CN109387318A - 高压压气机进气管绝对压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种高压压气机进气管绝对压力传感器，旨在提供一种精度高，性能稳定，耐温范围宽的绝对压力传感器。本发明通过下述技术方案予以实现：固联在底座（5）腔室上部的碗型隔离膜片的上端面与固联于底座上端面外圆的插座组合件的内腔形成真空室静压腔，固联在底座腔室上部的碗型隔离膜片的下端面与底座的腔室及进气接嘴内孔形成动压腔，碗型隔离膜片通过底座进气接嘴，感受从压气机通道进入的压力P1而产生变形，带动与碗型隔离膜片固联的中心杆套管轴向移动，推动中心杆及电磁铁运动而改变铁芯感应线圈的互感，产生与压力压差成正比变化的电压信号，通过内置混合集成电路进行放大后插座组合件输出随进气绝对压力呈线性增大特性的电压信号。

Description

高压压气机进气管绝对压力传感器

技术领域

本发明涉及一种广泛应用制药，医疗设备，航空航天，科研，检漏，自动化设备配套等领域，可实现对除气系统，蒸镏塔、蒸发器和结晶器等的绝对压力测量，尤其是安装在高压压气机接口，为发动机控制器提供可用气流总压信号，对发动机起动、加速性起到关键作用的，测量高压压气机空气的绝对压力传感器。

背景技术

绝对压力传感器是用于测量液体、气体或蒸汽的压力,并将其转换为4～20mA DC的电流信号输出装置，它的一侧接受被测绝对压力信号，另一侧被封闭成高真空基准室，然后将其转换成4～20mA.DC信号输出。它可以测量除气系统、蒸馏塔、蒸发器和结晶器等的绝对压力。绝对压力传感器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片式压力转换元件上，通过隔离膜片和元件内的填充液传送到测量膜片式压力转换元件两侧。测量膜片式压力转换元件与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片式压力转换元件产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。和绝对的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。目前，常用于发动机燃油喷射系统的进气歧管绝对压力传感器， 主要由硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线电极等组成。它的硅杯与壳体、底座之间组成的腔室为真空室，真空室为基准压力室，基准压力为0。 进气歧管内的压力越高，硅膜片的变形越大，其应变与压力成正比。附着在薄膜片上的应变电阻的阻值与压力成正比变化，利用惠斯顿电桥将硅膜片的变形变成电信号。它把进气歧管内节气门后方的压力变化转化为电信号，间接反映发动机进气量，和发动机转速信号一起送入ECU，ECU据此确定基本喷油量。组成的惠斯通电桥的四个电阻的扩散电阻条表面掺杂浓度和扩散电阻条宽度不可能完全一致；当输入压力为零时，电桥的电压输出可能不为零，还发生零点漂移，漂移量因个体差异而异。同时压力传感器受温度影响，灵敏度与零点都会受到影响，最终的表现为每个产品的零点漂移及温度偏移不同。

现有技术中，用于压力、差压、液位、流量测量的绝对压力传感器通常是需要安装于通风、干燥、无蚀、阴凉处，露天安装需要加防护罩，避免阳光照射和雨淋，忌强力冲击、摔打，需要避免潮气进入的精密仪器，因此在炎热的夏天空气湿度大，生产很难满足上述性能而合格率极低，在露天外场使用一段时间后性能变化，不满足高压压气机引气要求。究其原因是绝对压力传感器的真空室静压腔9的腔体内气体有水气等杂质或封孔8漏气而导致性能变化。高压压气机是指在双转子或三转子燃气涡轮发动机中把气流压缩到高出口压力的最后一个压气机。其运行效率和稳定性对发动机的性能起着重要影响。引气流量对压气机性能的影响受到压气机本身所处工作点的影响。引气无疑会改变压气机的工作状态,从而影响发动机的工作状态。现有技术中的绝对压力传感器很难满足要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种精度高，性能稳定，耐温范围宽的绝对压力传感器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种高压压气机进气管绝对压力传感器，包括：一个带有进气接嘴和腔室的底座5，固联在底座5腔室上部连通进气接嘴的膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6，以及对接固联所述底座5的插座组合件10，其特征在于：固联在底座5腔室上部的碗型隔离膜片6的上端面17与固联于底座5上端面外圆的插座组合件10的内腔形成真空室静压腔9，固联在底座5腔室上部的碗型隔离膜片6的下端面18与底座5的腔室及进气接嘴内孔形成动压腔，碗型隔离膜片6作为膜片式压力转换元件，通过底座5进气接嘴，感受从压气机通道进入的压力P1而产生变形，带动与碗型隔离膜片6固联的中心杆套管15轴向移动，推动中心杆11及电磁铁组合13运动，改变铁芯感应线圈7的互感，产生与压力压差成正比变化的电压信号，通过内置混合集成电路进行放大后插座组合件10输出随进气绝对压力呈线性增大特性的电压信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

稳定生产。本发明采用固联在底座5腔室上部的碗型隔离膜片6的上端面17与固联于底座5上端面外圆的插座组合件10的内腔形成真空室静压腔9，且密封，采用真空净化真空室静压腔9，并让真空室静压腔9充满一个大气压的纯净氮气99.99%。不会因为季节夏季空气湿度大改变传感器性能的合格率。

性能精度高。本发明采用所述真空室静压腔9内置固联于膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6上端面17的中心杆套管15通过中心杆11连接电磁铁组合13下端、电磁铁组合13上端通过所述阶梯台阶筒杯止动器14的上端面筒孔装配连接，通过连接环16固联于底座5腔室的阶梯台阶筒杯止动器14，固联于阶梯台阶筒杯止动器14阶梯孔上的铁芯感应线圈7，由于真空室静压腔9密封且压力小接近真空，腔内电磁铁组合13、铁芯感应线圈7的性能不受外界因素影响。传感器测量的压气机通道的绝对压力，不受外界气压及温度的影响。传感器精度高，对于发动机起动、加速性能起到关键作用。通过真空净化所述真空室静压腔9并让真空室静压腔充满一个大气压的纯净氮气99.99%，在真空封焊时，真空室静压腔9原有气体能被全部置换，也能保证封孔4焊接质量，由于真空室静压腔9没有杂质，腔内气体无水气、纯度高且密封，内腔压力随温度变化满足气态方程。能够克服内腔压力随温度变化异常，导致传感器性能超差，精度降低的缺陷。

耐温范围宽。本发明采用耐高温、强度高的不锈钢材料制成膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6；通过真空室静压腔9在密封前进行高温净化，让真空室静压腔9内的电磁铁组合13、铁芯感应线圈7等元件去除易挥发杂质，在高温时电磁铁组合13、铁芯感应线圈7不会再挥发杂质。如果有挥发的杂质，真空室静压腔气9的气体量增加，产生△P，引起性能变化。另所述真空室静压腔9为真空，根据气态方程，高温时压力变化小，不影响性能变化。所以耐温范围宽。

附图说明

图1是高压压气机进气管绝对压力传感器的剖视图。

图2是图1碗型隔离膜片受力示意图。

图3是图1的工作原理示意图。

图中：1输入端导线，2输入端导线，3输出端导线，4输出端导线，5底座，6碗型隔离膜片，7铁芯感应线圈，8封孔，9真空室静压腔，10插座组合件，11中心杆,12阻尼器，13电磁铁组合，14阶梯台阶筒杯止动器,15中心杆套管，16连接环，17碗型隔离膜片上端面，18碗型隔离膜片下端面，19插座。

具体实施方式

参阅图1、图2。以下描述的实施例中，一种高压压气机进气管绝对压力传感器，包括：一个带有进气接嘴和腔室的底座5，固联在底座5腔室上部连通进气接嘴的膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6，以及对接固联所述底座5的插座组合件10。插座组合件10内置上大下小的阶梯筒杯止动器14，该阶梯台阶筒杯止动器14下端通过连接环16固联于底座5，且下端台阶圆筒坐落于碗型隔离膜片6内。固联在底座5腔室上部的碗型隔离膜片6的上端面17与固联于底座5上端面外圆的插座组合件10的内腔形成真空室静压腔9，隔绝了大气与膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6接触。固联在底座5腔室上部的碗型隔离膜片6的下端面18与引气通道、底座5的腔室及进气接嘴内孔形成密封动压腔。碗型隔离膜片6作为膜片式压力转换元件，通过底座5进气接嘴，感受从压气机通道进入的压力P1，驱动碗型隔离膜片6产生变形，带动与碗型隔离膜片6固联的中心杆套管15轴向移动，中心杆套管15的轴向位移推动中心杆11及电磁铁组合13运动，改变铁芯感应线圈7的互感，产生与压力压差成正比变化的电压信号，通过内置混合集成电路进行放大后插座组合件10输出随进气绝对压力呈线性增大特性的电压信号。

阶梯台阶筒杯止动器14密封于所述的真空室静压腔9内，且铁芯感应线圈7固联于阶梯台阶筒杯止动器14的上阶梯孔上。

阶梯台阶筒杯止动器14下端面限制碗型隔离膜片6因压力P1过载时导致的向上的移动，防止碗型隔离膜片6产生塑性变形，引起性能改变甚至损坏。

固联于碗型隔离膜片6上端面17的中心杆套管15与中心杆11下端螺纹连接，中心杆11上端固联于电磁铁组合13下端，电磁铁组合13上端被所述阶梯台阶筒杯止动器14上方顶端孔固联。

真空室静压腔9具有两个作用，一是隔绝外界气压作用在膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6上端面17上，即使外界压力变化也不影响传感器的测量精度。根据绝对压力=表压力+大气压力，该压力传感器碗型隔离膜片6没有感受大气压，即大气压力=0，故绝对压力=表压力，即该压力传感器测量的是压气机通道的绝对压力。二是该真空室静压腔9的气体很少，趋于真空，温度变化时，压力变化很小。为此能调节、稳定传感器的高低温性能。图2，膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6承受两个压力，一个是从底座5进气接嘴进入作用于碗型隔离膜片6下端面18的气压P₁，另一个是真空室静压腔9作用于碗型隔离膜片6上端面17的压力P₂。碗型隔离膜片6受力P=P₁-P₂，P₁压气机通道的压力，向上，P₂是真空室静压腔体9内的压力，向下，由于真空室静压腔体9是真空，P₂接近零，故P₁>P₂，工作时碗型隔离膜片6向上运动。在常温状态调试使P₁，P₂匹配，满足性能要求。由于真空室静压腔9是密封的，气体量固定，P₂只有在温度变化时才会有变化，在真空室静压腔9体积固定的情况下，压力P₂与温度成比例关系，根据气体状态方程：P₂(V-b)=RT，P₂=(T/△T)△P，其中，V为真空室静压腔（9）的气体体积，b为气体体积的不可压缩量，对于给定质量的同一种气体它是一个恒量，R为气体常数，T为气体绝对温度，△T为温度变化量，△P为压力变化量。由于真空室静压腔9气体量很少，故温度变化时压力变化小，即△P接近零，故真空室静压腔9减少了温度对传感器性能的影响。

底座5的进气接嘴内装有阻尼器12，作用是虑掉来自于压气机通道进入的气体压力P1的脉冲，隔离气体杂质。防止过大的脉冲压力进入底座5的腔室损坏碗型隔离膜片6，气体杂质进入底座5的进气接嘴和腔室会改变压气机通道进入的气体压力P1，导致传感器性能改变。

真空室静压腔9的干净度的控制方法：将传感器放入真空设备里，在一定温度和真空度下放置一段时间净化，直到真空室静压腔9干净；根据气体状态方程，真空室静压腔9的压力与气体量及温度有关，如果真空室静压腔9有焊药、非金属等杂质，在高温时杂质挥发，真空室静压腔气9的气体量增加，产生△P，引起性能变化。

真空室静压腔9里的气体纯度的控制方法：真空室静压腔9在真空设备里净化干净后随炉冷却至常温，向真空设备里充入纯度99.99%的纯净气体氮气到一个大气压，再开设备门取出传感器。这样真空室静压腔9充满一个大气压的纯净气体，环境中的气体不能再进入真空室静压腔9。如果不先把纯净气体充入设备，环境空气就会进入真空设备，从而进入真空室静压腔9。因为不同季节的空气的湿度不同，如果空气湿度大，水气多，传感器在后续抽真空、封焊时，导致如下结果： A,无法把真空室静压腔9的原有气体全部抽出并置换。原因是封孔8直径ф0.4的孔小，在真空时孔口结冰，这是因为气压低时，水气易结冰。部分气体遗留在真空室静压腔9内，含水气多的不纯气体在高、低温时使真空室静压腔9气体压力不满足气态方程，引起性能超差。B,影响焊接质量，由于封孔4的孔口结冰，焊接时变成水气，易产生气孔缺陷，影响焊缝质量，导致封孔显微漏气，时间长后性能变化。

真空室静压腔9内的气体压力（真空度）的控制方法：根据调试确定的真空室静压腔9的气体压力，选择满足真空室静压腔9压力的真空焊接设备，把传感器放入真空焊接设备抽真空，至真空室静压腔9内的气体氮气全部抽出，再充入纯度99.999%的纯净气体氦气到要求的压力后焊接封孔8，保证密封。

参阅图3。高压压气机进气管绝对压力传感器采用差动变压器原理，固联于阶梯台阶筒杯止动器14的上阶梯孔上的铁芯感应线圈7有上、下两个初级线圈和两个次级线圈，两个初级线圈串联，与插座19的输入端导线1和输入端导线2连接后接交流激励电压，两个次级线圈按电势反向串联，连接插座19的输出端导线3和输出端导线4。固联于阶梯台阶筒杯止动器14的上端面孔的电磁铁组合13的上端位于两个铁芯感应线圈7中间，固联于电磁铁组合13的中心杆11与固联于膜片式压力转换元件碗型隔离膜片6的中心杆套管15螺纹连接，当压气机通道气压P1=0时，电磁铁组合13的上端处于两个铁芯感应线圈7中间位置，即t1=t2，次级线圈中感应电势e1=e2，则输出电压=e1-e2=0。当压气机通道气压P1>0时，驱动碗型隔离膜片6产生变形，带动与碗型隔离膜片6固联的中心杆套管15轴向移动，中心杆套管15的轴向位移推动中心杆11及电磁铁组合13运动，使电磁铁组合13偏离中间位置，即t1≠t2，两个次级线圈的互感发生变化，即e1≠e2，便有输出电压=e1-e2。

为了保证传感器精度高，性能稳定，由以下方法实现：1真空净化，把初调性能合格的传感器放入真空设备，抽真空至1×10^-2Pa以下，温度200℃，保温、保压8小时，随炉冷却到常温；2保持内腔干净，把氮气纯度99.99%通入真空设备，至炉内1个大气压，再开炉门取出传感器；3气体置换，真空净化完到焊接时间不能超过1小时，把传感器放入真空焊接设备，抽真空1×10^-2Pa以下，保压半小时左右，让真空室静压腔9内的氮气全部抽出，再充入纯净气体氦气纯度99.999%，到要求的压力根据气态方程计算出的补偿压力，约300 Pa左右；4焊接封孔8，当真空焊接设备压力达到工艺要求后焊接封孔8，保证密封。实际测试结果表明传感器在1×10^-8Pa下氦质谱检查，真空室静压腔9密封；在-55--220℃,0-2.5Kg/cm²传感器精度达到±5%F.S，使用寿命满足要求。

Claims (10)

1.一种高压压气机进气管绝对压力传感器，包括：一个带有进气接嘴和腔室的底座（5），固联在底座（5）腔室上部连通进气接嘴的膜片式压力转换元件碗型隔离膜片（6），以及对接固联所述底座（5）的插座组合件（10），其特征在于：固联在底座（5）腔室上部的碗型隔离膜片（6）的上端面（17）与固联于底座（5）上端面外圆的插座组合件（10）的内腔形成真空室静压腔（9），固联在底座（5）腔室上部的碗型隔离膜片（6）的下端面（18）与底座（5）的腔室及进气接嘴内孔形成动压腔，碗型隔离膜片（6）作为膜片式压力转换元件，通过底座（5）进气接嘴，感受从压气机通道进入的压力P1而产生变形，带动与碗型隔离膜片（6）固联的中心杆套管（15）轴向移动，推动中心杆（11）及电磁铁组合（13）运动，改变铁芯感应线圈（7）的互感，产生与压力压差成正比变化的电压信号，通过内置混合集成电路进行放大后插座组合件（10）输出随进气绝对压力呈线性增大特性的电压信号。

2.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，固联于碗型隔离膜片（6）上端面（17）的中心杆套管（15）与中心杆（11）下端螺纹连接，中心杆（11）上端固联于电磁铁组合（13）下端，电磁铁组合（13）上端被所述阶梯台阶筒杯止动器（14）上方顶端孔固联。

3.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，阶梯台阶筒杯止动器（14）密封于所述的真空室静压腔（9）内，且铁芯感应线圈（7）固联于阶梯台阶筒杯止动器（14）的上阶梯孔上。

4.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，插座组合件（10）内置上大下小的阶梯筒杯止动器（14），该阶梯台阶筒杯止动器（14）下端通过连接环（16）固联于底座（5），且下端台阶圆筒坐落于碗型隔离膜片（6）内。

5.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，阶梯台阶筒杯止动器（14）下端面限制碗型隔离膜片（6）因压力P1过载时导致的向上的移动，防止碗型隔离膜片（6）产生塑性变形，引起性能改变甚至损坏。

6.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，真空室静压腔（9）隔绝外界气压作用在膜片式压力转换元件碗型隔离膜片（6）上端面（17）上；真空室静压腔（9）在温度变化时，调节、稳定传感器的高低温性能。

7.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，碗型隔离膜片（6）承受两个压力，一个是从底座（5）进气接嘴进入作用于碗型隔离膜片（6）下端面（18）的气压P₁，另一个是真空室静压腔（9）作用于碗型隔离膜片（6）上端面（17）的压力P₂。

8.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，碗型隔离膜片（6）受力P=P₁-P₂，P₁>P₂，P₁压气机通道的压力，向上，真空室静压腔体（9）内产生的压力P₂，向下，工作时驱动碗型隔离膜片（6）向上运动。

9.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，在真空室静压腔（9）体积固定的情况下，压力P₂与温度成比例关系，根据气体状态方程：P₂(V-b)=RT，P₂=(T/△T)△P，其中，V为真空室静压腔（9）的气体体积，b为气体体积的不可压缩量，对于给定质量的同一种气体它是一个恒量，R为气体常数，T为气体绝对温度，△T为：温度变化量，△P为压力变化量。

10.按权利要求1所述的高压压气机进气管绝对压力传感器，其特征在于，底座（5）的进气接嘴内装有虑掉来自于压气机通道进入的气体压力P1的脉冲，隔离气体杂质，防止过大的脉冲压力进入底座（5）的腔室损坏碗型隔离膜片（6）的阻尼器（12）。