一种毛细连通管式差压传感器及测量方法

摘要

本发明公开了一种毛细连通管式差压传感器，外壳与第一弹性膜片和第二弹性膜片形成内部填充绝缘胶体的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体相互连通，两者之间设置有中心带有细长毛细管的毛细连通管，毛细管的上下内壁分别嵌有材质、形状相同的上下电阻丝，上下电阻丝之间、长度方向中点设置有水银柱，水银柱将两侧的绝缘胶体隔离；上电阻丝分别外接有两个接线柱，下电阻丝外接有一个接线柱。具体测量环境压差时，外接压力作用的第一弹性膜片和第二弹性膜片上时，推动水银柱位移而偏离电阻丝中心点，此时实施测量整根电阻丝的电阻和上下电阻丝接线柱之间的电阻值可得出水银柱偏离中心点的位移量，进而推倒出两侧的压差。

权利要求

1.一种毛细连通管式差压传感器，其特征在于，包含“H”形外壳、第一弹性膜片以及第二弹性膜片，所述外壳与所述的第一弹性膜片以及所述的第二弹性膜片分别形成相互连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体之间设有绝缘的毛细连通管，所述毛细连通管的中心设有沿长度方向贯穿的毛细管，所述毛细管的上下表面分别设有材料和尺寸相同的上电阻丝和下电阻丝，所述上电阻丝和所述下电阻丝相互平行、空间上相互独立且端部两两对齐，所述上电阻丝的两端分别外接有电连接的第一接线柱和第二接线柱，在所述下电阻丝上、与第一接线柱同侧的一端设有电连接的第三接线柱，所述的第一腔体和所述的第二腔体内设有绝缘胶体，且所述毛细管内、在所述上电阻丝和所述下电阻丝长度方向的中心点设有用于实现所述上电阻丝和所述下电阻丝电连接以及分隔所述第一腔体和所述第二腔体内绝缘胶体的水银柱。

2.根据权利要求1所述的一种毛细连通管式差压传感器，其特征在于，所述的第一弹性膜片和所述的第二弹性膜片的外侧分别设有与外壳固定连接的第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和所述的第二盖板分别与所述的第一弹性膜片和所述的第二弹性膜片形成第一压力腔和第二压力腔，所述的第一盖板和所述第二盖板中心分别设有第一压力通道和第二压力通道。

3.根据权利要求1所述的一种毛细连通管式差压传感器，其特征在于，所述的绝缘胶体为硅油。

4.一种利用权利要求1所述的一种毛细连通管式差压传感器的压差测量方法，包含以下步骤：A、测量第一接线柱和第二接线柱之间的电阻值R12，由以下公式得到实时的单位长度的电阻值r：其中，L为电阻丝长度；

B、测量第一接线柱和第三接线柱之间的电阻值R13，由以下公式得到水银柱偏离电阻丝中心点的位移量ΔL；

或者

确保ΔL为正；

C、由以下公式得到压差量ΔP：

其中，k为常数，SC为毛细连通管流通截面积，S为第一弹性膜片和第二弹性膜片的有效面积。

说明书

一种毛细连通管式差压传感器及测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于差压测量技术领域，具体涉及到一种毛细连通管式差压传感器。

背景技术

[0002] 差压传感器是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。差压传感器在微流量测量、泄漏测试、洁净间监测、环境密封性检测、气体流量测量、液位高低测量等许多高精度测量场合都有着广泛的应用。

[0003] 目前，差压传感器主要有压阻式和电容式两种。压阻式差压传感器的主要测压部件是硅压阻式传感芯片，芯片的核心部分是硅膜片，上面用半导体工艺的扩散掺杂法做4个相等的电阻，接成惠斯登电桥。该传感器的优点是结构简单、工作端面平整。不足之处是其灵敏度与频率响应之间存在着比较突出的矛盾，且温度对此种传感器的性能影响也比较大。电容式差压传感器由中心测量膜片与固定电极构成两个可变电容，测量时，两侧压力差使中心测量膜片产生对应于压力差的变形位移量。电容式传感器具有结构简单，灵敏度高，动态响应特性好，抗过载能力强，对高温、辐射和强烈振动等恶劣条件适应性强等优点，其缺点是输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响等。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种毛细连通管式差压传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0005] 一种毛细连通管式差压传感器，其特征在于，包含“H”形外壳、第一弹性膜片以及第二弹性膜片，所述外壳与所述的第一弹性膜片以及所述的第二弹性膜片分别形成相互连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体之间设有绝缘的毛细连通管，所述毛细连通管的中心设有沿长度方向贯穿的毛细管，所述毛细管的上下表面分别设有材料和尺寸相同的上电阻丝和下电阻丝，所述上电阻丝和所述下电阻丝相互平行、空间上相互独立且端部两两对齐，所述上电阻丝的两端分别外接有电连接的第一接线柱和第二接线柱，在所述下电阻丝上、与第一接线柱同侧的一端设有电连接的第三接线柱，所述的第一腔体和所述的第二腔体内设有绝缘胶体，且所述毛细管内、在所述上电阻丝和所述下电阻丝长度方向的中心点设有用于实现所述上电阻丝和所述下电阻丝电连接以及分隔所述第一腔体和所述第二腔体内绝缘胶体的水银柱。

[0006] 上述方案中，外壳与第一弹性膜片和第二弹性膜片形成内部填充绝缘胶体的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体相互连通，两者之间设置有中心带有细长毛细管的毛细连通管，毛细管的上下内壁分别嵌有材质、形状相同的上下电阻丝，上下电阻丝之间、长度方向中点设置有水银柱，水银柱将两侧的绝缘胶体隔离；上电阻丝分别外接有两个接线柱，下电阻丝外接有一个接线柱。具体测量环境压差时，外接压力作用的第一弹性膜片和第二弹性膜片上时，膜片发生形变，并推动绝缘胶体移动，进而推动水银柱位移而偏离电阻丝中心点，此时实施测量整根电阻丝的电阻和上下电阻丝接线柱之间的电阻值可得出水银柱偏离中心点的位移量，进而推倒出两侧的压差。

[0007] 作为优选，所述的第一弹性膜片和所述的第二弹性膜片的外侧分别设有与外壳固定连接的第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和所述的第二盖板分别与所述的第一弹性膜片和所述的第二弹性膜片形成第一压力腔和第二压力腔，所述的第一盖板和所述第二盖板中心分别设有第一压力通道和第二压力通道。

[0008] 作为优选，所述的绝缘胶体为硅油。

[0009] 一种毛细连通管式差压测量方法，包含以下步骤：

[0010] A、测量第一接线柱和第二接线柱之间的电阻值R12，由以下公式得到实时的单位长度的电阻值r：

[0011]

[0012] 其中，L为电阻丝长度；

[0013] B、测量第一接线柱和第三接线柱之间的电阻值R13，由以下公式得到水银柱偏离电阻丝中心点的位移量ΔL；

[0014] 或者

[0015] 其中，确保ΔL为正；

[0016] C、由以下公式得到压差量ΔP：

[0017]

[0018] 其中，k为常数，SC为毛细连通管流通截面积，S为第一弹性膜片和第二弹性膜片的有效面积。

[0019] 上述方案中，当水银柱位于电阻丝中心位置时，R12＝R13；步骤B在测量水银柱偏离中心的位移量时，因为压差具有方向性，所以水银柱偏离中心点的方向也不同，为了确保位移量为正值，故适用不同的公式。步骤C中，常数k取决于具体的第一弹性膜片和第二弹性膜片的性能参数。

[0020] 与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

[0021] 1)采用这种测量方法，压差正比于水银柱位移，输出的电信号与差压线性关系好，计算模型简单，容易实现在较大量程范围的精确测量。

[0022] 2)通过选用较细的毛细连接管、增大传感器壳体和膜片直径、以及选用更薄的弹性膜片，可以提高本传感器测量敏感度，并实现更小差压的测量，这种测量方法容易实现微小差压的测量。

[0023] 3)该传感器测量结果不受温度影响。

附图说明

[0024] 图1为一种毛细连通管式差压传感器实施例的结构图；

[0025] 图2为一种毛细连通管式差压传感器实施例的膜片形变状态示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例对本发明做进一步的描述。

[0027] 以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。

[0028] 如图1所示，一种毛细连通管式差压传感器，包含“H”形外壳1、第一弹性膜片2以及第二弹性膜片3，外壳1与第一弹性膜片2以及第二弹性膜片3分别形成相互连通的第一腔体4和第二腔体5，第一腔体4和第二腔体5之间设有绝缘的毛细连通管6，毛细连通管6的中心设有沿长度方向贯穿的毛细管7，毛细管7的上下表面分别设有材料和尺寸相同的上电阻丝
8和下电阻丝9，上电阻丝8和所述下电阻丝9相互平行、空间上相互独立且端部两两对齐，上电阻丝8的两端分别外接有电连接的第一接线柱10和第二接线柱11，在下电阻丝9上、与第一接线柱10同侧的一端设有电连接的第三接线柱12，第一腔体4和第二腔体5内设有硅油
13，且毛细管7内、在上电阻丝8和下电阻丝9长度方向的中心点设有用于实现上电阻丝8和下电阻丝9电连接以及分隔第一腔体4和第二腔体5内硅油13的水银柱14。第一弹性膜片2和第二弹性膜片3的外侧分别设有与外壳1固定连接的第一盖板15和第二盖板16，第一盖板15和第二盖板16分别与第一弹性膜片2和第二弹性膜片3形成第一压力腔17和第二压力腔18，第一盖板15和第二盖板16中心分别设有第一压力通道19和第二压力通道20。

[0029] 外壳1与第一弹性膜片2和第二弹性膜片3形成内部填充硅油13的第一腔体4和第二腔体5，第一腔体4和第二腔体5相互连通，两者之间设置有中心带有细长毛细管7的毛细连通管6，毛细管7的上下内壁分别嵌有材质、形状相同的上下电阻丝，上下电阻丝之间、长度方向中点设置有水银柱14，水银柱14将两侧的硅油13隔离；上电阻丝8分别外接有两个接线柱，下电阻丝9外接有一个接线柱。具体测量环境压差时，当两端差压为零时，水银柱14位于毛细管7中心附近，而当两端存在差压时，外接压力作用的第一弹性膜片2和第二弹性膜片3上时，膜片发生形变，并推动硅油13移动，进而推动水银柱14位移而偏离电阻丝中心点，水银液14柱位移量与差压成正比，此时实施测量整根电阻丝的电阻和上下电阻丝接线柱之间的电阻值可得出水银柱偏离中心点的位移量，进而推倒出两侧的压差。

[0030] 电阻丝的阻值与温度相关，为了消除温度影响，在测量第二接线柱11和第三接线柱12之间电阻的同时测量第一接线柱10与第二接线柱11之间的电阻，即单根电阻丝的的电阻。根据单根电阻丝阻值得到单位长度电阻丝的阻值，由此基于第二接线柱11和第三接线柱12之间电阻变化值计算出对应的水银柱14移动位移。

[0031] 一种毛细连通管式差压测量方法，图2为毛细连通管差压测量方法原理示意图，图中弹性膜片因两端存在压差均为形变状态，具体测量方法说明如下：

[0032] 假设第一弹性膜片和第二弹性膜片的有效面积相等，均为S，毛细管流通截面积为SC，当差压为ΔP时，弹性膜片轴向变形量为e，水银液柱位移为ΔL。则ΔL与e的关系为[0033]

[0034] 弹性膜片和毛细连通管截面积比值S/SC很大，相当于把形变量放大了，使得准确测量变得容易。

[0035] 当形变量较小时，弹性膜片轴向变形e与差压ΔP之间的关系近似为线性，假设[0036] ΔP＝ke   (2)

[0037] k为系数。

[0038] 则ΔP与ΔL关系为

[0039]

[0040] 结合图2，假设差压为0时第一接线柱和第二接线柱之间电阻丝阻值为R12，差压为ΔP时，第二接线柱和第三接线柱之间电阻丝阻值为R23，阻值变化量记为[0041] ΔR＝R12-R23   (4)

[0042] 单根电阻丝的电阻值即为R12，单位长度电阻丝的电阻为：

[0043]

[0044] 其中，L为单根电阻丝的长度。

[0045] 由于上下两根电阻丝材料和截面尺寸完全相同

[0046]

[0047]

[0048] 由式(3)和(7)得到

[0049]

[0050]

[0051] 上式中，R12与R23是在同样温度下测量的，因此测量结果无需进行温度修正。

[0052] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。