的单向静压、静压特性测试结果，数量20台，测试值集中分布在0线左右，离散程度很小，性能指标远高于规格值要求，说明特性优良。图5c、图5d分别为现有技术的单向静压、静压特性测试结果，数量28台，测试值分布远离0线，离散程度很大，多台性能指标接近规格值，个别超出规格值要求，说明特性不好。
如图6所示为本发明的单向过大压破坏试验曲线图，选取4台产品以0.4MPa压力为起点，其后按0.2MPa的倍数，依次分别施加在正、负压侧，最大施加压力为2.0MPa ，测试零点输出的变化量，并以此确定允许最大施加压力的极限值。试验结果：在2.0MPa压力时，1台产品测量膜片贯通破坏，在1.0MPa压力时，4台产品测量膜片没有破坏失效，在0.5MPa单向过大压作用下，单向过大压特性在规定的范围内。
如图7所示为本发明的长期稳定性试验曲线图，试验选取国产化材料制作的本体及杯体零件进行，试验条件为：试验温度60℃，历时90天。试验数量： 64台。试验结果：零点输出变化量稳定在0线上下的很小范围内，国产化材料制作的本发明产品长期稳定性试验满足技术要求，性能优良。
综上所述，本发明提供的适用于微差压变送器的浮动膜盒与现有技术相比具有以下优点：
1、膜盒结构设计简单，降低制造难度及成本。
2、去掉了保护膜片，保证产品制造过程的对称结构，消除了产生性能不良和输出不稳定的关键因素，使得产品的温度、静压、单向静压、响应时间、长期稳定性等主要性能指标得以保证和提升，消除了报废损失，质量得到可靠保证，高准确度的产品制造成为可能。
3、膜盒内的填充液更少，有利于温度特性的改善、长期稳定性、可靠性的提高。
4、优化隔离膜片下的填充液液量，保证膜盒部件内填充液量均等。
5、采用国产化的特殊不锈钢材料加工制作本体、杯体零件，保证了长期稳定性和可靠性，较大的降低了制造成本。
6、解决了微差压测量的技术难题，提供了一种测量准确、稳定可靠、成本较低、性能优良的微差压变送器。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种适用于微差压变送器的浮动膜盒，其特征在于，所述适用于微差压变送器的浮动膜盒（10）包括：传感器部件（20）、杯体部件（30）和本体部件（40），所述杯体部件（30）与所述本体部件（40）焊接，所述杯体部件（30）包括杯体（31），所述杯体（31）与所述传感器部件（20）焊接，在所述杯体部件（30）上形成沿传感器部件（20）外围的环形腔室（2），所述本体部件（40）包括隔离膜片（41）和本体（42），所述隔离膜片（41）与所述本体（42）的外表面焊接，且所述隔离膜片（41）与所述本体（42）的正压侧端面以及负压侧端面焊接后形成两个对称的腔室（1），所述本体（42）上设置有两个对称的导流孔（43），每个所述导流孔（43）的一端与所述环形腔室（2）连接，另一端与所述腔室（1）连接，所述腔室（1）、环形腔室（2）和所述导流孔（43）内均设置填充液（11）。
2.根据权利要求1所述的适用于微差压变送器的浮动膜盒，其特征在于，所述本体（42）的正压侧端面和负压侧端面均为波形面，所述隔离膜片（41）与两个所述波纹面形成的对称的两个腔室（1）均为波纹腔室。
3.根据权利要求2所述的适用于微差压变送器的浮动膜盒，其特征在于，两个所述腔室（1）内的所述填充液（11）的液量相等。
4.根据权利要求1所述的适用于微差压变送器的浮动膜盒，其特征在于，所述隔离膜片（41）包括金属薄膜片。
5.根据权利要求1所述的适用于微差压变送器的浮动膜盒，其特征在于，所述杯体（31）和所述本体（42）的制作材料均包括不锈钢材料。
6.根据权利要求1所述的适用于微差压变送器的浮动膜盒，其特征在于，所述填充液（11）包括硅油或者氟油。
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