CN2145374Y - 数字式抗震压力表 - Google Patents

Abstract

数字式抗震压力表属工业自动化及大型工程装 备中脉动压力的测量控制类仪表。表壳与表壳头固 为一体，隔离膜位于接管嘴内，传感器与隔离膜相触 其传感器用表壳头紧固在接管嘴内，电路由传感器、 前置放大电路、补偿电路、稳定处理电路、A/D转换 器、显示器、V/I变换器及电源组成。本表具有测量 精度高、测量范围广、读数稳定直观、使用方便、使用 寿命长的优点，并且具有变送器的各种标准输出信 号，可方便地构成自动测量控制系统。

Description

本实用新型属于工业自动化及大型工程装备中脉动压力的测量、显示、控制类仪表的制造。

本实用新型的技术背景是：目前广泛使用的抗震压力表均为传统的机械式仪表，其工作原理是：当被测介质的脉动压力作用于密封垫，通过膜合组，利用毛细管道阻压，限制流体流速的作用，使压力脉动抑制成为比较平稳、缓变的压力，再使叉簧变形，经过传动机构，使度盘或指针回转，指示出被测压力的量值。

基于这种原理，仪表在使用中存在以下缺陷：

1、结构复杂，加工工艺难度高，由于结构件繁多、笨重，造成产品成本较大，加工周期长。

2、精度低，最高精度仅能达到1.5级，某些规格仪表只能达到2.5级。

3、测量规格范围小，由于仪表基于纯机械原理，其测量规格只能做到0～4……120MPa，不能满足工业要求。

4、没有标准的变送器输出信号，无法组成自动控制系统。

5、读数不直观。由测量介质的脉动压力，其减幅比（仪表指针摆动幅度与实际输入脉动负荷的幅度之比）为0.4左右，因而仪表在工作中指针来回摆动，造成操作人员读数困难，当脉动频率较低时，无法读数。

6、使用不方便。由于仪表表头内充有甲基硅油来减小指针的摆动。因此在仪表使用时要求旋松注油螺钉，而在运输中必须旋紧，以防漏油，这样经常造成失误。

7、由于该种表可动部件多，从而影响了仪表的使用寿命，其承受交变负荷的寿命仅为2万～3万次。

本实用新型的设计目的是：随着工业技术的不断发展，工业生产的自动化要求越来越高，抗震压力表的现有技术（主要是上述的缺陷）已无法满足现代工业自动控制系统的需要。特设计发明一种新型工作原理的数字式抗震压力表。

该型数字式抗震压力表是一种机电一体化脉动压力测量仪表。它以其测量精度高、读数直观稳定、标准信号远传、寿命长为显著特点，是传统的机械式抗震压力表的更新换代产品，广泛应用于石油生产中的压裂、固井设备、矿山机械等大型机械装备，可与各种调节、控制、记录仪表组成自动化控制系统。

本实用新型的设计方案是：

1、技术原理：

数字式抗震表的设计，基于采用动态响应优良的电阻应变式压力测量方法不失真地检测出被测介质的脉动压力电信号；运用现代电子技术的稳定处理方法，有效地转换为稳定的电压信号，准确读数和输出信号。为使仪表具有防堵的特点，在压电转换元件前设计有橡胶隔离膜片，使被测介质不得进入仪表内部，不仅能用于液体、气体脉动压力的测量，而且解决了高粘度、大粒度、易凝固介质（如泥桨）的压力测量。数字式抗震表的设计思想可用方框图表示为：（见图2）

被测介质的脉动压力P首先作用在特形橡胶隔离膜4上，并通过隔离膜传递给压／电转换元件6，应用电阻应变原理和其优良的动态响应特性，不失真地将压力脉动转换为电压脉动信号。该微弱的电压信号经高精度宽带放大器13放大到一定的幅值后，输入到稳定处理电路15，该电路将脉动电信号处理成为稳定的电压信号后，一路送A／D转换16转换为数字量，经显示器17显示出压力量值，另一路经电压／电流变换器18输出自动控制所需的标准信号。电源单元12将工作电源（直流或交流）变换处理，为各单元电路提供所需的工作电压。补偿电路14对压电转换的信号进行线性和温度漂移补偿，保证测量的高精度。

2、技术措施：

（1）设计特形橡胶隔离膜将粘度大的被测介质和测压的压电转换元件分离，避免了压力传递中的能量损失。这样不仅解决了被测介质的防堵问题，同时也提高了仪表的测量精度。

这种隔离膜（图4）的设计，还具有自密封的效果（特点），当压力作用时，内部受压，外形变大，从而起到隔离密封的双重效果。

（2）压电转换元件设计为图5所示的结构，以便与橡胶隔离膜相配合。这种周边固支的平膜片结构，不仅具有压力－－位移间的良好线性关系，还具有优良的动态响应特性。圆形组合电阻应变计粘贴在膜片上，从这个惠斯登电桥上能不失真地检测出被测介质脉动压力的电信号。

此外，这种设计因其加工工艺简单，质量容易得到保证。对于不同的测量规格，只需改变膜片厚度即可。

（3）放大电路选用高精度运算放大器ADOP－07DE，参数设计为仅用一个调节元件，使其增益既可调节，又不致降低其共模抑制比的电路（图6），从而保证了放大器的运算精度和动态响应。在制造工艺上，也减少了常规变增益电路需要三对元件精密匹配的要求。此外，为使放大器的温度漂移得以控制甚至能补偿测压元件的温度漂移，降低整个仪表的温漂系数，采用调节W_T，利用输入极静态电流不平衡，达到补偿温漂的机理，可使仪表温漂系数降低一个数量级。

（4）信号稳定处理电路的作用是将放大到一定程度的脉动电压信号变换成稳定的电压信号，电路设计为双极点节的RC有源低通滤波程式。运算放大器接成单位增益的单反馈而以实现，该电路具有非常高的输入阻抗和近乎于零的输出阻抗。为使与后接电路相隔离，选用同一类型的运放组成电压跟随器电路（图7）选用高品质的元件和恰当的调试工艺，可使仪表的减幅比达到0.015，较传统的抗震表提高了三十多倍。

（5）V／I变换单元可为自动控制系统提供标准的模拟输出信号0～5V／）～30mA／0～20mA／4～20mA。在制作时，生产者根据用户使用的不同需要用同一块电路板，在精心设计的印制板上，通过相应的跳线，就可实现不同种类的信号输出，从而大大降低了生产成本，增强了生产的灵活性，这也是该仪表设计中的一个重要设计思想。

（6）电源单元的设计，考虑到仪表使用的现场条件，使仪表可适应多种不同供电（直流、交流、电瓶电池）条件，稳定正常工作。

（7）在整体结构的设计上，考虑仪表的通用性和使用场合，所有接合部均采取了密封措施。表壳1采用钢制并与表壳头3焊接为一体。其余连接部分均采用螺纹连接。传感器6用表壳头3紧紧的固定在接管咀5内。电路板2固定于表壳1底面，并从表面7中突出了数码显示，观察者通过用表盖10固定在表壳1上的玻璃9可以清楚地观察到被测压力值（见图1）。另外所有零部件均采取了防锈蚀措施（喷漆、镀铬等），因而使仪表具有在较恶劣的环境中（如露天）工作的能力，接管咀连接采用了ZG11／2″、ZG2″、M20×1.5等多种方法使仪表可广泛的用在任一场合，增加了其通用性。隔离膜4先装于接管咀5内后，再装传感器6。显示板8固定于电路板2上保证了显示数码的位置。

3、结构方案：

表壳1与表壳头3固为一体，隔离膜4位于接咀管5内，传感器6与隔离膜4相触，其传感器6用表壳头3紧固在接管咀5内，电路板2固定在表壳1内，显示板8位于电路板2上，表面7位于显示板8的上方，透明板9位于表面7上且采用表盖10定位。电路板2由印刷电路板、压电元件（传感器）6前置放大电路13、补偿电路14、稳定处理电路15、A／D转换器16、显示器17、V／I转换器18及电源电路12构成；隔离膜4与压电元件6相触，压电元件6的电压脉动信号输出端接前置放大电路13的信号输入端R₂和R₃一端，前置放大电路13的信号输出端接稳定处理电路15的信号输入端R₄的一端，稳定处理电路15的输出端一路接A／D转换器16的信号输入端，A／D转换器16的信号输出端接显示器17，稳定处理电路15的输出端的另一路接V／I变换器18的信号输入端R₁₇的一端，V／I变换器18的输出端输出标准信号，补偿电路14与压电元件6的供桥端相接。前置放大电路13由放大集成块IC₁、可调电阻W₂、W₃、电阻R₂、R₃构成，IC₁的两输入端分别接R₂、R₃的一端，R₃的另一端接W₃的一端及接地端，R₂的另一端接W₃的可调端，W₂的两端接在IC₁的调零端，W₂的可调端接IC₁正电源端；IC₁的信号输出端与稳定处理电路15的信号输入端R₄的一端相接；稳定处理电路15由运放集成块IC₂、IC₃、电阻R₄、R₅及电容C₁、C₂构成，R₄的另一端接C₁、C₂的一端及IC₃的输入端，C₁、C₂的另一端分别接R₅的两端及IC₂的输入、输出端，IC₂的另一输入端接地，IC₃组成电压跟随器电路，其IC₃的输出端一路接A／D转换器16的信号输入端R₆的一端、一路接V／I变换器18的信号输入端R₁₇一端；V／I变换器18由运放集成块IC₅、三极管T₁、二极管D₂、电阻R₁₃～R₂₁及电容C₁₁、C₁₂构成；R₁₅的一端接电源V₂，R₁₅的另一端接R₁₄的一端且为转换开关一触点，R₁₄的另一端接地，R₁₆的一端为转换开关一触点，R₁₆的另一端与R₁₇的另一端相接接R₁₃一端及IC₅的输入端，R₁₃的另一端接C₁₁、R₂₁的一端同时作为一信号输出端，C₁₁的另一端接地，R₂₁的另一端接T₁的发射极、D₂的负极、R₂₀的一端，T₁的集电极接电源电路12中整流电路的输出端，T₁的基极接D₂的正极、R₁₉的一端，R₁₉的另一端接IC₅的输出端，R₂₀的另一端接IC₅的输入端、R₁₈、C₁₂的一端，R₁₈、C₁₂的另一端接地；电源电路12中三端稳压器IC₇的输出端串接一二极管D₁。D₃的负极与IC₇的输入相连，正极与D₁的负极相接。隔离膜4采用橡胶材料制作。

仪表的电原理图示于图3。

六、主要优点：

数字式抗震压力表与传统的机械式抗震压力表相比，主要具有如下优点：

1、测量精度高：由于采用了应变电测技术和电子稳定处理技术，减幅比可达0.015，使其精度可达0.2～0.5％F.S。

2、测量范围广：可从0～0.4到160MPa。

3、读数稳定直观，显示采用高亮度数码显示器件，特别适用于野外作业昼夜使用。

4、具有变送器的各种标准输出信号，可方便地构成自动测量控制系统。

5、使用方便，由于该仪表不用充油，没有可动部件，具有良好的抗环境振动性能，工作电源可根据使用场所任意选取。

6、仪表温度误差较机械式仪表小三倍以上。

7、使用寿命长：由于采用新的工作原理，没有机械传动部件，其使用寿命为传统抗震表的3～5倍。

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的电路框图。

图3是本实用新型的电路原理图。

图4是隔离膜1的结构示意图。

图5是压电元件的结构示意图。

图6是前置放大单元3的电路原理图。

图7是稳定处理电路5的原理图。

实施例：

仪表的所有机械零件材料均为国产材料，其加工在普通金属加工工具条件下即可实现，仪表的安装调试在具有生产压力仪表的生产条件下就可完成。所需的电子元器件在国内市场均可采购。

制作中使用的主要测试设备：

①－40～＋300℃，干燥箱

②YU0～0.6MPa……250MPa法码校验器

③五位数字繁用表

④YJW－30A直流稳压电流

⑤调试用接线盒（自制）

⑥专用安装夹具（自制）

⑦其他普通机械类电子类五金工具

首先参照附图3制作印制板，然后将电子元器件安装完毕后进行统调，安装图1，表壳1采用钢制并与表壳头3焊为一体，其余部分采用螺纹连接。隔离膜4位于接管咀5内，传感器6与隔离膜4相触，其传感器6用表壳头3紧固在接管咀5内，电路板2固定在表壳1内，显示板8位于电路板2上，表面7位于显示板8的上方，透明板9位于表面7上且采用表盖10定位。

Claims (4)

1、一种数字式抗震压力表，其特征是：表壳(1)与表壳头(3)固为一体，隔离膜(4)位于接管咀(5)内，传感器(6)与隔离膜(4)相触，其传感器(6)用表壳头(3)紧固在接管咀(5)内，电路板(2)固定在表壳(1)内，显示板(8)位于电路板(2)上，表面(7)位于显示板(8)的上方，透明板(9)位于表面(7)上且采用表盖(10)定位。

2、根据权利要求1所述的数字式抗震压力表，其特征是：电路板（2）由印刷电路板、压电元件（传感器）（6）前置放大电路（13）、补偿电路（14）、稳定处理电路（15）、A／D转换器（16）、显示器（17）、V／I变换器（18）及电源电路（12）构成；隔离膜（4）与压电元件（6）相触，压电元件（6）的电压脉动信号输出端接前置放大电路（13）的信号输入端R₂和R₃一端，前置放大电路（13）的信号输出端接稳定处理电路（15）的信号输入端R₄的一端，稳定处理电路（15）的输出端一路接A／D转换器（16）的信号输入端，A／D转换器（16）的信号输出端接显示器（17），稳定处理电路（15）的输出端的另一路接V／I变换器（18）的信号输入端R₁₇的一端，V／I变换器（18）的输出端输出标准信号，补偿电路（14）与压电元件（6）的供桥端相接。

3、根据权利要求1所述的数字式抗震压力表，其特征是：前置放大电路（13）由放大集成块IC₁、可调电阻W₂、W₃、电阻R₂、R₃构成，IC₁的两输入端分别接R₂、R₃的一端，R₃的另一端接W₃的一端及接地端，R₂的另一端接W₃的可调端，W₂的两端接在IC₁的调零端，W₂的可调端接IC₁正电源端，IC₁的信号输出端与稳定处理电路（15）的信号输入端R₄的一端相接；稳定处理电路（15）由运放集成块IC₂、IC₃、电阻R₄、R₅及电容C₁、C₂构成，R₄的另一端接C₁、C₂的一端及IC₃的输入端，C₁、C₂的另一端分别接R₅的两端及IC₂的输入、输出端，IC₂的另一输入端接地，IC₃组成电压跟随器电路，其IC₃的输出端一路接A／D转换器（16）的信号输入端R₆的一端、一路接V／I变换器（18）的信号输入端R₁₇一端；V／I变换器（18）由运放集成块IC₅、三极管T₁、二极管D₂、电阻R₁₃～R₂₁及电容C₁₁、C₁₂构成；R₁₅的一端接电源V₂，R₁₅的另一端接R₁₄的一端且为转换开关一触点，R₁₄的另一端接地，R₁₆的一端为转换开关一触点，R₁₆的另一端与R₁₇的另一端相接接R₁₃一端及IC₅的输入端，R₁₃的另一端接C₁₁、R₂₁的一端同时作为一信号输出端，C₁₁的另一端接地，R₂₁的另一端接T₁的发射极、D₂的负极、R₂₀的一端，T₁的集电极接电源电路（12）中整流电路的输出端，V₁的基极接D₂的正极、R₁₉的另一端接IC₅的输出端，R₂0的另一端接IC₅的输入端、R₁₈、C₁₂的一端，R₁₈、C₁₂的另一端接地；电源电路（12）中三端稳压器IC₇的输出端串接一二极管D₁。D₃的负极与IC₇的输入相连，正极与D₁的负极相接。

4、根据权利要求1或2所述的数字式抗震压力表，其特征是：隔离膜（4）采用橡胶材料制作。

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