CN1233324A - 将压差转换为电信号的检测元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将压差转换成电信号的检测元件(28)包括:两个腔(38,40),填有不可压缩的流体,每个由一个相应的膜(32,34)封闭,膜适于在外压下变形,腔由一个刚性的壁(36,52,56)彼此分开;与所述壁配套的传感器(42),响应于在壁两侧施加的压差,与此响应发出电信号;这样的检测元件的特征是,至少一个通道(50,54,58)形成在两个腔(38,40)间,具有适当的尺寸,能够至少衰减在低频或零频时在壁两侧上存在的压差,并使得所述传感器能够以较高频率测定的在壁两侧上施加的压差。

Description

将压差转换为电信号的检测元件

本发明涉及一种将压差转换为电信号的检测元件，检测元件包括：

两个填充有不可压缩流体的腔，每个腔由一个相应的膜封闭，所述膜适于在外部压力作用下变形，各腔由一个刚性壁彼此分隔开；以及

与所述壁相关联并对横跨所述壁施加的压差作出响应的传感器，响应所述压差而传送一电信号。

这样的检测元件有很多用途，特别是用在流体振荡器流量计中。

这类流量计是相对一纵向平面对称的，其中的流体流动转变成一射流，所述射流在与流体的流速成比例的振荡频率下在一个“振荡腔”中相对于所述平面横向振荡。

由相对于上述限定的纵平面对称的射流交替占据的两个位置间出现的压差变化，由检测元件转换成代表其振荡频率的电信号。

配套的电子装置将电信号转变成可用于确定流体在振荡器中的流速和已经流过的体积的方波。

因此，可以设置一个通道，连接分别与射流的两个对称位置相应的两个压力发生点；并在相应于射流的两个极端对称位置的两个压力发生点之间的通道中设置一个转换器，以便取得代表压差的电信号。

转换检测元件具有充满油等不可压缩流体的两个腔，两个腔由刚性壁分开，每个腔由一个远离所述壁的膜限定。

每个模接触所述通道的流体并直接受到所述流体的压力。其结果，两个膜连续受到按照射流的振荡交替变化的不同压力的作用。这些压力经由各腔中的不可压缩流体传递到分隔壁。

分隔各腔的壁安装有一个压差传感器，其与每个腔连通，以便暴露在其中的压力下。

例如，传感器可以是文献CH680392中说明的传感器，其包括一个在两个可变形件间的固定的中心件，每个可变形件承受相应腔中的压力。

两个连通的平行腔分别形成在每个可变形件和中心件之间以使传感器得以操作。包括中心件和一个变形件的件耦设有相应的电极，彼此面对并形成一个电容，其在不同压力施加到每个可变形件上时以不同方式变化。

在各腔充满不可压缩流体然后被密封时，很可能两个腔中的充满和密封操作不一致，所以有可能在两腔间产生压差。

如果各腔的体积不是绝对相同，且所述膜不具有精确的相同刚度，压差可能进一步增加。

由于这种“寄生”压差，传感器的(各)可变形件受到残余变形，自动引起随后测量的误差。

在较低或为零的频率下，在检测元件置放其中的介质的温度增加时，这个现象将恶化(非重复现象)，因为在这样的情况下，各腔的体积彼此增加不同，从而引起可变形件较大的残余变形，因此在进行任何测量前诱发更大的误差。

为避免上述现象，在制造转换检测元件时，必须特别注意，使得制造过程较复杂并增加成本。

因此，设计一种比现有检测元件制造简单并且廉价同时对温度漂移问题不敏感的检测元件是有利的。

因此本发明提供一种将压差转换为电信号的检测元件，检测元件包括：

两个填充有不可压缩流体的腔，每个腔由一个相应的膜封闭，所述膜适于在外部压力作用下变形，各腔由一个刚性壁彼此分隔开；以及

与所述壁相关联并对横跨所述壁施加的压差作出响应的传感器，响应所述压差而传送一电信号；

其中，至少一个通道形成在两个腔之间并具有适当的尺寸，以便第一至少衰减在低或为零的频率下横跨壁存在的寄生压差，以及第二使得所述传感器能够测定在较高频率下横跨壁作用的压差。

不采用本发明，在低于由压差传感器检测的工作范围内的频率的频率下出现在腔分隔壁两侧的寄生压差仍然作用于所述传感器。

通过允许不可压缩的流体通过所述通道，具有合适尺寸的通道用于在低频下衰减而在很低频率下消除此种寄生压差，从而可以准静态方式使各腔中的压力达到平衡。

在寄生压差的频率下，所述通道起流体过滤器的作用。

通道的尺寸取决于诸如流体粘度、在其以下寄生压差在传感器上大为衰减的截止频率和膜的材料尺寸等参数，因此对于每种应用，所述各尺寸需要作为工作频率范围和寄生压差频率的函数进行确定。

在工作频率范围的低频率以上，通道不应滤出分隔壁两侧的各腔间的压差，因为那样会阻碍在所述频率范围中传感器的工作。

在本发明的一个实施例中，合适尺寸的通道是形成在分开腔的壁上。

在另一实施例中，贯穿将所述各腔分隔开的壁形成有一个孔口，其尺寸比通道的适当尺寸大，所述通道形成在配装于所述分隔壁上的一附加件上，使得所述通道和孔口彼此连通。

而在另一个实施例中，合适尺寸的通道为将腔分隔壁旁路的连通通道。

根据本发明的一个特征，附加部件基本是圆柱形。

通过结合附图的非限定性的例子的以下说明，将使本发明的特征和优点明了。

图1是纵剖面示意图，示出将压差转换成电信号的本发明检测元件的已知型流体振荡器内的配置；

图2是本发明第一实施例的转换检测元件示意剖面图；

图3示出由各膜已经在两个过滤器间形成的通道构成的流体过滤器的频率响应曲线图；

图4在单一一个图表，同时示出通过图1的流体振荡器的流体流速Q变化、连接于流体振荡器的馈送管中的水的温升T和图2的压差转换检测元件的响应S；

图5是构成一不同于图3的检测元件的实施例的转换检测元件的示意剖面图；

图6是另一个转换检测元件的示意剖面图，该转换器构成图2所示的检测元件的一种变型；以及

图7是一个转换检测元件的示意剖面图，该转换器构成本发明的另一个实施例。

将压差转换为电信号的本发明检测元件特别适用于流体振荡流量计中。

如图1所示，一个已知类型的流体振荡器10包括一个壳体12，在其中设置一个障碍14，它与一个流体进口16和流体出口18均在流体振荡器的对称纵平面P上对齐。

流体进口呈一个槽16状，它起产生两维流体射流的作用，所述射流与位于壳体12内的面向所述槽16的障碍物14相碰。障碍物14包括一个前壁20，其上形成有面向槽16的腔22，接受来到的射流的冲击。

由于自然的不稳定性，由槽16来的流体射流冲刷腔22的壁，并占据对称地位于流体振荡器纵对称平面P两侧的两个极端位置。射流的极端位置以P1和P2表示，并经由相应的通道24和26(图1中虚线示出)连接到本发明的转换检测元件28。

检测元件28可以安装在障碍物14的上方或下方，或在其内，如果它的大小允许的话。

图2示出的本发明实施例中，转换检测元件是圆筒形，包括一个圆筒外壁30，和位于所述圆筒的两端上封闭圆筒的两个，例如是钢制的，相对的膜32和34。每个膜32和34接触检测元件的内部和位于相应通道24或26中的流体，从而受到相应位置P1和P2中的射流的压力。

例如氧化铝材料制的刚性的壁36将检测元件的内部分成两个不同的腔38和40。两个腔38和40充满不可压缩的流体，如油。

在文献CH680392或文件FR2701564中说明的那种类型的压差传感器42安装在分隔壁36的一个面36a上。

传感器42的一个面42a接触腔38的油，所述传感器的相反面42b经由通过分隔壁36的孔44接触另一个腔40中的油。因此，在射流扫过腔22(图1)并交替占据位置P1和P2时，每个膜32和34交替受到一个相应的压力P’和P”。因此在P1和P2间的压差以“振荡”频率以交替的方式加到本发明的转换检测元件上，传感器42响应由腔38和40中的油传给它的所述压差的变化传送一个表示射流振荡频率的电信号。用于处理传感器传送的信号以确定流体流速所需的电子装置未在分隔壁上示出。

开口46例如是一个圆孔，通过分隔壁36形成。

部件48，例如是圆柱形的，是由玻璃材料等制的，安装成面向开口46。

部件48的径向尺寸大于开口46的，件48安装成在开口46的周边接触分隔壁36。这个加上的部件48例如由粘结剂安装在壁36上，在它的中心具有一个通道50，它的尺寸与开口46相比较小。通道50是圆柱形的以便于制造。

申请人业已观察到，为了确定通道50的尺寸，可利用电子模拟。在这种模拟中，在检测元件上施加的压差| P’-P”|相应于电压，通过通道50的流体流速Q相应于电流，每单位压力下由各膜32、34的变形排出的油量相应于电容C，而通道对油流动的阻力相应于电阻R。因此，用传统的假想旋转算法(Conventional notatioan of imaginary rotation)压差ΔP表示如下

ΔP=〔R+1/j(C/2)ω〕Q

在此ω是角频率，即ω=2πf

如果同样地施加在传感器42和通道50两侧的压差为ΔPs，那么为了确定通道50的尺寸，需要确定比值ΔPs/ΔP尽可能接近1时的频率。

实际上，在所考虑的频率下，可以假定比ΔPs/ΔP等于1-ε/2,ε/2相应于可接受的误差(例如4％)。这一方程式可以写作 $R/\sqrt{R^2+1/{(C/2)}^2{\mathrm{\ω}}^2}=1-\mathrm{\ϵ}/2$ 并可以求解以取得ε的如下值ε=4/R²C²ω²过滤器的时间常数τ为RC/2，而过滤器的截止频率等于信号的衰减在相对于工作频率范围的信号值为

时的频率，即1/πRC。

表示过滤器的操作的、作为频率函数的函数ΔPs/ΔP具有图3中曲线给出的状态。

例如，在比值ΔPs/ΔP=0.96(即1-4％)时的频率由通道50的尺寸确定，同时考虑如下两个参数：第一是与有待测量的流体最小流速相关的振荡信号的频率，所述最小流速是在没有因过滤器而衰减的情况下需要传感器42测定的最小流速；第二是使寄生压差出现在壁36两侧的腔38和40中、并希望尽可能多地衰减的缓慢现象的频率。

例如可能希望测定大于0.1Hz的振荡频率，同时避免由于环境所引起的在低频率(f＜＜0.1Hz)甚至零频率下于腔38和40之间建立寄生压差的缓慢现象，因为那会使传感器42的感应件变形，引起流过流体振荡器的流体计量方面的偏差。例如，在腔38和40的体积不是绝对相同且当检测元件在大约40秒的一段时间内相对于环境温度(20度)经受25度C的温升(即0.025Hz的频率)时，就会发生这种现象。

适当尺寸的通道50可通过使检测元件的各腔38和40中的压力相平衡来补偿由温度上升造成的寄生压差。

在检测元件操作的这种模式中，比值ΔPs/ΔP比1小的多(图31中位于频率fc左面的曲线部分)，传感器实际上不受影响，在缓慢扰动现象的整个持续期间，壁36两侧的压力基本保持平衡。

对于不是如此缓慢的现象(10-20秒数量级的期间)，比值ΔPs/ΔP比上述情况更接近1，传感器由于这一寄生压差的出现而确实受到更多的影响。

在0.1Hz以上，传感器必须能够测定振荡信号，其结果，通道50不应再使压力平衡，而是必须确保压差变化被完全传递。

图4是单一一个图表，同时示出通过图1的流体振荡器的流速Q的变化，连接于流体振荡器的供给管道中的水的温度T的上升，和图2所示的压差转换检测元件的响应S。

在不到20秒钟水的温度从20度变化到约47.5度时，由本发明的转换检测元件传送的平均信号S(图4中的黑色区域)仍然受该温升的影响，如信号S的小于40秒的各时刻处的左手部分所示。

相比较，在温度变化相当缓慢时，图4示出平均信号S稳定在平均值0V左右，因此不受所述变化的影响，从而显现出本发明的效果。图4还示出瞬时信号忠实地再现表示有待测量的流速的高频振荡。

自然也，能够以这样的方式确定图2通道50的尺寸，即在小于0.1Hz的频率下的各种现象比上述例子中更大程度的被衰减。

然而，在这样的情况下，检测元件在低频振荡下也对流动信号不灵敏。

因此，必须在需要测定的、来自流体振荡器的信号的最低频率和在腔38和40之间引起寄生压差的低频现象的可接受量级之间建立一个折中。

为确定通道50的适当尺寸，程序如下：

通过通道50的油的流速Q由下述泊萧公式给出：

Q=ΔPsπd⁴/(128Lη)

式中，d为通道50的直径，L为通道50的长度，η为油的动力粘度，ΔPs是横跨通道50的压力。

膜32和34以系数K为特征，系数K定义为施加到膜上的压力对排出的体积的比值，即

K=ΔPm/ΔV，而ΔP=2ΔPm+ΔPs

例如，对于平钢膜，比值K可等于0.11×10¹²Pa/m³

截止频率为：

fc=kd⁴/(128Lη)

假设截止频率fc由相应于必须是能够检测到的最低频率的0.1Hz的预定值确定，并且K和η值是给定的，则能够确定满足上述公式的L和d。

因此，例如通道50的直径可以为120μm，其长度L为1.6mm，圆柱48的外径例如等于4.5mm。

应看到，玻璃圆柱体48的通道50的长度例如可以在1mm-2mm的范围内，它的直径d可以在60μm-120μm的范围内。

例如通过将SCHOTT公司的贸易标记为N16B的以1.60m长度出售的毛细管切割成适当尺寸来获得玻璃圆柱体。

在图3的例子中，数值如下：

各膜的直径：21mm

各膜厚度：50μm

腔38和40的体积：210mm³和150mm³

使用的油：Dow Coming DC200-5

动力粘度：5mm²s^-1

有利的是，适当尺寸的通道50使得能够调节时间进程中膜32和34之间的不同变化，并使得能够忽略这些膜的刚度值之间可能存在的、即使各腔的体积从结构上讲精确相等也会因温升而引起腔38和40之间的寄生压差的任何差别。

在本发明另一个实施例中，适当尺寸的通道50通过检测元件的分隔壁52形成，如图5所示。

图2所示实施例的一种改型中，在配装到检测元件分隔壁36上的件55上形成有多个通道54，多个通道的作用与图2所示的通道50是相似的。

通过连续使用上述电模拟并将各通道54作为多个并联的电阻处理来确定这些通道的尺寸。

在图7所示的另一个实施例中，分隔壁56仅具有一个与传感器42对准的孔44。

在腔38和40之间的适当通道以一连通通道58的形式实现，连通通道设置在检测检测元件的外壁30上以将分隔壁56旁路，其相对端58a、58b通向所述腔38和40中的相应一个。

举例来说，所述通道由一个细的毛细管形成。

通道的功能与图2的通道50是相似的，且它的尺寸通过相似的方式确定。

应看到，在腔38和40间形成连通的通道也可以直接形成在压差传感器中，例如通道在离开感应件所在的区域一定距离处穿过传感器壁。

Claims (5)

1．一种将压差转换为电信号的检测元件(28)，包括：

两个填充有不可压缩流体的腔(38,40)，每个腔由一个相应的膜(32,34)封闭，所述膜适于在外部压力作用下变形，各腔由一个刚性壁(36,52,56)彼此分隔开；以及

与所述壁相关联并对横跨所述壁施加的压差作出响应的传感器(42)，响应所述压差而传送一电信号；

其特征在于，至少一个通道(50,54,58)形成在两个腔(38,40)之间并具有适当的尺寸，以便第一至少衰减在低或为零的频率下横跨壁(36；52；56)存在的寄生压差，以及第二使得所述传感器能够测定在较高频率下横跨壁作用的压差。

2．根据权利要求1所述的检测元件，其中，具有适当尺寸的通道(50)形成在分隔所述各腔的壁(52)上。

3．根据权利要求1所述的检测元件，其中，贯穿将所述各腔分隔开的壁(36)形成有一个孔口(46)，其尺寸比通道的适当尺寸大，所述通道(50,54)形成在配装于所述分隔壁(36)上的一附加件上，使得所述通道和孔口彼此连通。

4．根据权利要求3所述的检测元件，其中，附加件(48；55)基本是圆柱形的。

5．根据权利要求1所述的检测元件，其中，适当尺寸的通道呈将腔分隔壁旁路的连通通道的形式。

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