名称：一种主动平衡式高分辨率高精度压差计
专利号：202411683019.0
专利权人：陈亚平
技术领域
本发明涉及压差计技术领域，尤其涉及一种主动平衡式高分辨率高精度压差计。
背景技术
现代工业很多场合需要测量压差，比如测量流体流速采用比托管、孔板等测量方式，比托管、孔板产生与流速相关的压差，采集这个压差信息就需要压差计。还可以通过测量压差，测量某些容器内流体的密度、高度，流体高度×流体密度×重力加速度＝压差，准确测量压差后，已知流体高度可以求出流体密度，已知流体密度可以求出流体高度。
目前测量压差有U型管形式压差计，膜片式压差计等等。但是性能还有待改进。比如测量压差的分辨率越高则耐静压越低并且测量的量程范围越低。某些压差计对温度敏感，影响测量精度。还有就是高精度的压差计价格较高。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种主动平衡式高分辨率高精度压差计。
本发明的技术方案：一种主动平衡式高分辨率高精度压差计，包括在装置内部形成压差的内部压差系统、内外压差比较系统、两个进出口系统和控制系统；
所述内部压差系统的高压端与内外压差比较系统的一端连通，所述内外压差比较系统的另一端与被测量的外界压差的高压端连通，所述内部压差系统的低压端与被测量的外界压差的低压端相通，所述内外压差比较系统检测内部压差与外界压差是否平衡；
所述控制系统根据外界压差和内部压差的平衡状态控制内部压差系统工作，调整内部压差使外界压差和内部压差达到平衡状态；
所述进出口系统隔离外界被测流体与内部压差系统和内外压差比较系统内部工作流体。
可选的，所述内外压差比较系统包括液位比较管、与液位比较管连接的右下储液管和右上储液管，所述右上储液管上连接有第一传压管，所述第一传压管上设有接外界压差高压端，所述右下储液管上连接有接内部压差系统，所述右上储液管上设有第一灌注系统，所述右上储液管内安装有上电极和下电极，所述右下储液管上安装有接地电极。
可选的，所述液位比较管内径为6—16mm，长度为8—200mm，所述右下储液管和右上储液管内径均为液位比较管内径的2倍，所述右上储液管长度为液位比较管长度的二分之一，所述右下储液管的长度与液位比较管相同，所述液位比较管、右下储液管、右上储液管和第一传压管均采用绝缘材料。
可选的，所述接地电极从右下储液管底部插入管内，插入高度与右下储液管高度相同，接地电极在右下储液管外留出接线长度，所述接地电极与右下储液管进行密封处理，所述上电极和下电极从右上储液管顶部插入管内，所述上电极插入到液位比较管的中间位置，所述下电极插入深度比上电极多1—4mm，所述上电极和下电极相互之间，它们与右上储液管管壁之间的距离大于2mm，所述上电极和下电极在右上储液管管外均留出接线长度，所述上电极和下电极与右上储液管进行密封处理。
可选的，所述右下储液管中灌注有液位比较管重流体，所述右下储液管内灌注有内部压差系统内流体，所述右上储液管和第一传压管内灌注有液位比较管轻流体，所述右下储液管中液位比较管重流体与内部压差系统内流体各占一半高度，液位比较管重流体与液位比较管轻流体的界面，随外界压差变化在液位比较管的范围内上下移动。
可选的，所述内部压差系统包括与接内部压差系统连接的压差管，所述压差管上分别连接有储液罐和第二传压管，所述储液罐上设有第二灌注系统，所述储液罐上连接有泵，所述泵的输出端设有第一阀门和第二阀门，所述泵的输入端设有第三阀门和第四阀门，所述第一阀门与所述压差管连通，所述第二阀门与所述储液罐连通，所述第三阀门与所述压差管连通，所述第四阀门与所述储液罐连通。
可选的，所述压差管内径为0.002m—1m，所述压差管长度为0.01m—20m，所述泵每转排出流体为0.01毫升/转-10毫升/转，所述储液罐的容积为压差管容积的1-1.2倍，所述第二传压管内径为0.002m—0.04m，所述压差管最下部灌注有内部压差系统重流体，灌注高度在右下储液管高度的一半，所述储液罐内灌注内部压差系统重流体，体积为压差管容积减去压差管内已灌注的内部压差系统重流体的体积，所述压差管、储液罐和第二传压管均处于连通状态，所述压差管、储液罐和传压管剩余空间内灌注内部压差系统轻流体。
可选的，所述控制系统根据上电极与下电极与接地电极的导通与断开信号控制泵的转动与停止，并控制第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门的打开与关闭，同时记录泵的累计转数。
可选的，所述进出口系统包括与第二传压管和接外界压差高压端连接的装置内部流体进出口，还包括进出口流体隔离管，所述进出口流体隔离管内安装有隔离软胶囊，所述隔离软胶囊与所述装置内部流体进出口连接，所述进出口流体隔离管上安装有被测流体进出口，所述进出口流体隔离管直径为1—200mm，所述进出口流体隔离管容积是液位比较管容积的2倍，所述隔离软胶囊壁厚为0.1-5mm之间，所述隔离软胶囊直径小于进出口流体隔离管内径，所述隔离软胶囊有弹性。
可选的，所述隔离软胶囊中灌注有液位比较管容积二分之一体积的液位比较管轻流体，所述隔离软胶囊中灌注有液位比较管容积二分之一体积的内部压差系统轻流体，所述进出口流体隔离管内其余部分充满被测流体，被测流体进入所述进出口流体隔离管后压迫所述隔离软胶囊，所述隔离软胶囊中流体进入装置内，装置内有工作流体进入另一端的所述隔离软胶囊，所述隔离软胶囊体积膨胀，将被测流体排出另一侧的所述进出口流体隔离管。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
本发明的装置内部采用通过泵送流体的方式，在装置内部主动形成压差，内外压差比较系统检测内部压差与外界压差是否平衡，如果检测到外界压差的高压端压力大于或小于内部压差的高压端压力，系统发出信号给控制系统，控制系统驱动泵工作，调整内部压差，直到内外压差比较系统达到平衡状态。控制系统在驱动泵工作的同时还记录泵的累计转数，这个累计转数与外界被测量流体的压差呈现线性关系，可以推算出各个时刻压差的数值。本压差计具有高精度与分辨率，可以耐高压，温度变化对测量精度影响很小，可以大大拓展压差计的应用范围。
附图说明
图1给出本发明的结构示意图；
图2为本发明内外压差比较系统的示意图；
图3为本发明内部压差系统的示意图；
图4为本发明内部压差系统添加多个压差管后的示意图；
图5为本发明进出口系统的示意图。
附图标记：101、内部压差系统；102、内外压差比较系统；103、进出口系统；201、液位比较管；202、右下储液管；203、右上储液管；204、第一传压管；205、接地电极；206、上电极；207、下电极；208、液位比较管重流体；209、液位比较管轻流体；210、内部压差系统内流体；211、接外界压差高压端；212、接内部压差系统；213、第一灌注系统；301、储液罐；302、压差管；303、第一阀门；304、第二阀门；305、第三阀门；306、第四阀门；307、泵；308、第二灌注系统；309、内部压差系统轻流体；310、内部压差系统重流体；311、第二传压管；401、u型压差管；501、进出口流体隔离管；502、隔离软胶囊；503、装置内部流体进出口；504、被测流体进出口；505、被测流体；506、装置内流体。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例，如图1至图5所示，本发明提出的一种主动平衡式高分辨率高精度压差计，包括内部压差系统101、内外压差比较系统102、两个进出口系统103和控制系统。液位比较管201内径8毫米，长度50毫米，右下储液管202内径16毫米，长度50毫米，右上储液管203内径16毫米，长度25毫米，第一传压管204内径可以较小可选用内径8至12毫米的管子。各个电极直径1毫米，可以选用钨铜合金电极等。接地电极205从下部插入右下储液管202，插入深度50毫米，位置在右下储液管202中央，并在右下储液管202外留出足够接线长度，接地电极205与右下储液管202底板做好密封。上电极206与下电极207从上部插入右上储液管203，两电极相距2毫米，处于右上储液管203中央，上电极206的下端处于液位比较管201中间，下电极207的下端在上电极206的下端以下4毫米。上电极206与下电极207在液位比较管201外留出足够接线长度，上电极206与下电极207与右上储液管203上板做好密封。
进一步的，内部压差系统，压差管302选择内径16毫米的管子长度1米，储液罐301选择内径16毫米的管子长度1.1米，第一阀门303、第二阀门304、第三阀门305、第四阀门306都采用通径4至8毫米的阀门与连接管线。泵307选用每转排量0.03至0.06毫升之间的容积式泵，泵的进出管线通过变径接头与阀门管线连接。第二传压管311内径可以较小，可选用内径8至16毫米的管子。系统的其他管线可以使用内径8至12毫米的管子。
再进一步的，进出口流体隔离管501内径15毫米长度60毫米，隔离软胶囊502直径8毫米长度50毫米，隔离软胶囊502与出口管道需要紧固并且密封。
装置流体灌注方法：
进出口系统灌注：
(1)打开进出口两个阀门，从被测流体进出口注入被测流体505，直至进出口流体隔离管501内部装满被测流体505，隔离软胶囊502被压瘪，进出两个方向的进出口系统均同；
(2)进口方向的进出口系统从装置内部流体进出口503向隔离软胶囊502注入2.5毫升液位比较管轻流体209，出口方向的进出口系统从装置内部流体进出口503向隔离软胶囊502注入2.5毫升内部压差系统重流体310；
(3)关闭装置内部流体进出口503与被测流体进出口的阀门。灌注流体过程中一定要排除干净各个部分内的空气。
内外压差比较系统灌注：
(1)将已经灌注完成的进出口系统与内外压差比较系统连接起来；
(2)打开接外界压差高压端211的阀门，关闭接内部压差系统212的阀门；
(3)从右上储液管203上部的第一灌注系统213的阀门向右下储液管202灌注内部压差系统重流体310，灌注高度为右下储液管202高度的一半；
(4)向右下储液管202灌注液位比较管重流体208，灌注高度为液位比较管201的一半；
(5)向右上储液管203灌注液位比较管轻流体209，直到液位超过第一传压管204后，继续灌注同时打开第一传压管204上部第一灌注系统213的阀门，液位比较管轻流体209进入第一传压管204，灌注流量一定要小，以保证管内原有空气从上部排出，当液位比较管轻流体209充满第一传压管204和右上储液管203后，关闭第一灌注系统213的两个阀门。灌注流体过程中一定要排除干净各个部分的空气。
内部压差系统灌注：
(1)将内部压差系统与已经灌注完毕的内外压差比较系统和进出口系统连接起来。关闭连接的阀门；
(2)计算泵的阀门组连接管线容纳流体的总量。打开泵的阀门组的所有阀门；
(3)打开压差管302上的第二灌注系统308阀门并连接一个真空泵，储液罐301上的第二灌注系统308阀门关闭并连接一个敞口容器，容器内装有内部压差系统重流体310，数量是200毫升(压差管302容积)加上阀门组连接管线容纳流体的总量，第二传压管311上的第二灌注系统308阀门关闭；
(4)抽真空；
(5)关闭接真空泵的阀门，打开接敞口容器的阀门，敞口容器中的内部压差系统重流体310流入储液罐301与压差管302底部，泵的阀门组的所有连接管线中充满了内部压差系统重流体310；
(6)打开接真空泵的阀门，卸掉真空泵，通过敞口容器向储液罐301与压差管302灌注内部压差系统轻流体309，直到液位超过第二传压管311后，继续灌注，同时打开第二传压管311上部第二灌注系统308的阀门，内部压差系统轻流体309进入第二传压管311，灌注流量一定要小，以保证管内原有空气从上部排出，当内部压差系统轻流体309充满第二传压管311以及储液罐301与压差管302上部，关闭所有第二灌注系统308的阀门。灌注流体过程中一定要排除干净各个部分的空气。可以根据测量具体情况选择工作流体，比如用低粘度硅油作为液位比较管轻流体209，用盐水作为液位比较管重流体208，用水作为内部压差系统轻流体309，用四氯化碳作为内部压差系统重流体310。
本实施中，还包括控制系统，控制系统根据上电极206与下电极207与接地电极205的导通与断开信号控制泵307的转动与停止，控制第一阀门303、第二阀门304、第三阀门305和第四阀门306的打开与关闭，记录泵307的累计转数。
具体的，在外界压差静止不变时，内外压差比较系统102的液位比较管201中液位比较管重流体208刚刚接触下电极207，下电极207与接地电极205导通电流，控制系统控制泵307停止转动，第一阀门303与第四阀门306开启，第二阀门304与第三阀门305关闭，这个状态是测量压差的基准点。当外界压差增加大于内部压差时，液位比较管201中液位比较管轻流体209淹没下电极207，下电极207与接地电极205导通电流中断，控制系统驱动泵307转动，此时，储液罐301中的内部压差系统重流体310流进压差管302，内部压差增加，使液位比较管201中的两流体接触界面向上运动，直到液位比较管重流体208刚刚接触下电极207，控制系统控制泵307停止转动，回到基准状态，两个基准状态之间泵307的转动圈数与此期间外界压差的变化量是线性关系。因此，某一时刻泵307的累计转数与外界压差从0点到这个时刻的增加量呈线性关系。
进一步的，如果外界压差的变化都是上升变化，用以上方法即可计量外界压差。但是，外界压差如果出现下降变化，就必须使用另外的方法计量。外界压差出现下降时，使液位比较管201中的两流体接触界面向上运动，当液位比较管重流体208接触上电极206后，上电极206与接地电极205之间导通电流，控制系统接收这个信号后，首先控制内部压差系统中的第一阀门303、第二阀门304、第三阀门305和第四阀门306，第一阀门303与第四阀门306关闭，第二阀门304与第三阀门305开启，同时改变转数记录方式由把转数累加起来变到把转数累减(即泵307转一圈从累计转数上减去一圈)，然后驱动泵307转动。此时，压差管302中的内部压差系统重流体310流进储液罐301，内部压差降低，使液位比较管201中的两流体接触界面向下运动，直到液位比较管重流体208刚刚脱离上电极206，上电极206与接地电极205之间的电流中断。控制系统接收到这个信号后，启动延时系统，使当前状态保持一段时间，延时时间与具体装置尺寸有关，延时要求液位比较管201中的两流体接触界面继续向下运动，直到液位比较管轻流体209淹没下电极207，淹没深度1至20毫米。在延时结束后，控制系统控制内部压差系统中的阀门组(第一阀门303、第二阀门304、第三阀门305、第四阀门306)与转数记录方式转变，第一阀门303与第四阀门306开启，第二阀门304与第三阀门305关闭，改变转数记录方式由把转数累减变到把转数累加，泵307持续转动，此时，储液罐301中的内部压差系统重流体310流进压差管302，内部压差增加，使液位比较管201中的两流体接触界面向上运动，直到液位比较管重流体208刚刚接触下电极207，控制系统控制泵307停止转动，回到基准状态。在外界压差下降时经过以上操作，可以保证转数都是在基准状态累加保证准确。
为了提高压差测量的量程，内部压差系统101在需要时可以采用串联方式，如图4所示，与单个压差管302结构的区别是，在原压差管302和储液罐301之间，串联进去多个u型压差管401，图中是串联了两个u型压差管401(4个压差管302)，灌注时，原有压差管302与储液罐301注方法相同，串联进去的每个u型压差管401灌注一半高度的内部压差系统重流体，剩余部分灌注内部压差系统轻流体309。
需要说明的是，当外界压差降低比较小，液位比较管201中的两流体界面向上移动量比较小，液位比较管重流体208没有接触到上电极206，这样控制系统没有接收的信号，泵307没有动作。为了精确计量，可以采取定时巡视模式。控制系统在一定时间内没有接收的信号，可以驱动延时系统，首先控制内部压差系统中的阀门组转变，第一阀门303与第四阀门306关闭，第二阀门304与第三阀门305开启，同时改变转数记录方式由把转数累加起来变到把转数累减(即泵307转一圈从累计转数上减去一圈)，然后驱动泵307转动。此时，压差管302中的内部压差系统重流体310流进储液罐301，内部压差减小，使液位比较管201中的两流体接触界面向下运动，延时结束后，液位比较管轻流体209淹没下电极207。此时，控制系统控制内部压差系统中的阀门组与转数记录方式转变，第一阀门303与第四阀门306开启，第二阀门304与第三阀门305关闭，改变转数记录方式由把转数累减变到把转数累加，泵307持续转动，此时两流体接触界面向上运动，直到液位比较管重流体208刚刚接触下电极207，控制系统控制泵307停止转动，回到基准状态。这样操作就可以将外界压差的微小降低量准确计量。
确定压差计量的零点，当各个系统连接完毕，各个系统灌注完毕后，下一步就是确定压差的零点，另外在装置使用一段时间或者工作状态发生变化后都要确定零点。其做法是将装置的进口与出口联通并与外界压差的低压端联通，此时可能有三种情况，第一种是液位比较管轻流体209淹没下电极207，此时控制系统按照外界压差大于内部压差模式驱动泵307工作，在达到基准状态后，泵307停止，泵307的累计转数有一数值，此时将累计转数清零对应外界压差零点。第二种是液位比较管重流体208淹没上电极206，此时控制系统按照外界压差小于内部压差模式驱动泵307工作，在达到基准状态后，泵307停止，泵307的累计转数有一数值，此时将累计转数清零对应外界压差零点。第三种是液位比较管重流体208只淹没下电极207，此时控制系统按照定时巡视模式驱动泵307工作，在达到基准状态后，泵307停止，泵307的累计转数有一数值，此时将累计转数清零对应外界压差零点。以后将装置进口与外界压差高压端连接，出口与外界压差低压端连接，开始正常测量。
本实施例中，在正式工作之前，进口系统的隔离软胶囊502中预先注入液位比较管201容积二分之一体积的液位比较管轻流体209，出口系统的隔离软胶囊502中预先注入液位比较管201容积二分之一体积的内部压差系统轻流体309，进出口流体隔离管501内其余部分充满被测流体。在工作时，进出口流体隔离管501进入的被测流体挤压隔离软胶囊502中液位比较管轻流体209进入内外压差比较系统102，进出口系统103有内部压差系统轻流体309进入隔离软胶囊502使其体积扩大，进出口流体隔离管501有被测流体505流出，形成整个系统的流动。当进入进出口流体隔离管501的被测流体505体积大于隔离软胶囊502中预先注的流体体积时，隔离软胶囊502被压扁，更多地被测流体不能进入进出口系统103。此后，内部压差系统工作平衡了内外压差，液位比较管轻流体209又回到隔离软胶囊502，进出口系统103恢复到开始工作时状态。
工作原理：内外压差比较系统102要灌注导电的液位比较管重流体208与绝缘的液位比较管轻流体209，内外压差比较系统102通过液位比较管201中导电的液位比较管重流体208与绝缘的液位比较管轻流体209的接触液面的位置来确定外界压差与内部压差谁大谁小，两者的密度差越小，在相同压差变化时，接触液面上下位移量越大，内外压差比较系统的灵敏度越高。但是，液位比较管重流体208和液位比较管轻流体209两种流体不能混溶，与所选择的管子内壁不能形成粘连。
对于内部压差系统来说，压差管直径越大，泵307每转排出流体越少，内部压差系统轻流体309与内部压差系统重流体310之间的密度差越小，测量的分辨率与精度越高，由于以上因素在相同的压差变化下，泵要转动更多的圈数，才能使内外压差平衡，因此增加了分辨率与精度。压差管越长，内部压差系统轻流体309与内部压差系统重流体310之间的密度差越大，可以形成更大的内部压差去平衡外界压差，因此扩大了量程。如果追求高精度高分辨率会使测量迟钝增加测量时间，降低量程。因此压差管302的尺寸设计以及内部压差系统轻流体309与内部压差系统重流体310的选取，需要根据实际要求具体设计。
上述具体实施例仅仅是本发明的几种可选的实施例，基于本发明的技术方案和上述实施例的相关启示，本领域技术人员可以对上述具体实施例做出多种替代性的改进和组合。
