CN85107259A - 校准压力测量装置的标准压力装置的改进发明 - Google Patents

Abstract

一种压差传感器有一量程膜片和一松紧膜片用来接收工作压力，把这工作压力施加到充有液体的一个内部密封的腔室。一垂直取向充有液体的筒，与仪器的液体连通，筒内有一球，在重力的作用向下通过液体运动，从而产生直接指向该列膜片的标准压力脉冲，这脉冲用以检测仪器性能。一相当大的配重悬挂在球上，从而增加作用在球上的重力的作用，以便增加标准压力脉冲的数值。一个柔性密封摆动连接件在筒的顶部，从而允许仪器相对于垂直方向有显著的倾斜而不受筒壁的影响。

Description

本发明涉及测量流体压力及压差的装置。更具体地说，本发明涉及几种校准压力测量装置的改进发明，以确保读数精确，同时还涉及几种用来判定这种装置的状态的改进发明。

工业生产中使用的测量系统涉及各种各样的用于测量流体压力的装置，特别是用于测量通过某一个管道孔板产生的压力差的装置，该孔板是为增大流体流速信号而设置的。埃瓦特·欧森（Everett    Olsen）的美国专利4165651号公开了一种设计先进的压差传感器，它应用一条可振线，此线随着所测的压差而张紧，因而振动频率能形成对压差的精确测量。还有其他许多市场上可买到的装置，它们都基于压差原理，例如利用应变集成片来检测所施加的压力。

压力测量装置经常安装在这样一些位置上，即其承受环境条件变化较大的地方，例如环境温度的变化。因此对这样装置的调零和刻度单位间隔的标定的漂移，或由于某种原因而引起的偏移是不罕见的，从而导致错误的读数，因为这些装置常常装在日常维修中不易接近的地方，所以，在很多情况下零位和校准误差是不易由人工操作来加以修正。而且，校准各种通用装置的刻度单位的间隔涉及相当复杂的工序，并且很费时间。

由于减小测量误差的重要性，各种各样的用来解决或改善上述问题的设想都已经提出。例如，现在可见到的用在压力差感应器上遥控调零装置。这种装置包括可遥控的压力管道，在到接令后，堵塞低压工作线，使高压工作线旁通至传感器的高和低压侧，从而产生一个零压差状态。在这种情况下，如果传感器的输出信号不同于指示的零压差，这不误差将存入主存储器内，当重新开始测量时，这一误差将借助于一台微处理机用来修正输出信号。

然而，这种遥控调零的装置不能修正在标定刻度单位间隔中所产生的误差。因此，在努力避免这种误差影响的过程中，所设计的压差传感器包括有一个或多个状态检测元件（如温度和静压检测器），它们被调整好与装置一起完成自动地随检测状态的变化调整传感器的输出信号。

例如，根据预先贮存在微处理机内的程序能够控制变化传感器的输出信号，微处理机作为整个装置的一部分。

虽然设置这种补偿器改进了压力位移的精度，但是它还没有令人满意地解决问题，从某一角度上况因为这种技术能够达到所要求的精度，特别是因为这里保留了其它没有被补偿的参数，因此，不能消除对装置不时地进行重新校准的要求。还有，设置这种补偿器是相当昂贵的。

在一九八四年十月十七日乔治E·塞格诺克（George    E.Sgourakes）提出的相关的未经审定的申请号为661807（转让给本专利申请的受让人）的专利申请，示出了一种带有监控制刻度单位间隔校准装置的压力测量仪器，因此这种校准在必要时能够重新调整。这种刻度单位间隔校准装置包括一个标准压力装置，用来增大并给该仪器施加一个大小被精确控制的压力脉冲。在最佳实施例中，该装置包括垂直定位的圆柱筒，筒内充满液体。在仪器内液体与液体连通，在圆筒内的球状物能够上升到圆筒的顶部（如靠外部产生的磁场来完成），然后松脱，金属球在重力的作用下通过液体降落从而在大部分降落距离上产生大小基本恒定的压力脉冲。这一压力脉冲用作调整仪器的刻度单位间隔分度的标准压力，如依靠调整仪器内的或安装在远离仪器的电子线路来调整。

在上述相关的未经审定的申请中所公开的发明的一个优点是使仪器的遥控校准成为可能。并且这种校准是相当精确的，在仪器处于静压下就能够进行。

已经发现，提供一个其数值比上述相关未经审定的申请中所公开的装置所产生的数值要大的压力脉冲，有利于某些校准的需要。本发明的目的是提供一种产生这种数值较大的压力信号的装置，并实现其他方面的改进。这将在下面加以阐述。

本申请所公开的这种型式的标准压力装置，基本上象上述的装置一样包括一个圆筒，筒内充满液体，液体与相连的压力测量仪器相通，筒内还装有一个球状物，它在重力的作用下通过液体产生大小基本恒定的压力脉冲，用来校准仪器刻度单位的间隔。根据本发明的主要目的，这个标准压力脉冲的大小基本上随着悬吊在球状物上的辅助重而增加的设置辅助重块的作用是为了增大施加给球状物的力。这一作用力的增大实际上增加了球状物的视比重。因为压力脉冲的大小是与球和液体的相应比重成正比的，球状物视比重的增加相应地要引起标准压力脉冲的增加。

球状物和悬吊重量的“摆锤”形状对仪器的倾斜作用，即对正常垂直的偏离不敏感。对于可能遇到的几种偏离情况，一种方案是围绕靠近其上端的一个轴在充满液体的圆筒内装有，枢轴，从而保证该圆筒保持与重力方向相垂直，以防止其与球状物和重块之间的连杆相互干扰。

本发明的另一个特征用来减小球状物和配重的垂直尺寸，使装配更紧凑。这个特征利用一个“后折”的结构作为辅助配重，球状物与配重部分在同一水平面上。

根据本发明的又一个目的，悬挂在降落球状物上的辅加配重被细分为多个段，它们在垂直方向是可以分开的以便当球通过液体降落时允许各个段的依次序贯达到部。这样产生一个“梯状”输出压力脉冲，它具有一个短暂的初始数值很大的脉冲，紧接着数值逐渐降低的连续的短暂的压力脉冲，以便允许在不同的压力下校准仪器。

其它特征用来避免或减小静压变化对标准压力脉冲数值的影响。一方面，由于筒壁内、外两侧的压力始终基本相等，从而防止了充满液体的圆筒随静压的增大而膨胀的可能。另一方面，液体比重随静压变化而发生的变化，通过改变相应配重的比重而自动得到补偿。

本发明的其他任务究特征和优点将在下面的最佳实施例中结合相应的附图加以指出。

图1是一个局部剖视图，它表示在相关未经审定的序号为661807号的专利申请所公开的带有刻度单位间隔校准装置的一种压差传感器;

图2是经图1所示的圆柱筒和球组件所作的详细纵剖视图;

图3是一个详细纵剖视图，它表示了用来增加参照压力大小的一个球和悬吊配重的形状;

图4是一个曲线图，它表示了参照压力脉冲如何随时间改变;

图5是象图3那样纵剖视图，它表示了仪器能够相对于垂直定位方向倾斜某一角度而不影响标准压力装置的功能;

图6是一个改进装置的纵剖视图，这个装置用来避免由于仪器的不垂直定位而造成的干扰。

图7是一个纵剖视图，它表示为减小纵向尺寸而改进的一种标准压力装置。

图8和图9是一种标准压力装置的纵剖视图，该装置装配成能产生一系列数值逐渐减小的压力脉冲，以便进行多点校准。

图10是一曲线图，表示图8所示装置输出压力随时间变化的规律;

图11是一种标准压力装置的纵剖视图，该装置安装成能在充满液体的圆柱筒壁的两侧产生相同的压力;

图12A和图12B是一种配重结构的详细纵剖视图;它具有补偿液体密度压力感应变化的压力响应密度接性。

图1和图2表示一个压差仪，该压差仪具有乔治E·塞格诺克（George    E·Sgoarakes）1984年10月17日提出的相关未经审定的专利的申请661807号中所公开的那种标准压力装置。在这二个图中，压差仪总的以20表示，该压差布置成能接收管道22和24传入的低的和高的工作压力，管道22和24通过的端盘26和28与该仪器20相连。一个一种标准的装有阀门的歧管（图中未示）用来控制这些工作压力的应用。仪器正常工作时，歧管阀门将打开将相应的管道连接到这一工序，例如：连接到输送流动液体管道内的孔板的下游边和上游边。

压差仪的内体组件40包括膜片42和44，用来分别接收和响应的低的和高的工作压力。左侧的膜片被称为量程膜片，它具有一个特殊的预先确定的有效区域，另一个膜片44是一个松紧膜片，它具有一个尽可能低的弹性速度（理论上是零）。这两个膜片和相应的内体结构一起组成封闭的内部压力腔室，这个腔室内装满液体，例如：相对粘度低的硅油。

通过膜片42、44施加到液体上的压差是仪器的输入信号，它在振动线组件46上产生相应的拉伸力，因此振动线响应压差输入信号以一定的频率振动。振动线通过电导线（图中未示出）与位于上部室组件（图中的部分以48表示）上的电路相连。这不电路可能和再颁发专利31416所公开的一样。并产生一个适于传送到远距离的相应的输出信号。这种信号可能是一种交替信号的形式，或是象从4到20毫安的直流信号。

在膜片42和44及其垫片54、56之间的液体区域通过一个普通的连接通道串联在一起，这个通道包括一个总的以50表示的标准压力装置。这个装置能在靠近量程膜片42的液体区域60产生数值恒定的精确和可重复的压力脉冲，用于刻度单位间隔的校准。

这个标准压力装置60基本上包括了垂直定位的圆柱筒62（见图2），里面装有能磁化的（即受磁性吸引）材料如钴的颗粒密度的球64筒62的低部通过管路66与靠近量程膜片42的液体区域50相连通，而筒的顶部通过另一条管路68与靠近松紧膜片44的液体区域52相连通。一条输入管70用来向管内注入液体。

在筒62的周围是筒形线圈72，用电流激磁，以便在筒内产生一个强度足够的磁场，把筒内的球64升高的顶器，如64A所示。为通往线圈的导线（图中未示出）设置了一条屏蔽管道74。

当线圈72未被激励时，球在重力作用下降落，在筒内穿过液体运动并产生一个压力脉冲，这个脉冲传递到接近量程膜片42的液体区域50。如上面所提到的那样，这个脉冲用来校准刻度的单位间隔，降落到底部，球将在径向开槽的端板76（见图2）上停止下来，这个板76用来防止球破坏区域50和52之间连通的液体的密封，一个类似的端板78位于筒的上端。

为了实现校准操作，当在两膜片42、44上受到静止工作压力时，连接管道22和24的已知歧管方案（图中未示出）用来产生零压差，以便作为仪器的输入信号。然后校验仪器的零位，如有必要，可使用已知技术进行调整。

随后激励筒形线圈72，使球64上升，当球被松脱时，球在重力作用下通过液体下降，产生通过量程膜片42的标准压力脉冲。在这一段时间，压差传感器的输出信号受到监控。如果输出信号脉冲在数值上不同于正确数值，电子刻度单位间隔调整电路将把输出信号（见再颁发专利31415）调整到正确的数值。

落球装置60产生的压力脉冲为校准工作提供了一个非常精确的信号。产生的压力脉冲的数值对于球位移的大部分而言基本上是恒定的，对在相当长的时间内的多次动作，还具有很高的可重复性。此外，压力脉冲的大小基本上不受粘度变化的影响，例如由于温度的变化可能引起的粘度变化，对某些实际应用而言，最好是提供比图2的装置所能产生的脉冲值要大得多的标准压力脉冲。

图3表示一个对图2所示仪器作了重大改进的落球的方案，在图3的方案中，筒62、球64和流体管道66和68与图2中采用的元件标号相同。为了简化起见，仪器结构的其余部分均被略去。

参考图3可以清楚地看到，圆柱形液体腔室80在垂直筒62的底部成形，其中装有一个相当大的圆柱形配重82，配重通过刚性连接杆84悬挂在球64上。

配重82的直径比腔室80的直径小得多，因此，在配重和腔室臂之间形成了一个相当大的空间，因此，配重通过腔室内的液体向下运动受粘滞阻力的影响并不明显，反之如果配重过于接近腔室，则可能产生明显的粘性阻力。（因为球64的运动由于配重在筒62内是密配合而慢慢降落）。因此，配重82上的重力绝大部分传到球上，增加了球自身的重力，与没有配重存在的情况相比，有助于球更容易地通过筒而降落。

悬挂配重82加在球64上的辅加实际上增加了球64的视比重。即施加到球上的所增加的净作用力，就好象增加了球的比重一样。这又增加了球通过筒62的降落运动所产生的压差脉冲的数值。这种压差可用下面的近似公式加以表示：

△P＝（2/3）（d⁸/D²）（P_B-P_L） （1）

式中：

d＝球的直径

D＝筒的内直径

P_B＝球的有效比重

P_L＝液体的比重

还可发现，配重82能够使落球64所产生的压差有一个非常大的增加量。例如，产生大约1英寸水柱压差的球的形状，加上一个上述的悬吊配重，就能将压尽增加到100英寸，如图4的时间曲线所表示。因为在配重和腔室80的壁之间有很大的间距，所以全部压降基本上都降落在球64上，而通过配重82产生的压降则微不足道。

把配重置于球的下面，在很多方面比放在上面要优越，特别是因为消除了配重需要在孔内导向的要求。上述的方案对支撑结构（即压差仪）倾斜的变化不太敏感，实际现场装配往往会产生倾斜。因为配重可以以球为中心有效地旋转，所以筒离开垂直方向倾斜几度，连杆或配重也不会碰到筒的侧壁。图5表示了这种支撑结构倾斜某一角度而不会产生任何干扰的情况。

要是希望仪器（或其他支撑结构）能够承受比图5更大的倾斜度，可以采用图6中所示的改进结构。在这个结构中，筒62可摆动地安装在86表示的支撑结构上，因此，它总是保持垂直位置同样球-连杆-配重装置也保持垂直位置。配重环62A有助于保证垂直定位。一个柔性波纹密封件88可使密封液体流适应摆动运动。一个室80A和仪器或其它支撑结构成为一体，其间充有液体配重82是悬浮在液体中的。该结构能够倾斜相当大的角度（如图所示），而不会影响标准压力装置的功能。

在某些应用场合，可能要求缩小落球装置的垂直方向的尺寸。图7表示了具有这个特征的一种解决方案。从这个设计中可看到，配重82A是“后折”形的，它包括下圆盘部分90和绕筒62的上圆筒部分92。“后折”的上部分92向上延伸到横向与球64的相对位置，在某种实际应用中，它也可能向上延伸到超出球上面相当高的位置。

校准某种仪器可能要求在多于一种压力的条件下进行。这种多点校准可由图8所示方法来完成，在那里，球64带具许多圆形配重94A94B和94C，它们的直径逐渐小。这些配重由垂直轴96支撑，从而使各配重能单独垂直运动。

如图8所示，当球64开始下降时，所有的配重均随轴96运动，这样，配重的总重量都加在球上，在球上产生最大的重力，如图10中数字98A所示，产生一个最大的压差脉冲。

包容配重94A、94B、94C的室100组成一个阶梯形侧壁102，当这些配重下降时，不同的配重将接触到不同的部分上。因此，所有配重开始下降时，产生初始的大数值的压力脉冲98A，之后顶部配重94A将接触到它相应的在侧壁102上的台阶（参见图9），这样配重94A上的重力不再传到球64上。于是，此后由球产生的压差脉冲将相应减小，这已由图10曲线中98B的位置示出。当每个接连的配重接触侧壁102后，输出压力都将相应减小，从而产生一个象图10中所示的阶梯式输出压力信号，产生连续的逐渐降低的压力脉冲，如果压力脉冲之间要求相差相同数值，那么配重94A、94B、94C应当具有相同的重量。

施加到仪器上的静压力经常地不时地发生显著变化，在很多实际应用中，防止这种变化引起相应的校准误差是很重要的。这种误差的一种可能的根源是筒62的直径的膨胀（或收缩）引起肃止压力的增大（或减小）。因为由落球所产生的压差是与它的浸入重量除以筒的横截面积成正比的，面积的任何变化都会导致所产生压力的相应变化。

图11表示一种避免或减小这种静压力变化作用的结构，在这个结构中，底部配重容纳室80绕筒62向上延伸到图中序号110处。这样，筒壁的内表面和外表面上的压力总是相等的，从而防止了筒直径的任何膨胀，由此防止了由于静压导致膨胀所引起的标准压力信号的任何变化。

由于静止变化而引起的误差的另一个原因是液体比重的变化，它是随静压变化而变化的，因为上述装置的标准输出信号是与下落物体的重量减小它的浮力成正比的，液体比重的变化引起浮力的变化从而导致压力的改变。然而，这种潜在的误差可以通过保持（W-L）为常数的办法减小。更确切地讲，当液体比重L随静压力增加时，配重的比重W也应作相应增加。

图12A表示了一种配重82B，它的比重能够随周围液体的静压力的变化自动改变，这个配重包括一个压力响应膜片112，如图所示，在零静压下，膜片直接延伸通过配重内的浅凹部分114。当静压增大时，如图12B所示，膜片向内凹陷，从而减小了配重的总体积。这种结构的膜片，使配重体积的变化（产生配重比重的相应变化）补偿了由于液体比重的增加所引起的浮力的增大。设计上可以使任何超出压力测量仪器的静压极限的静压都将使膜片贴在凹陷部分114的弯曲底部，从而防止膜片的非弹性变化形式彻底损坏。

虽然上面已经详细叙述了几个本发明的最佳实施例，它们表明了本发明的原理，但对本发明并没有限制，因为对于那些本技术领域的技术人员显然可在本发明原理的基础上能够做出许多改进，但都不会超出本发明的真正范围。

Claims (29)

1、一种标准压力装置，其中包含一个充满液体的室，室内有一个物体，其尺寸使它与该室的内壁形成密配合，该物体在室内可运动，从而产生一个标准压力信号。

为增加上述标准压力信号对这种装置进行的改进包括：

在所述室外部，一个可动配重可控制地连接在所述物体上，从而增加作用在该物体上的力。

2、根据权利要求1的装置，所述配重是在该物体下面。

3、根据权利要求2的装置，所述配重由连接零件悬挂在物体上。

4、根据权利要求3的装置，所述连接零件是一个刚性杆。

5、根据权利要求2的装置，它包括在所述室的下面形成的一个腔室，以便容纳所述配重;

该腔室充满液体并且与所述室连通。

6、根据权利要求5的装置，所述室有一个轴向尺寸，所述物体可以进行运动，该室在该轴向尺寸上还有一个预定的横截面积;

在该腔室进行运动的所述配重是作与该轴向相平行的方向的运动;

该腔室在该轴向方向的横截面积明显大于该物体的横截面积。

7、根据权利要求6的装置，所述室包括一个垂直安装的圆柱筒;

具有圆形截面的所述物体装配在该圆柱筒内。

8、根据权利要求7的装置，所述腔室的横截面是圆形并且与该圆柱筒共轴;

9、根据权利要求8的装置，所述配重是圆柱形并且它的轴与所述的腔室的轴重合。

10、一个标准压力装置包括：

一个支撑结构;

一个具有垂直轴向尺寸的充满液体的室;

一个在该室内的物体，其尺寸使它与室的内壁形成密配合，这个物体依靠其重力可通过该垂直尺寸移动，从而产生标准压力信号;

在毗邻该室处有一个与其连通的充满液体的腔室;

在该腔室内有一个配重;

一个连接该配重和该物体的零件，作用在该配重上的重力增加了使所述物体通过所述室向下运动的力;

安装在所述室上的使该室相对于所述支撑结构作摆动运动的装置，以便使所述轴向尺寸在所述支撑结构倾斜时仍保持垂直，由此避免了在该室和所述物体一连接零件一配重组件之间的干涉。

11、根据权利要求10的装置，至少一部分所述腔室在所述室的下面;

柔性液体密封装置在该室的顶部从而使该室能适应所述的摆动运动。

12、根据权利要求11的装置，所述的密封装置包括一个伸缩软管。

13、根据权利要求10的装置，所述室是一个垂直安装的筒。

14、根据权利要求13的装置，所述物体是一个球。

15、根据权利要求14的装置，所述连接件是一个连接所述球和配重的刚性杆。

16、一个标准压力装置包括：

一个具有轴向尺寸的充满液体的室;

在该室内有一个物体，其尺寸使它与室的内壁表面形成密配合，这个物体能沿轴向运动从而产生一个标准压力信号;

在该室的外部有一个配重可控制地连接到该物体上以增加作用在该物体上的使物体通过该室的力;

该配重有一个位于该物体下面的第一部分和以第一部分向上延伸到至少与上述物体并排的位置的第二部分，从而缩小了室和配重组件的总的垂直方向的尺寸。

17、根据权利要求16的装置，所述轴向室是由垂直布置的筒组成的;

一个充满液体的腔室有一个低于该筒的底部第一部分和侧壁组成的第二部分，侧壁绕该筒且沿筒向上延伸;

所述第二配重部分位于该第二部分内。

18、根据权利要求17的装置，所述第二配重部分是圆柱形并且绕所述筒延伸。

19、一个标准压力装置包括：

一个具有轴向尺寸的充满液体的室;

在该室内有一个物体，其尺寸使它与室的内壁形成密的配合，该物体能沿轴向运动，从而产生标准压力信号;

在该室的外部有许多配重;

支撑该配重的部件使这些配重在重力作用下单独地向下运动;

可控制地连接该配重和所述物体的部件，因此，作用在该配重上的重力增加了使该物体通过所述室运动的力;

用来逐次并且单独停止每个所述配重向下运动的部件，使施加到该物体上的力也逐次变化，由此逐渐减小当该物体通过所述室时施加到该物体上的力，从而形成一个具有阶梯压力特征的标准压力脉冲。

20、根据权利要求19的装置，所述室的方位是垂直的，从而使作用在所述物体上的重力使该物体趋向通过该室向下运动。

21、根据权利要求20的装置，所述配重位于所述物体的下面。

22、根据权利要求21的装置，所述配重是在充满液体的腔室下面并且与充满液体的所述室的内部相通。

23、根据权利要求19的装置，所述配重是一个一个地叠放排列的。

24、根据权利要求23的装置，所述配重有逐渐不同的横截面尺寸，最下边的配重横截面积最小;

一个容纳上述配重的室形成一种具有逐次不同横截面的垂直方向阶梯排列的支撑面，以分别容纳配重和当配重通过所述的室向下运动时，又可分别阻止配重的运动，由此减小施加到所述物体上的力。

25、一个标准压力装置包括：

一个具有轴向尺寸的充满液体的室;

在上述室内有一个物体，其尺寸使该物体与该室内壁表面形成密配合，这个物体可沿轴向移动，从而产生一个标准压力信号;

在所述室的外部有一个充满液体腔室，它们之间可用液体连通;

在所述腔室内有一个配重，可控制地连接在所述物体上从而增加作用在物体上的使它通过所述室向下运动的力;

所述的腔室有一部分，至少与所述室的壁的一部分并排布置，由此保证那部分室壁的内表面和外表面的压力相等。

26、根据权利要求25的装置，绕所述室壁的腔室部分至少是明显顺所述轴向尺寸的长度方向走向的。

27、根据权利要求26的装置，所述室是由筒构成的。

所述的腔室部分是圆柱形。

28、一个标准压力装置包括：

一个具有轴向尺寸的充满液体的室;

在所述室内有一个物体，其尺寸使该物体与该室内壁表面形成密配合，这个物体可在室内移动从而产生一个标准压力信号;

在所述室的外部有一个充满液体的腔室，它们之间可用液体连通;

在所述腔室内有一个配重可控制地连接到所述物体上，从而增加作用在物体上使它通过所述室运动的力;

所述配重具有使该配重的体积随体压力变化而变化的压力一响应部件，由此来补偿随压力变化而引起的液体比重的变化。

29、根据权利要求28的装置，所述的压力-响应部件包括一个固定在配重上的膜片，随着压力增加膜片向内凹陷，从而减小配重的总体积。

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