CN110333028B - 一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其耐高温高精度压力变送器包括前端通气外壳、后端封装外壳以及封装在由前端通气外壳、后端封装外壳对接构成的空腔内的电容式耐高温压敏芯片、陶瓷基座、耐高温封装转接、C‑V转换电路、隔热气凝胶、硅胶，其后端数据实时在线处理显示仪集成了电源、高精度电压/电阻仪以及单片机，单片机内存储有标准压力‑温度校准平台所得出的“压力/温度‑电压”变换数据，高精度电压/电阻仪测量的电压/电阻信号经单片机可反向推导出压力信号。本发明可实现特殊环境(高温、高压、腐蚀、富氧等)下压力参数的实时在线监测，拥有较高的稳定性、灵敏度以及较快的动态响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及压力测量领域，具体涉及一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统。
背景技术
在传统的压力测量领域内，一方面由于压力变送器材料性能及设计结构的限制，另一方面由于信号处理方法限制，无法实现特殊环境中压力参数实时在线监测，已远不能满足现代工业设备的测试要求。
发明内容
为解决现有压力变送器在发动机/燃气轮机、气化炉/燃煤锅炉等特殊环境下无法实现对高温压力参数的实时在线监测的问题，本发明提供了一种特殊环境(高温、高压、腐蚀、富氧等)下能够实现压力参数的实时在线监测系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，包括耐高温高精度压力变送器和后端数据实时在线处理显示仪；所述耐高温高精度压力变送器包括前端通气外壳、后端封装外壳以及封装在由前端通气外壳、后端封装外壳对接构成的空腔内的电容式耐高温压敏芯片、陶瓷基座、耐高温封装转接、C-V转换电路、隔热气凝胶、硅胶，所述陶瓷基座用于固定电容式耐高温压敏芯片并实现高温环境中与耐高温封装转接的稳定电连接，所述耐高温封装转接用于在高温环境中将气压密封于压力变送器的前端，并将电容信号转接到后端的C-V转换电路；所述隔热气凝胶紧贴后端封装外壳内壁，硅胶填充于C-V转换电路与隔热气凝胶之间的空隙内，一方面起到隔绝热传导及固定电路板和气凝胶的作用，另一方面起到防止震动导致电路板引线脱落损坏的作用。
所述的后端数据实时在线处理显示仪集成了电源、高精度电压/电阻仪以及单片机，单片机内存储有标准压力-温度校准平台所得出的“压力/温度-电压”变换数据，高精度电压/电阻仪测量的电压/电阻信号经单片机可反向推导出压力信号。
进一步地，所述前端通气外壳与后端封装外壳均由镍基高温合金加工而成，将电容式耐高温压敏芯片、陶瓷基座、耐高温封装转接、C-V转换电路、隔热气凝胶、硅胶全部封装在内部保护起来。
进一步地，所述电容式耐高温压敏芯片由三层生瓷片层压而成，其上下表面丝印Pt浆料，位于中间的生瓷片留有空腔。
进一步地，所述的陶瓷基座由氧化铝陶瓷加工而成。
进一步地，所述C-V转换电路集成了CAV444接口集成电路、AD8221仪表放大器以及高精度PT热电偶，首先CAV444接口电路采集到压敏芯片变化的电容信号，经处理后线性的转换为差动电压信号输出到AD8221放大器模块，将微弱的电压信号放大到后端数据实时在线处理显示仪的电压测试量程内，与此同时，集成在C-V转换电路中的高精度PT热电偶采集实时的电路板温度，温度由电阻值量化表征，用于修正因电路板温度变化所造成的测量误差。
进一步地，后端数据实时在线处理显示仪采用双屏设计，上屏以时间为X轴，压力为Y轴显示压力-时间变化曲线，下屏显示当前压力值，对压力变送器的数据进行快速实时处理分析，进而实现特殊环境下压力参数实时在线监测。
进一步地，所述耐高温高精度压力变送器通过以下步骤制备所得：
S1、在陶瓷基座的两通道内涂抹浆料，将电容式耐高温压敏芯片放置在陶瓷基座上端，电容的上下极板分别与两通道相连，经高温烧结焊接在一起；
S2、将所得的陶瓷基座安装在耐高温封装转接前端；
S3、将C-V转换电路板的输入端插入耐高温封装转接后端的插孔内；
S4、将加工好的隔热气凝胶紧贴在后端封装外壳内壁，后端封装外壳穿过输出电缆，利用螺纹结构，与前端通气外壳连接，将电容式耐高温压敏芯片、陶瓷基座、耐高温封装转接、C-V转换电路、隔热气凝胶、硅胶全部包裹起来；
S5、从后端封装外壳后端灌入按比例调制的硅胶，静置一段时间凝固；
S6、在前端通气外壳与后端封装外壳间的缝隙处利用激光焊接技术焊接为一体并抛光。
本发明具有以下有益效果：
本发明突破了传统的压力变送器对工作环境要求苛刻，输出信号复杂、转换缓慢无法实时监测的局限，设计出了一种特殊环境(高温、高压、腐蚀、富氧等)下压力参数的实时在线监测系统，拥有较高的稳定性、灵敏度以及较快的动态响应速度。该监测系统采用独有的隔热设计、激光焊接等工艺的使用解决了现有压力变送器无法工作于恶劣环境且压力参数难以实时监测的问题，具体面向发动机/燃气轮机、气化炉/燃煤锅炉等特殊工况环境领域。
附图说明
图1为本发明实施例一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统的结构示意图。
图2是本发明的压力变送器的装配图。
图3是本发明的压力变送器的前端通气外壳透视图。
图4是本发明的压力变送器的陶瓷基座透视图。
图5是本发明的压力变送器的耐高温封装转接透视图。
图6是本发明的压力变送器的隔热气凝胶透视图。
图7是本发明的压力变送器的后端封装外壳透视图。
图中：1-前端通气外壳、2-电容式耐高温压敏芯片、3-陶瓷基座、4-耐高温封装转接、5-C-V转换电路、6-隔热气凝胶、7-硅胶、8-后端封装外壳、9-后端数据实时在线处理显示仪。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，包括耐高温高精度压力变送器和后端数据实时在线处理显示仪9；
所述耐高温高精度压力变送器包括前端通气外壳1、后端封装外壳8以及封装在由前端通气外壳1、后端封装外壳8对接构成的空腔内的电容式耐高温压敏芯片2、陶瓷基座3、耐高温封装转接4、C-V转换电路5、隔热气凝胶6、硅胶7，所述前端通气外壳1与后端封装外壳8均由镍基高温合金加工而成，将电容式耐高温压敏芯片2、陶瓷基座3、耐高温封装转接4、C-V转换电路5、隔热气凝胶6、硅胶7全部封装在内部保护起来；所述电容式耐高温压敏芯片2由三层生瓷片层压而成，其上下表面丝印Pt浆料，位于中间的生瓷片留有空腔；所述陶瓷基座3由氧化铝陶瓷加工而成，用于固定电容式耐高温压敏芯片2并实现高温环境中与耐高温封装转接4的稳定电连接，所述耐高温封装转接4用于在高温环境中将气压密封于压力变送器的前端，并将电容信号转接到后端的C-V转换电路；所述隔热气凝胶6紧贴后端封装外壳8内壁，硅胶7填充于C-V转换电路5与隔热气凝胶6之间的空隙内，一方面起到隔绝热传导及固定电路板和气凝胶的作用，另一方面起到防止震动导致电路板引线脱落损坏的作用；
所述的后端数据实时在线处理显示仪9集成了电源、高精度电压/电阻仪以及单片机，单片机内存储有标准压力-温度校准平台所得出的“压力/温度-电压”变换数据，高精度电压/电阻仪测量的电压/电阻信号经单片机可反向推导出压力信号。后端数据实时在线处理显示仪9采用双屏设计，上屏以时间为X轴，压力为Y轴显示压力-时间变化曲线，下屏显示当前压力值，对压力变送器的数据进行快速实时处理分析，进而实现特殊环境下压力参数实时在线监测。
本实施例中，所述C-V转换电路5集成了CAV444接口集成电路、AD8221仪表放大器以及高精度PT热电偶，首先CAV444接口电路采集到压敏芯片变化的电容信号，经处理后线性的转换为差动电压信号输出到AD8221放大器模块，将微弱的电压信号放大到后端数据实时在线处理显示仪的电压测试量程内，与此同时，集成在C-V转换电路中的高精度PT热电偶采集实时的电路板温度，温度由电阻值量化表征，用于修正因电路板温度变化所造成的测量误差。
本发明实施例的一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，通过以下方法组装所得：
S1、组装耐高温高精度压力变送器
S1.1、通过叠片、层压技术将三层生瓷片加工为一个整体后，在其上下表面丝印Pt浆料，高温烧结出电容式耐高温压敏芯片；
S1.2、按既定尺寸加工出前端通气外壳、陶瓷基座、耐高温封装转接、隔热气凝胶、后端封装外壳；
S1.3、初步测量压敏芯片的电容变化量程，以此为指标，围绕CAV444接口集成电路、AD8221仪表放大器及高精度PT热电偶设计C-V转换电路原理图，绘制PCB板图，加工电路板并实物焊接，完成C-V转换电路的制作；
S1.4、在陶瓷基座的两通道内涂抹浆料，将电容式耐高温压敏芯片放置在陶瓷基座上端，电容的上下极板分别于两通道相连，经高温烧结焊接在一起。
S1.5、将陶瓷基座安装在耐高温封装转接前端；
S1.6、将C-V转换电路板的输入端插入耐高温封装转接后端的插孔内；
S1.7、将加工好的隔热气凝胶紧贴在后端封装外壳内壁，后端封装外壳穿过输出电缆，利用螺纹结构，与前端通气外壳连接，将耐高温封装转接、电路板等元器件全部包裹起来；
S1.8、从后端封装外壳后端灌入按比例调制的硅胶，静置一段时间凝固；
S1.9、在前端通气外壳与后端封装外壳间的缝隙处利用激光焊接技术焊接为一体并抛光。
S2、组装数据处理显示仪
S2.1、根据C-V电路板设计供电电压及输出电压/电阻量程选择合适的电源及高精度电压/电阻仪；
S2.2、单片机在压力变送器经过标准压力-温度测试平台校准后，写入“压力/温度-电压”变换数据，用于高精度电压/电阻仪测得电压/电阻信号后经单片机反向推导出压力信号；
S2.3、将高精度电压/电阻仪与单片机相连，固定各仪器位置并封装。
本具体实施的工作过程如下：利用前端通气外壳的螺纹结构将压力变送器与被测物体连接，后端数据实时在线处理显示仪接电，内部的电源开始为C-V转换电路供电。气流通过前端通气外壳的通气口到达电容式耐高温压敏芯片，变化的气压使得压敏芯片中间的空腔压缩，电容上极板与下极板间距发生变化，随之电容值变化。变化的电容信号经过耐高温封装转接到达C-V转换电路板，经CAV444芯片将电容信号线性的转换为差动电压信号，并由AD8221仪表放大器进一步放大输出。与此同时，集成在C-V转换电路中的高精度PT热电偶采集实时的电路板温度，并由电阻值量化表征出来，输出的电压信号以及高精度PT热电偶测得的电阻信号经电缆传输到后端数据实时在线处理显示仪内部的高精度电压/电阻仪。内置的单片机事先写入在标准压力-温度校准环节中测得的“压力/温度-电压”变换数据，因此，测得的电压值及电阻值经单片机可反向推导出压力值，并在屏幕上显示出压力-时间变化曲线以及实时的压力监测值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其特征在于：包括耐高温高精度压力变送器和后端数据实时在线处理显示仪（9）；
所述耐高温高精度压力变送器包括前端通气外壳（1）、后端封装外壳（8）以及封装在由前端通气外壳（1）、后端封装外壳（8）对接构成的空腔内的电容式耐高温压敏芯片（2）、陶瓷基座（3）、耐高温封装转接（4）、C-V转换电路（5）、隔热气凝胶（6）、硅胶（7）;所述陶瓷基座（3）用于固定电容式耐高温压敏芯片（2）并实现高温环境中与耐高温封装转接（4）的稳定电连接;所述耐高温封装转接（4）用于在高温环境中将气压密封于压力变送器的前端，并将电容信号转接到后端的C-V转换电路；所述隔热气凝胶（6）紧贴后端封装外壳（8）内壁，硅胶（7）填充于C-V转换电路（5）与隔热气凝胶（6）之间的空隙内；所述前端通气外壳（1）与后端封装外壳（8）均由镍基高温合金加工而成，将电容式耐高温压敏芯片（2）、陶瓷基座（3）、耐高温封装转接（4）、C-V转换电路（5）、隔热气凝胶（6）、硅胶（7）全部封装在内部保护起来;
所述的后端数据实时在线处理显示仪（9）集成了电源、高精度电压/电阻仪以及单片机，单片机内存储有标准压力-温度校准平台所得出的“压力/温度-电压”变换数据，高精度电压/电阻仪测量的电压/电阻信号经单片机可反向推导出压力信号。
2.如权利要求1所述的一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其特征在于：所述电容式耐高温压敏芯片（2）由三层生瓷片层压而成，其上下表面丝印Pt浆料，位于中间的生瓷片留有空腔。
3.如权利要求1所述的一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其特征在于：所述的陶瓷基座（3）由氧化铝陶瓷加工而成。
4.如权利要求1所述的一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其特征在于：所述C-V转换电路（5）集成了CAV444接口集成电路、AD8221仪表放大器以及高精度PT热电偶，首先CAV444接口电路采集到压敏芯片变化的电容信号，经处理后线性的转换为差动电压信号输出到AD8221放大器模块，将微弱的电压信号放大到后端数据实时在线处理显示仪的电压测试量程内，与此同时，集成在C-V转换电路中的高精度PT热电偶采集实时的电路板温度，温度由电阻值量化表征，用于修正因电路板温度变化所造成的测量误差。
5.如权利要求1所述的一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其特征在于：后端数据实时在线处理显示仪（9）采用双屏设计，上屏以时间为X轴，压力为Y轴显示压力-时间变化曲线，下屏显示当前压力值，对压力变送器的数据进行快速实时处理分析，进而实现特殊环境下压力参数实时在线监测。
6.如权利要求1所述的一种特殊环境下压力参数实时在线监测系统，其特征在于：所述耐高温高精度压力变送器通过以下步骤制备所得：
S1、在陶瓷基座的两通道内涂抹浆料，将电容式耐高温压敏芯片放置在陶瓷基座上端，电容的上下极板分别与两通道相连，经高温烧结焊接在一起；
S2、将所得的陶瓷基座安装在耐高温封装转接前端；
S3、将C-V转换电路板的输入端插入耐高温封装转接后端的插孔内；
S4、将加工好的隔热气凝胶紧贴在后端封装外壳内壁，后端封装外壳穿过输出电缆，利用螺纹结构，与前端通气外壳连接，将电容式耐高温压敏芯片（2）、陶瓷基座（3）、耐高温封装转接（4）、C-V转换电路（5）、隔热气凝胶（6）、硅胶（7）全部包裹起来；
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