專利名稱：基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x屬壓力測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，具體涉及一種用于內(nèi)腔壓力測(cè)試的壓力測(cè)量?jī)x，這是一種利用殼體電容變化測(cè)量壓力的測(cè)量?jī)x
O
二.
背景技術(shù)：
在眾多的運(yùn)輸方式中，內(nèi)腔運(yùn)輸因其可靠性高，運(yùn)輸成本較低，已成為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè)之一，而高效、可靠的內(nèi)腔中流體壓力的測(cè)量在內(nèi)腔泄漏檢測(cè)與定位中處于十分重要的地位，它不僅為高濃度粘稠物料的遠(yuǎn)距離內(nèi)腔輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為建立相關(guān)理論奠定基礎(chǔ)，同時(shí)還是石油、天然氣開(kāi)采的重要條件，也是安全生產(chǎn)的重要保障。因此，對(duì)內(nèi)腔壓力檢測(cè)技術(shù)的研究，是一個(gè)具有實(shí)際意義的工作。內(nèi)腔流體壓力的測(cè)量對(duì)這種壓力測(cè)量?jī)x有如下要求1.能夠在具有高濃度、高粘性、高磨損性等物理特性的被運(yùn)輸物料中工作。2.某些特定環(huán)境，如油田現(xiàn)場(chǎng)，多處于野外， 因此需在無(wú)人值守的情況下進(jìn)行測(cè)量，即要求壓力測(cè)量?jī)x能夠?qū)y(cè)試的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，事后回放。這不僅要求壓力測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，同時(shí)功耗要小。3.由于壓力內(nèi)腔輸送的流體可能具有有毒性、燃爆性和腐蝕性，且又有高溫、高壓、低溫等特殊操作條件，要求壓力測(cè)量?jī)x具有耐高壓、密封性好、耐腐蝕的特點(diǎn)?？傊?，內(nèi)腔流體壓力測(cè)量的環(huán)境惡劣，不僅要求壓力測(cè)量?jī)x耐腐蝕、適應(yīng)高低溫工作環(huán)境、同時(shí)要求壓力測(cè)量?jī)x具有高精度、高可靠性、 低功耗的特點(diǎn)。目前，用來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)腔壓力的方法主要有液柱式壓力測(cè)試方法、彈性式壓力檢測(cè)方法、電氣式壓力檢測(cè)方法和活塞式壓力檢測(cè)方法；按照與被測(cè)介質(zhì)是否接觸，可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量方法。接觸式測(cè)量方法，例如電容應(yīng)變式流體壓力傳感器，從電容傳感器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用應(yīng)變膜片制作電容傳感器的電極，設(shè)計(jì)了一種電容傳感器。電容應(yīng)變式流體壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是電極為圓形極板，半徑為R，在被測(cè)流體壓力P的作用下，敏感膜片產(chǎn)生彎曲變形，壓力P作用于膜片產(chǎn)生變形，通過(guò)導(dǎo)桿帶動(dòng)可動(dòng)極板產(chǎn)生位移，改變了電容的大小，電容的變化量△(與壓力P成線性關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)電容的變化量來(lái)判斷其所受壓力。測(cè)量時(shí)， 通常情況下需要在被測(cè)對(duì)象開(kāi)一個(gè)孔，通過(guò)引壓管將被測(cè)介質(zhì)引入壓力檢測(cè)儀表的敏感元件處。因此，引壓系統(tǒng)的性能和可靠性左右著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能，如引壓管受堵將引起測(cè)壓不正確；引壓管太長(zhǎng)使測(cè)壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差等。在壓力容器上開(kāi)孔引壓的方法產(chǎn)生的另一個(gè)問(wèn)題是由于開(kāi)孔使壓力容器的強(qiáng)度大大降低，主要表現(xiàn)在(1)開(kāi)孔破壞了容器原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中；(2)接管處容器殼體與接管形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力；(3)殼體與接管連接的拐角處因不等截面過(guò)渡(即小圓角)而引起應(yīng)力集中。而應(yīng)力集中是產(chǎn)生裂紋的主要原因之一，實(shí)踐證明，壓力容器的泄漏和爆炸事故絕大多數(shù)起源于裂紋或其它缺陷的擴(kuò)展。此外，不管任何系統(tǒng)在使用過(guò)程中，如果要求臨時(shí)增加一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，都非常的不方便。而本發(fā)明采用將壓力測(cè)量?jī)x固定在內(nèi)腔中，利用其存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，解決了上述問(wèn)題。非接觸式測(cè)量方法，例如超聲波石油內(nèi)腔壓力測(cè)量即在內(nèi)腔外壁夾裝超聲波換能器，利用超聲波進(jìn)行內(nèi)腔壓力的測(cè)量。當(dāng)流體介質(zhì)受到的壓力增高時(shí)，其密度增加，同時(shí)彈性模量也增加。這樣，當(dāng)壓力變化時(shí)會(huì)引起介質(zhì)的兩個(gè)物理特性發(fā)生變化，它們都會(huì)對(duì)通過(guò)其中的超聲波速度產(chǎn)生影響。同時(shí)產(chǎn)生影響的還有外界溫度。通過(guò)測(cè)量超聲波在內(nèi)腔內(nèi)傳播時(shí)間的變化來(lái)推導(dǎo)出超聲波在內(nèi)腔內(nèi)的速度變化，從而確定石油內(nèi)腔內(nèi)部壓力的變化情況。它存在不足的問(wèn)題是(1)測(cè)量數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓力表的校正從而提高測(cè)量精度，數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，且是難點(diǎn)。⑵測(cè)試電路功耗大、可靠性差、精度低。而本發(fā)明利用其大容量存儲(chǔ)電路將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，將其數(shù)據(jù)讀出來(lái)，運(yùn)用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件即可處理數(shù)據(jù)。即嵌入式電子壓力測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，功耗低，精度較高。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是向社會(huì)提供這種基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x解決了無(wú)損內(nèi)腔壓力和高濃度、高粘性、高磨損性運(yùn)輸物料，及無(wú)人值守情況下的流體壓力測(cè)量難題。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的這種基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)在于所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x是基于由殼體形成的板電容器構(gòu)成的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x。所謂嵌入式就是該測(cè)量?jī)x可嵌入無(wú)損被測(cè)量壓力器具的內(nèi)腔中， 及在無(wú)人值守情況下，鑲嵌于高濃度、高粘性、高磨損性運(yùn)輸物料的流體內(nèi)進(jìn)行壓力測(cè)量。 乃是本發(fā)明技術(shù)方案的一大特點(diǎn)。根據(jù)以上所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)還有所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x的基于殼體形成的板電容器由圓筒狀動(dòng)極板、圓筒狀定極板和圓筒狀定極板兩端的圓環(huán)面狀端蓋組成。所述的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以彈性金屬元件制成的無(wú)約束圓筒狀內(nèi)筒(即動(dòng)極板)為敏感元件， 并在圓筒狀動(dòng)極板外設(shè)置兩端封閉的外筒(即圓筒狀定極板)以構(gòu)成變間隙式測(cè)量電容的結(jié)構(gòu)，將被測(cè)量壓力轉(zhuǎn)換成電容量的變化，這樣的結(jié)構(gòu)增大了板間面積，增加了初始電容量，便于后面的測(cè)量和提取。同時(shí)，將測(cè)量由壓力引起的電容量變化的測(cè)量電路內(nèi)置于圓筒狀定極板的空心中，使得壓力傳感器與測(cè)量電路結(jié)構(gòu)一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小使用范圍廣，進(jìn)行內(nèi)腔壓力測(cè)試時(shí)，能在承受高壓的同時(shí)，實(shí)時(shí)實(shí)況地測(cè)取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，掌握測(cè)試環(huán)境的壓力變化規(guī)律。所述的這種結(jié)構(gòu)的測(cè)量電容又是本發(fā)明技術(shù)方案的一大特點(diǎn)。根據(jù)以上所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)還有所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x由圓筒狀動(dòng)極板、圓筒狀定極板和圓筒狀定極板兩端的圓環(huán)面狀端蓋構(gòu)成的測(cè)量電容器、測(cè)量電路模塊、供電電池組成。所述的測(cè)量電路模塊可以包括電容傳感器信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理存儲(chǔ)、接口等電路。根據(jù)以上所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)還有所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x的測(cè)量電容器動(dòng)極板呈無(wú)約束圓筒狀，動(dòng)極板作為敏感元件由彈性耐腐蝕金屬材料如彈簧鋼制成，定極板為兩端有蓋封閉的圓筒狀空心圓柱體，定極板由耐腐蝕、耐高溫的金屬材料構(gòu)成，動(dòng)極板與定極板構(gòu)成同心圓柱體，形成圓環(huán)柱形測(cè)量電容器。動(dòng)極板與定極板通過(guò)絕緣材料固定在一起，這樣，當(dāng)動(dòng)極板的壓力發(fā)生變化時(shí)，定極板不會(huì)受到影響。本發(fā)明將動(dòng)極板作為壓力敏感元件，通過(guò)測(cè)量動(dòng)極板與定極板之間的電容變化就可以實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)試。為此要求動(dòng)極板材料彈性好。由于壓力內(nèi)腔輸送的流體可能具有有毒性、燃爆性和腐蝕性，因此需要?jiǎng)訕O板的材料耐腐蝕性好，而彈簧鋼正是滿足以上兩個(gè)要求的材料。所述的動(dòng)極板所采用的材料——彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態(tài)下的彈性，而專門(mén)用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規(guī)定的范圍之內(nèi)，彈性變形的能力使其承受一定的載荷，在載荷去除之后不出現(xiàn)永久變形。彈簧鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如力學(xué)性能(特別是彈性極限、強(qiáng)度極限、屈強(qiáng)比等等)、抗彈減性能(即抗彈性減退性能，又稱抗松弛性能)、疲勞性能、淬透性能、物理化學(xué)性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)?？梢钥闯觯x擇彈簧鋼性能的優(yōu)劣對(duì)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x的測(cè)量精確程度至關(guān)重要。所以動(dòng)極板選擇使用上述性能的彈簧鋼是本發(fā)明的又一發(fā)明特點(diǎn)。此外對(duì)定極板材料的選擇和使用也很重要。根據(jù)以上所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)還有所述的測(cè)量電容器的定極板構(gòu)成的圓環(huán)柱狀的空心內(nèi)設(shè)置有與兩極板間構(gòu)成的測(cè)量電容的輸出端相連的測(cè)量電路，定極板的外殼作地端兼作本測(cè)量?jī)x噪聲屏蔽殼體。所述的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x定極板的外殼作為地，該發(fā)明特點(diǎn)是用來(lái)屏蔽噪聲。噪聲是泛指干擾和破壞有用信號(hào)以外的無(wú)用信號(hào)。在測(cè)量中它嚴(yán)重影響有用信號(hào)的測(cè)量精度。噪聲可能來(lái)自電路本身， 也可能來(lái)自外部環(huán)境對(duì)其的影響。在內(nèi)腔壓力測(cè)量中，噪聲主要來(lái)自外部環(huán)境，為此把定極板的外殼作為地起到屏蔽外來(lái)噪聲的效果。根據(jù)以上所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)還有本發(fā)明采用測(cè)量電路整個(gè)設(shè)置于封閉的圓環(huán)柱狀定極板中，基于定極板的外殼作地端，整個(gè)測(cè)量電路為屏蔽外來(lái)噪聲并抑制電磁場(chǎng)耦合噪聲的測(cè)量電路。所述的將整個(gè)電路屏蔽起來(lái)，使外來(lái)噪聲盡量少進(jìn)入電路中。同時(shí)屏蔽與接地可以抑制電磁場(chǎng)耦合噪聲。這又是定極板的外殼接地結(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處之一。根據(jù)以上所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，技術(shù)特點(diǎn)還有所述的圓環(huán)柱形測(cè)量電容器內(nèi)腔中流體通過(guò)動(dòng)極板，壓力發(fā)生變化，引起圓筒狀動(dòng)極板電容量發(fā)生變化，電容量與流體壓力間的變化關(guān)系按公式(1)計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x是基于由殼體形成的板電容器構(gòu)成的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x的基于殼體形成的板電容器由圓筒狀動(dòng)極板、圓筒狀定極板和圓筒狀定極板兩端的圓環(huán)面狀端蓋組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x由圓筒狀動(dòng)極板、圓筒狀定極板和圓筒狀定極板兩端的圓環(huán)面狀端蓋構(gòu)成的測(cè)量電容器、測(cè)量電路模塊、供電電池組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x的測(cè)量電容器動(dòng)極板呈無(wú)約束圓筒狀， 動(dòng)極板作為敏感元件由彈性材料制成，定極板為兩端有蓋封閉的圓筒狀空心圓柱體，定極板由耐腐蝕金屬材料構(gòu)成，動(dòng)極板與定極板構(gòu)成同心圓柱體，形成圓環(huán)柱形測(cè)量電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的測(cè)量電容器的定極板構(gòu)成的圓環(huán)柱狀的空心內(nèi)設(shè)置有與兩極板間構(gòu)成的測(cè)量電容的輸出端相連的測(cè)量電路，定極板的外殼作地端兼作本測(cè)量?jī)x噪聲屏蔽殼體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的測(cè)量電路整個(gè)設(shè)置于封閉的圓環(huán)柱狀定極板中，基于定極板的外殼作地端，整個(gè)測(cè)量電路為屏蔽外來(lái)噪聲并抑制電磁場(chǎng)耦合噪聲的測(cè)量電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x，特征在于所述的圓環(huán)柱形測(cè)量電容器內(nèi)腔中流體通過(guò)動(dòng)極板，壓力發(fā)生變化，引起圓筒狀動(dòng)極板電容量發(fā)生變化，電容量與流體壓力間的變化關(guān)系按公式(1)計(jì)算(
全文摘要
本發(fā)明的基于殼體電容變化的嵌入式壓力測(cè)量?jī)x屬壓力測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，該嵌入式壓力測(cè)量?jī)x由圓筒狀動(dòng)極板(內(nèi)筒)、圓筒狀定極板(外筒)和圓筒狀定極板兩端的圓環(huán)面狀端蓋構(gòu)成的測(cè)量電容器、測(cè)量電路模塊、供電電池組成；測(cè)量電容器的定極板構(gòu)成的圓環(huán)柱狀的空心內(nèi)設(shè)置有與兩極板間構(gòu)成的測(cè)量電容的輸出端相連的測(cè)量電路，定極板的外殼作地端兼作本測(cè)量?jī)x噪聲屏蔽殼體；嵌入式壓力測(cè)量?jī)x優(yōu)點(diǎn)很多，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以彈性金屬元件制成的無(wú)約束圓筒狀動(dòng)極板為敏感元件，在動(dòng)極板外設(shè)置有兩端封閉的圓環(huán)柱狀定極板以構(gòu)成變間隙式的結(jié)構(gòu)，增大了板間面積，增加了初始電容量，將整個(gè)測(cè)量電路內(nèi)置于圓環(huán)柱狀定極板的空心中，使得壓力傳感器與測(cè)量電路結(jié)構(gòu)緊湊一體化，體積小，成本低，具有很好的推廣性。
文檔編號(hào)G01L9/12GK102169037SQ20101055391
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者葉娟, 張瑜, 張紅艷, 徐鵬, 李新娥, 沈大偉, 范錦彪, 裴東興, 馬鐵華 申請(qǐng)人:中北大學(xué)