CN101476959B - 一种测量量程高达1000MPa的超高压智能压力变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量量程高达1000MPa的超高压智能压力变送器，由平面膜片式压力敏感元件、热敏电阻、桥式电阻应变计、外管、HART协议智能板、密封端子、电缆组成，所述的平面膜片式压力敏感元件的压力敏感部位是设置在空心圆柱形引压管孔的底部平面上的弹性平面膜片。本发明的超高压压力变送器的量程可以达到1000MPa，最高可达1400MPa。在超高压1000MPa的压力下，本发明有很强的耐多次冲击和过压冲击。测量介质温度的热敏电阻置于压力敏感芯子之上，能够快速、准确地感应测量介质的温度。采用HART协议智能板对数据进行数字化处理并输出标准信号，为需要测量超高压力的场合提供了一种高性能、高可靠性的超高压智能变送器。
Description
技术领域：
本发明涉及一种测量流体介质压力的变送器，特别适用于压力高达1000MPa的超高压测量和控制设备当中的超高压智能压力变送器。
背景技术：
目前，在超高压测量仪表领域里，对于压力敏感元件，通常是采用空心圆柱式的压力敏感元件方式(如图2所示)。这种元件是将压力敏感部位设置在空心圆柱引压孔圆柱外壁上。其工作原理是：当被测介质的压力作用下用于空心圆柱式压力敏感元件内壁时，空心圆柱因受力而产生径向的膨胀形变。这种状况使贴于外壁的电阻式应变片的阻值发生改变而产生输出讯号，将这输出讯号加以放大处理，转换成4～20mA标准信号输出。这种空心圆柱式的压力敏感元件只是以柱体的形变而取得压力讯号。因此，它存在以下不足，第一，输出信号低，一般只有0.5～1mV/V，信噪比也极低；第二，零点不稳定，在超高压作用下这种元件容易产生弹性疲劳，使零点严重漂移；第三，使用寿命短，在高压数千次冲击下容易出现断裂现象，导致变送器不能工作；第四，由于空心圆柱式压力敏感元件结构上的原因，高压下其测试准确度低于0.2％。
发明内容：
针对上述的问题，本发明的目的是提供了一种测量量程高达1000MPa的超高压智能压力变送器，对压力敏感元件的结构进行了新的设计，成为平面膜片式压力敏感元件。
本发明的目的是通过以下技术方案解决：一种测量量程高达1000MPa的超高压智能压力变送器，由平面膜片式压力敏感元件、热敏电阻、桥式电阻应变计、外管、HART协议智能板、密封端子、电缆组合而成，其特征在于：所述的平面膜片式压力敏感元件的压力敏感部位是设置在空心圆柱形引压管孔的底部平面上的弹性平面膜片，其中位于空心圆柱形引压管孔的交接处还设有一半径为0.40mm≤R≤0.80mm的过渡圆弧面，圆弧半径的取值由被测压力大小而决定，通过该结构可以实现精确测量量程高达1000MPa。
上述的超高压智能压力变送器，所述的弹性平面膜片的厚度为1.50mm≤T≤3.00mm，具体由被测压力大小而决定。
上述的超高压智能压力变送器，所述的空心圆柱形引压管孔的直径小于3mm。
上述的超高压智能压力变送器，所述的桥式电阻应变计是根据平面膜片式敏感元件的弹性平面膜片的拉伸形变区和压缩形变区的对应位置而专门设计的圆形桥式电阻应变计。
上述的超高压智能压力变送器，所述的热敏电阻置于平面膜片式压力敏感元件的圆柱形侧外壁上，使之能够快速、准确感应得被测量介质的温度，从而使智能板能够对温度进行精确、快速、同步的补偿。
上述的超高压智能压力变送器，所述的HART协议智能板能将电阻应变计和热敏电阻输出的信号进行数字化处理，并转换成4～20mADC叠加HART通信协议信号输出，满足自动控制***中现场总线的要求。
本发明具有如下特点：压力敏感元件采用平面膜片式的结构形式，以获得更高的、更稳定的、高达2-3mv/v压力应变信号；压力敏感元件的引压孔与底部的弹性平面膜片交界处不是直角，而是设计成具有半径为R的过渡圆弧面，以提高超高压的情况下防撕裂的能力、耐冲击能力和耐过压能力；所述桥式电阻应变计是针对弹性平面膜片的拉伸形变区和压缩形变区的对应位置而专门设计的圆形桥式电阻应变计，以获得最大的信号和信噪比。测量介质温度的热敏电阻置于压力敏感芯子之上，能够快速、准确感应测量介质的温度。采用HART协议智能板对数据进行数字化处理，提高压力变送器的各种性能。
附图说明：
图1为本发明的总装结构示意图；
图2为现有技术的空心圆柱式压力敏感元件示意图；
图3为本发明的平面膜片式压力敏感元件的示意图。
下面结合附图对本发明的具体实施例作详细说明：
如图1所示，本发明由平面膜片式压力敏感元件1、热敏电阻2、桥式电阻应变计3、外管4、HART协议智能板5、密封端子6、电缆7、空心圆柱形引压管孔(8)、弹性平面膜片(9)组合构成。
如图2所示，为现有技术结构图空心圆柱式压力敏感元件1、电阻应变计2。
具体实施方式：
如图1、图3所示，在平面膜片式压力敏感元件1的设计上加工是本发明实施的关键，弹性平面膜片9的加工，需要保证引压管孔8底部弹性平面膜片的平面性，需要控制弹性平面膜片的厚度T，T的取值由被测压力的大小而决定，量程越高，T越大，本发明取值为1.50mm≤T≤3.00mm，厚度的误差控制在0.01mm；需要控制平面膜片的平行度，允许误差在0.005mm的范围之内；需要保证引压管孔8与底部平面的交界处有一半径为R的过渡圆弧面，此R的大小是由被测压力大小而决定，本发明取值为0.4mm≤R≤0.80mm的过渡圆弧面。加工成形之后，要经过热处理，才能成为理想的弹性平面膜片。经过这样处理后，可承受1000MPa压力循环冲击压力次数达10万次以上。
本发明利用热传导性能高的导热胶将热敏电阻2紧贴在压力敏感元件1上，如图1所示，这样热敏电阻2可以快速地感测到被测介质的温度。我们采用Pt1000的热敏电阻，Pt1000是一种精确、灵敏、性能稳定的热敏电阻，在相同的温度下，比Pt100热敏电阻的信噪比高出一个数量级，因而其灵敏度更高，保证了超高压智能压力变送器精确采集介质温度，并进行同步温度补偿。
所述的HART协议智能板5型号为HK-H991M，其核心芯片为H100A，H100A是现今业界HART最佳解决方案，为超高压智能压力变送器提供了灵活和强大的信号处理平台，其具有如下几个优点：(1)芯片内带FLASH存储器，使所存储的数据更加安全；(2)核心IC采用六面金属封装，最大限度的屏蔽干扰信号；(3)强大的数据备份、恢复功能和现场数据保存功能；(4)具有通信功能，支持主机远距离组态和调整；(5)准确度高，可实现高可靠、高稳定性。
本发明的接线方法如图1所示，本发明为二线制(4～20mADC)压力变送器，图1中电缆出线R表示接电源正极，出线B表示压力变送器信号输出正端。在超高压智能压力变送器的量程范围内，随压力的不同，可对应输出4～20mADC叠加HART通信协议信号，将此信号输入到计算机、PLC等二次控制仪表，实现信号检测与控制。
本发明的工作原理是：当被测介质的压力作用于平面膜片式压力敏感元件1时，弹性平面膜片9受力的作用而向外膨胀，膜片的中心鼓起，形成弹性拉伸形变区，而膜片的根部(即与引压管孔8孔径大小相当的部位)则形成一个弹性压缩形变区，处在弹性拉伸区和弹性压缩区的桥式电阻应变计，会产生高达2～3mV/V的输出信号。这个信号相当于采用空心圆柱式压力敏感元件所得的输出讯号2～4倍。从而保持很高的输出讯号和很高的信噪比。这是现有技术中所述空心圆柱式压力敏感元件的那种结构所不可能达到的。
在设计上，平面膜片9与引压管孔8的交接处，不是直角，而是设计成一具有半径为R 0.5的过渡圆弧面。这样可以大大提高抗撕裂的程度。而耐1000MPa压力冲击的次数可达80000～100000次，大大延长了使用寿命，提高了可靠性和准确度。
在设计上，承载平面膜片支承的圆柱的壁厚H可以提得很高，以降低附加的形变带来的漂移和干扰，以及极大地提高了输出讯号的准确度；壁厚与膜厚之比H∶T≥5∶1。H的值可以取得很大，所以弹性平面膜片9的厚度T可以取得很大的值，以适应更高的测量压力。这也是空心圆柱式压力敏感元件的那种结构所不可能达到的。本发明所述的超高压压力变送器的量程可以达到1000MPa，最高可达1400MPa。在这个压力下，其输出仍可以有很高的准确度，可达0.05％以上。
在设计上，桥式电阻应变计3是配合弹性平面膜片9的尺寸而专门设计的，位于弹性平面膜片9的上面，使得其桥路电阻分别处于弹性拉伸形变和弹性压缩形变的应力最高的区域；使其输出信号高达2～3mV/V，从而提高准确度。在压力高达1000MPa时，测量准确度可达到0.05％。
将热敏电阻置于电阻式应变计附近的金属圆柱面上，使热敏电阻能够快速、准确地感应到测量介质的温度。采用HART协议的智能板将压力敏感元件和热敏电阻的输出信号进行数字化处理，可提供一组4～20mADC叠加HART通信协议信号输出，能够有效地提高压力变送器的准确度和可靠性，并满足自动化控制***中现场总线的要求。
Claims (5)
1.一种测量量程高达1000MPa的超高压智能压力变送器，由平面膜片式压力敏感元件(1)、热敏电阻(2)、桥式电阻应变计(3)、外管(4)、HART协议智能板(5)、密封端子(6)、电缆(7)组合而成，其特征在于：所述的平面膜片式压力敏感元件(1)的压力敏感部位是设置在空心圆柱形引压管孔(8)的底部平面上的弹性平面膜片(9)，其中位于该空心圆柱形引压管孔(8)的交接处还设有一半径为0.40mm≤R≤0.80mm的过渡圆弧面，圆弧半径的取值由被测压力大小而决定，通过该结构可以实现精确测量量程高达1000MPa。
2.根据权利要求1所述的超高压智能压力变送器，其特征在于：所述的弹性平面膜片(9)的厚度为1.50mm≤T≤3.00mm，具体由被测压力大小而决定。
3.根据权利要求1所述的超高压智能压力变送器，其特征在于：所述的桥式电阻应变计(3)是根据平面膜片式敏感元件(1)的弹性平面膜片(9)的拉伸形变区和压缩形变区的对应位置而专门设计的圆形桥式电阻应变计。
4.根据权利要求1所述的超高压智能压力变送器，其特征在于：所述的热敏电阻(2)置于平面膜片式压力敏感元件(1)的圆柱形侧外壁上。
5.根据权利要求1所述的超高压智能压力变送器，其特征在于：所述的HART协议智能板(5)能将桥式电阻应变计(3)和热敏电阻(2)输出的信号进行数字化处理，并转换成4～20mADC叠加HART通信协议信号输出，满足自动控制***中现场总线的要求。
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