PL227812B1 - Różnicowa głowica pomiaru ciśnienia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest różnicowa głowica pomiaru ciśnienia, zawierająca ustrój pomiarowy wypełniony cieczą manometryczną.

Znane są powszechnie różnicowe głowice pomiaru ciśnienia, w których na krzemowy element sensoryczny oddziałują dwa mierzone ciśnienia. Niestety każda taka krzemowa struktura sensoryczna obarczona jest indywidualnym błędem, w postaci braku stabilności długookresowej, której efektem jest powolna zmiana sygnału (napięcia niezrównoważenia mostka) nie będąca skutkiem zmiany oddziałującego na taką strukturę ciśnienia. Efekt ten jest szczególnie uciążliwy w głowicach do pomiaru bardzo małych różnic ciśnienia, dla których zmiany sygnału pomiarowego wynikające z niestabilności elementu sensorycznego są wyraźnie widoczne na tle zmian sygnału wynikających ze zmian mierzonych ciśnień.

Przykładowa różnicowa głowica pomiarowa znana jest z brytyjskiej publikacji patentowej GB2065895. W rozwiązaniu tym głowica zawiera czujnik ciśnienia oraz dwie szczelne przestrzenie pomiarowe wypełnione cieczą manometryczną oddziałującą na element sensoryczny czujnika ciśnienia z obu jego stron. Przestrzenie pomiarowe rozdzielone są membraną przeciążeniową i odseparowane od źródeł mierzonych ciśnień membranami pomiarowymi. Dzięki odseparowaniu cieczą manometryczną i membranami pomiarowymi elementu sensorycznego od mediów, których ciśnienia są mierzone, możliwe jest stosowanie takiej głowicy do pomiarów różnicy ciśnień bardzo szerokiego spektrum mediów, w tym także agresywnych. Zastosowanie membrany przeciążeniowej chroni głowicę przed awarią, wynikającą np. z niekontrolowanego wzrostu mierzonej różnicy ciśnień.

Celem wynalazku było opracowanie różnicowej głowicy pomiarowej o możliwie małym wpływie błędów wynikających z niestabilności półprzewodnikowych elementów sensorycznych na pomiar różnicy ciśnień. Cel taki spełnia głowica według wynalazku zawierająca wejście pierwszego ciśnienia oraz wejście drugiego ciśnienia, pierwszą i drugą szczelną przestrzeń pomiarową oraz czujnik ciśnienia z komorą pomiarową rozdzieloną na dwie części półprzewodnikowym elementem sensorycznym dwustronnego działania. Wnętrze jednej części komory pomiarowej należy do pierwszej przestrzeni pomiarowej a wnętrze drugiej części komory pomiarowej należy do drugiej przestrzeni pomiarowej. Przestrzenie pomiarowe w obszarze poza komorą pomiarową rozdzielone są membraną przeciążeniową oraz oddzielone od wejść ciśnienia odpowiednio pierwszą i drugą membraną pomiarową. Wnętrze obu przestrzeni pomiarowych wypełnione jest cieczą manometryczną doprowadzające ciśnienie z obu wejść głowicy do obu stron elementu sensorycznego. Wynalazek polega na tym, że czujnik ciśnienia ma dwie komory pomiarowe. Każda z tych komór pomiarowych rozdzielona jest odrębnym piezoelektrycznym różnicowym elementem sensorycznym na dwie części, należące odpowiednio do pierwszej i drugiej przestrzeni pomiarowej. Elementy rezystancyjne każdego elementu sensorycznego tworzą mostek Wheatstone'a i oba te mostki połączone są ze sobą równolegle. Wnętrze pierwszej części pierwszej komory pomiarowej należy do drugiej przestrzeni pomiarowej, a wnętrze drugiej części pierwszej komory pomiarowej należy do pierwszej przestrzeni pomiarowej. Wnętrze pierwszej części drugiej komory pomiarowej należy do pierwszej przestrzeni pomiarowej, zaś wnętrze drugiej części drugiej komory pomiarowej należy do drugiej przestrzeni pomiarowej.

W jednym z wariantów wynalazku obie przestrzenie pomiarowe głowicy tworzą zagłębienia i kanały w dwóch sąsiadujących ze sobą pierwszymi podstawami współosiowo walcach. Pomiędzy tymi walcami zaciśnięta jest obwodowo membrana przeciążeniowa, a membrany pomiarowe znajdują się na przeciwległych względem membrany przeciążeniowej drugich podstawach tych walców.

W innym wariancie wynalazku komory pomiarowe mają postać zespołu trzech współosiowych walców, z kanałami i zagłębieniami, przy czym elementy sensoryczne znajdują się w zagłębieniach skrajnych walców sąsiadujących z walcem środkowym.

W jeszcze innym wariancie wynalazku wnętrza komór pomiarowych głowicy połączone są z resztą przestrzeni pomiarowych głowicy kapilarami.

Głowica według wynalazku skutecznie minimalizuje wpływ błędów wynikających z niestabilności struktur sensorycznych na wynik pomiaru, dzięki czemu możliwe jest wykonanie głowicy pomiarowej na bardzo małe zakresy ciśnień, zdecydowanie mniejszym niż dotychczas błędzie podstawowym i błędzie od ciśnienia statycznego oraz lepszej stabilności długoterminowej.

Wynalazek w przykładzie realizacji został poniżej szczegółowo opisany i przedstawiony na rysunku. Fig. 1 tego rysunku przedstawia widok głowicy różnicowej z boku zaś fig. 2 przedstawia przekrój tej głowicy płaszczyzną poziomą. Fig. 3, fig. 4 i fig. 5 przedstawiają przekroje pionowe tej samej

PL 227 812 B1 głowicy, fig. 6 przedstawia w uproszczeniu przekrój czujnika głowicy, a fig. 7 przedstawia jej schemat elektryczny.

Podstawą głowicy według wynalazku jest walcowe łoże lewe 1 i walcowe łoże prawe 2 o średnicy 38 mm, wykonane ze stali kwasoodpornej. Łoże 1 i łoże 2 mają zagłębienie 3 na membranę przeciążeniową 4, która zamocowana jest w głowicy poprzez zaciśnięcie jej pomiędzy łożem 1 i łożem 2 i połączenie ich spawem obwodowym 5. Po stronie przeciwnej do zagłębień 3 łoża 1 i 2 mają zagłębienia 6 na znane membrany pomiarowe 7' i 7 o średnicy 32 mm. Każda membrana pomiarowa 7 dociśnięta jest do swojego łoża (1 i 2) pierścieniem przyspawanym obwodowo do tego łoża. Do zewnętrznych powierzchni membran pomiarowych 7 doprowadza się w znany sposób mierzone przez głowicę ciśnienia oznaczone na rysunku jako P1 i P2. Zagłębienia 3 i 6 połączone są ze sobą kanałami 8' i 8 oraz wypełnione olejem silikonowym stanowiącym ciecz manometryczną głowicy. Z podstawą głowicy połączona jest rurowa osłona 9 czujnika ciśnienia, który stanowią dwa krzemowe różnicowe elementy sensoryczne 10 i 11, centralny walcowy łącznik 12 ze stali kwasoodpornej i o średnicy 16 mm, oraz dwa walcowe przepusty 13 i 14, wykonane z tego samego materiału i o analogicznych średnicach, połączone trwale z łącznikiem 12. Sąsiadujące ze sobą wycięcia w łączniku 12 i przepustach 13 i 14 tworzą dwie komory pomiarowe 15 i 16, w których osadzone są wspomniane elementy sensoryczne 10 i 11 wydzielające w tych komorach (15, 16) ich część pierwszą, odpowiednio 25 i 26, oraz ich część drugą, odpowiednio 27 i 28. Obie komory pomiarowe 15 i 16 mają po dwa wejścia 17 i 19 oraz 18 i 20, doprowadzające ciecz manometryczną do obu stron elementów sensorycznych 10 i 11, czyli do pierwszych (25, 26) i drugich (27, 28) ich części. Wejścia 17, 18, 19 i 20 komór pomiarowych 15 i 16 połączone są ze sobą metalowymi kapilarami 21 ' i 21 o średnicy 1 mm. Kapilary 21 łączą także czujnik ciśnienia z wewnętrznymi przestrzeniami w podstawie głowicy. Komory pomiarowe 15 i 16, kapilary 21 oraz wewnętrzne przestrzenie łoża 1 i 2 stanowią dwie przestrzenie pomiarowe szczelnie wypełnione cieczą manometryczną i oddzielone od siebie membraną przeciążeniową 4. Na ciecz manometryczną wypełniającą pierwszą przestrzeń pomiarową oddziałuje ciśnienie P1 zaś na drugą przestrzeń pomiarową oddziałuję ciśnienie P2. Pierwsza część 25 pierwszej komory pomiarowej 15 połączona jest z drugą częścią 28 drugiej komory pomiarowej 16 i z obszarem drugiej przestrzeni pomiarowej znajdującej się w sąsiedztwie membrany pomiarowej 7, do której doprowadza się ciśnienie P2. Druga część 27 pierwszej komory pomiarowej 15 połączona jest z pierwszą częścią 26 drugiej komory pomiarowej 16 i z obszarem pierwszej przestrzeni pomiarowej znajdującej się w sąsiedztwie membrany pomiarowej 7', do której doprowadza się ciśnienie P1. Każdy element sensoryczny 10 i 11 jest scalonym mostkiem Wheatstone'a, których wyjścia połączone są z przewodami 22 przechodzącymi szczelnie przez przepusty 13 i 14 oraz połączonymi z płytką 23 drukowaną, z którą z kolei połączony jest kabel wyjściowy 24 głowicy. Jak uwidoczniono na fig. 7, mostki Wheatstone'a 10, 11 połączone są równolegle. Połączenie to jest zrealizowane na płytce 23 za pomocą ścieżek drukowanych, z którymi połączone są przewody 22.

Claims (4)

1. Różnicowa głowica pomiaru ciśnienia, zawierająca wejście pierwszego ciśnienia oraz wejście drugiego ciśnienia, pierwszą i drugą szczelną przestrzeń pomiarową oraz czujnik ciśnienia z komorą pomiarową rozdzieloną na dwie części półprzewodnikowym elementem sensorycznym dwustronnego działania, w której to głowicy wnętrze jednej części komory pomiarowej należy do pierwszej przestrzeni pomiarowej a wnętrze drugiej części komory pomiarowej należy do drugiej przestrzeni pomiarowej, przestrzenie pomiarowe w obszarze poza komorą pomiarową rozdzielone są membraną przeciążeniową oraz oddzielone od wejść ciśnienia odpowiednio pierwszą i drugą membraną pomiarową, zaś wnętrza obu przestrzeni pomiarowych wypełnione są cieczą manometryczną doprowadzającą ciśnienie z obu wejść głowicy do obu stron elementu sensorycznego, znamienna tym, że czujnik ciśnienia ma dwie komory pomiarowe (15, 16), a każda z tych komór pomiarowych (15, 16) rozdzielona jest odrębnym piezoelektrycznym różnicowym elementem sensorycznym (10, 11) na dwie części (25, 26, 27, 28) należące odpowiednio do pierwszej (3', 6', 21', 26, 27) i drugiej (3, 6, 21, 25, 28) przestrzeni pomiarowej, elementy rezystancyjne każdego elementu sensorycznego (10, 11) tworzą mostek Wheatstone'a i oba te mostki połączone są ze sobą równolegle, przy czym wnętrze pierwszej części (25) pierwszej komory pomiarowej (15) należy do

PL 227 812 B1 drugiej przestrzeni pomiarowej, wnętrze drugiej części (27) pierwszej komory pomiarowej (15) należy do pierwszej przestrzeni pomiarowej, wnętrze pierwszej części (26) drugiej komory pomiarowej (16) należy do pierwszej przestrzeni pomiarowej, zaś wnętrze drugiej części (28) drugiej komory pomiarowej (16) należy do drugiej przestrzeni pomiarowej.

2. Głowica według zastrz. 1, znamienna tym, że obie przestrzenie pomiarowe tworzą zagłębienia (3', 3, 6', 6) i kanały (8', 8) w dwóch sąsiadujących ze sobą pierwszymi podstawami współosiowo walcach (1, 2), pomiędzy którymi zaciśnięta jest obwodowo membrana przeciążeniowa (4), a membrany pomiarowe (7', 7) znajdują się na przeciwległych względem membrany przeciążeniowej (4) drugich podstawach tych walców (1,2).

3. Głowica według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że komory pomiarowe (15, 16) mają postać zespołu trzech współosiowych walców (12, 13, 14), z kanałami i zagłębieniami, przy czym elementy sensoryczne (10, 11) znajdują się w zagłębieniach skrajnych walców (13, 14) sąsiadujących z walcem środkowym (12).

4. Głowica według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienna tym, że wnętrza komór pomiarowych (15, 16) połączone są z resztą przestrzeni pomiarowych głowicy kapilarami (21).

PL 227 812 Β1