名称：一种串联式高分辨率高精度压差计
专利号：202210530264.2
专利权人：陈亚平
技术领域
本发明涉及压差测量技术领域，具体为一种串联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。还有就是高精度的压差计价格较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串联式高分辨率高精度压差计，采用多个压差测量单元串联的方式，在每个压差测量单元左侧垂直管上部侧壁与左方流体输入的管路相连，所述压差测量单元左侧垂直管下部连接有粗管，所述粗管的底部封闭下部侧壁与右侧垂直管侧壁通过管道相连，所述右侧垂直管的底部封闭，所述右侧垂直管中安装有记录工作流体界面位置的液位传感器，右侧垂直管上部侧壁与流体输出管路相连，所述粗管的容积为其相通的右侧垂直管内容积的1.2至1.4倍，所述左侧垂直管的内径较粗管的内径小或与粗管的内径相同；
所述左侧垂直管中设置的高密度工作流体灌装在粗管内，灌装的体积略大于右侧垂直管内的容积，所述高密度工作流体同时流入右侧垂直管内，且两个管内高密度工作流体以上部分为低密度工作流体，两种工作流体中有一种为导电流体，另一种为绝缘流体；
第一个压差测量单元所述左侧垂直管上部与缓冲容器相连，缓冲容器的另一端与所测压差的高压端左进出口相连，右侧垂直管上部与下一个压差测量单元左侧垂直管的上部相连，以此类推直到最后一个压差测量单元，此压差测量单元的右侧垂直管的上部与缓冲容器相连，缓冲容器的另一端连接有所测压差的低压端的右进出口，所测压差发生变化时，被测流体进入或流出缓冲容器，串联的各个压差测量单元的工作流体的界面都会发生位移，由于粗管与右侧垂直管单位高度的容积相差很大，粗管中界面位移范围很小，右侧垂直管中界面位移范围很大接近垂直管的高度；
两种工作流体密度相差越小压差测量的分辨率越高，串联的压差测量单元越多，垂直管的高度越大，压差的测量范围越大金属，且所述液体金属位于被测流体与低密度工作流体之间。
可选的，所述每个压差测量单元右侧垂直管包括外管、下部密封装置和绝缘压帽，所述下部密封装置通过焊接固定在外管的底部，所述绝缘压帽安装在下部密封装置的底部，所述液位传感器外壁安装有O型圈，所述液位传感器通过O型圈安装在下部密封装置的内壁，所述液位传感器包括金属棒、绝缘膜和液位传感器接线端，所述绝缘膜包裹在金属棒的外表面，所述液位传感器接线端设置在金属棒的底部。
可选的，所述左侧垂直管和右侧垂直管的顶部均安装有灌注装置，所述灌注装置包括密封接头座、密封接头压帽和密封头，所述密封接头座固定连接在外管或者左侧垂直管的顶部，所述密封接头压帽安装在密封接头座的顶部，所述密封头契合安装在密封接头座中。
可选的，所述缓冲容器的一端安装有浮球阀阀座，所述浮球阀阀座的内部安装有浮球，所述浮球阀阀座另一端通过管道安装在垂直管的侧壁。
可选的，所述压差计将各个压差测量单元的液位传感器并联在一起形成一个大电容，测量时将电容变化值转换成压差值，且电容变化值与压差值之间的变换关系通过标定确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计压差测量单元左侧的垂直管下部的粗管单位高度容积大于右侧的垂直管单位高度容积，在压差变化时，两种工作流体界面在粗管中位移很小而在右侧的垂直管中位移很大。右侧的垂直管中安装有电容式传感器测量工作流体界面的位置，通过工作流体界面的位置换算出压差值。在没有压差时，右侧的垂直管中工作流体的界面基本在垂直管最低位置，在允许的最大压差时，右侧的垂直管中工作流体的界面基本在垂直管最高位置。由于工作流体的界面位移长度与垂直管长度基本相同，最大限度的利用了测量装置的高度，达到最大的分辨率。
而传统的U型管压差计，在没有压差时，工作流体的界面在U型管一半高度的位置，在允许最大压差时，U型管一边工作流体的界面在U型管最高的位置，U型管另一边工作流体的界面在U型管最低的位置，工作流体的界面位移长度只有U型管高度的一半。如果在U型管安装界面位置传感器，传感器的测量范围也只有U型管高度的一半，传感器的测量分辨率是U型管一半高度的分辨率。因此，在测量装置同样的高度下，本发明的压差测量分辨率是传统U型管压差计的近两倍。如果搞两套传感器系统，一套检测界面向上移动的垂直管，一套检测检测界面向下移动的垂直管，然后把两套传感器检测出的信号叠加以提高检测分辨率，这种做法也有问题，因为采用两套传感器系统，每套都有自身的误差，两套系统误差会叠加，降低了测量精度。
本发明通过多个压差测量单元串联，可以扩大压差测量范围。各个压差测量单元的液位传感器并联在一起形成一个大电容，测量时将电容变化值转换成压差值，且电容变化值与压差值之间的变换关系通过标定确定。本发明实现高分辨率压差测试，又具备大的量程，同时可以耐很高的静压，满足现场测量需要，还可以抗超压保护压差计不在超压下损坏。
附图说明
图1为本发明结构示意图；左进出口压力等于于右进出口压力时的状态图；
图2为本发明左进出口压力大于右进出口压力时的状态图；
图3为本发明左进出口位置不变，右进出口位置低于左进出口，且左进出口压力等于右进出口压力时的状态图；
图4为本发明左进出口位置不变，右进出口位置低于左进出口，且左进出口压力大于于右进出口压力时的状态图；
图5为本发明缓冲容器的结构示意图；
图6为本发明缓冲容器在发生超压时的状态图；
图7为本发明单个右侧垂直管的结构示意图；
图8为本发明多个垂直管环形串联的示意图。
附图标号说明：
111、外管；112、下部密封装置；113、绝缘压帽；114、金属棒；115、绝缘膜；116、O型圈；117、液位传感器接线端；1、粗管；2、液位传感器；3、浮球阀阀座；4、浮球；5、缓冲容器；6、左进出口；7、低密度工作流体；8、高密度工作流体；9、液体金属；10、被测流体；11、右进出口；12、灌注装置；13、左侧垂直管；14、右侧垂直管；121、密封接头座；122、密封接头压帽；123、密封头。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2，本发明提供一种串联式高分辨率高精度压差计，采用多个压差测量单元串联的方式，如图1所示，每个压差测量单元左侧垂直管13上部侧壁与左方流体输入的管路相连，下部与粗管1的上部相连，粗管1的底部封闭，下部侧壁与右侧垂直管14侧壁通过管道相连，右侧垂直管14的底部封闭。右侧垂直管14中安装液位传感器2随时记录工作流体界面的位置。右侧垂直管14上部侧壁与流体输出管路相连。粗管1的容积是与其相通的右侧垂直管14内的容积的1.2至1.4倍。在条件允许的情况下，粗管1单位高度的容积与右侧垂直管14单位高度的容积相差尽可能大。左侧垂直管13的内径可以较粗管1的内径小，也可以与粗管1的内径相同；
事先每个垂直管中都灌注了两种不同密度而且互不相溶的工作流体，在灌装工作流体时，左侧垂直管中高密度高密度高密度工作流体8只灌装在粗管1内，灌装的体积略大于右侧垂直管14内的容积，并且不要充满粗管1，高密度高密度高密度工作流体8同时流入右侧垂直管14内。两个管内高密度高密度高密度工作流体8以上部分是密度较小的低密度工作流体7。两种工作流体中有一种是导电流体，一种是绝缘流体；
为了提高压差测量的范围，要串联多个压差测量单元，第一个压差测量单元左侧垂直管13上部与缓冲容器5相连，缓冲容器5另一端与所测压差的高压端左进出口6相连，右侧垂直管14上部与下一个压差测量单元左侧的左侧垂直管13的上部相连，以此类推直到最后一个压差测量单元，此压差测量单元的右侧垂直管14的上部与缓冲容器5相连，缓冲容器5另一端与所测压差的低压端的右进出口11相连。所测压差发生变化时，被测流体10进入或流出缓冲容器5，串联的各个压差测量单元的工作流体的界面都会发生位移，由于粗管1与右侧垂直管14单位高度的容积相差很大，粗管1中界面位移范围很小，右侧垂直管14中界面位移范围很大接近垂直管的高度，使传感器分辨率提高，接收系统根据传感器信号换算出压差数值；
两种工作流体密度相差越小压差测量的分辨率越高。串联的压差测量单元越多，垂直管的高度越大，压差的测量范围越大。该压差计可以根据压差测试的需要，选择两种工作流体的密度，选择每个垂直管的高度，选择垂直管的数量。
在压差为零时，垂直管系统各个压差测量单元的工作流体各自占据的高度的情况如图1，每个压差测量单元的工作流体界面在同一平面，接近底部。压差发生变化时，如图2，被测流体通过左进出口6进入缓冲容器5，缓冲容器(5)中同样体积的工作流体进入测量系统，造成整个系统发生流动，工作流体进入右侧缓冲容器5，右侧缓冲容器5中同样体积的被测流体通过左右进出口11流出测量系统进入被测系统。每个压差测量单元中两种工作流体占有高度发生变化，如图2所示，右侧垂直管14工作流体界面上升，粗管1中工作流体界面下降，但是由于两管单位高度容积相差很大，右侧垂直管14工作流体界面上升很多，粗管1中工作流体界面下降很少。右侧垂直管14中装备液位传感器2或者电阻等测量传感器，可以检测出两种工作流体界面在右侧垂直管14中的高度，同时粗管1中工作流体界面下降，由于事先注入的高密度高密度高密度工作流体8的体积是定量的，根据粗管1与垂直管(14)各自的单位高度的容积，可以计算出粗管(1)中工作流体界面下降的高度，已知各个压差测量单元形成的工作界面状况，又已知两种工作流体的密度，因而可以计算出压差计此时承受的压差。除了通过计算主要是通过标定来确定压差值，在每个压差计组装完毕后，要将已知的不同压差逐个施加在压差计上，记录不同压差对应的测量出的电容变化值，将标定结果总结成公式，以电容变化值为自变量，对应的压差值为因变量，在正式测量过程，根据这个公式将测出的电容变化值变换成压差值，从而实现高分辨率压差测试。
参阅图3-图4，在很多场合，压差系统的测压点不在同一平面，如图3所示，左侧的测压点高右侧的测压点低，此时左侧测压点的压力与右侧测压的的压力相等。由于右进出口11低于左进出口6，右进出口11与右侧垂直管14的连接管道中的低密度工作流体7产生重力形成的压力，为了抵消这个压力，各个压差测量单元中的工作流体界面发生位移，如图3所示。当压差系统输出的压差发生变化时，各管压差测量单元中的工作流体界面也要发生位移，一般在左侧的测压点高右侧的测压点低的状况下，都是右侧的测压点的压力大于左侧的测压点的压力，如图4所示，传感器随时测量工作流体的界面，通过在压差为零测出的数据和压差发生变化时测出的数据，可以计算出压差的数值。这种形式测量压差的标定方式与图1所示的左侧进出口与右侧进出口在同一平面形式的标定方式相同。
参阅图1-图5，缓冲容器5内部填充有液体金属9，且液体金属9位于被测流体10与低密度工作流体7之间，缓冲容器5的容积大于单个有传感器的垂直管中所能容纳的流体体积，缓冲容器5中利用液体金属9隔离被测流体10与工作流体，避免工作流体被被测流体10污染。缓冲容器5中还有防止过压差装置，防止被测压差高于压差计测量范围，损坏压差计。
参阅图7，右侧垂直管14包括外管111、下部密封装置112和绝缘压帽113，下部密封装置112通过焊接固定在外管111的底部，绝缘压帽113安装在下部密封装置112的底部，液位传感器2外壁安装有O型圈116，液位传感器2通过O型圈116安装在下部密封装置112的内壁，液位传感器2包括金属棒114、绝缘膜115和液位传感器接线端117，绝缘膜115包裹在金属棒114的外表面，液位传感器接线端117设置在金属棒114的底部；右侧垂直管14采用液位传感器2传感器测量，工作液中有一种是可以导电的，一种是电绝缘的。这样金属棒114、绝缘膜115和导电的工作流体形成一个环形的平行板电容器，导电的工作流体占据垂直管的高度越大，这个电容器的电容量越大，通过测量电容量可以确定垂直管中两种工作流体各自在垂直管中占有的高度。导电的工作流体与测量系统的金属外壳接触，将所有液位传感器接线端117连接在一起，形成并联电容的一个极，外壳是并联电容另外一个极。在图1所示的结构中，随压差增加，各个压差测量单元的垂直管(14)中的工作流体界面上升，并联电容的电容量发生变化。
测量时将上述的电容变化值转换成压差值。电容变化值与压差值之间的变换关系通过标定确定。将已知的不同压差逐个施加在测量系统上，记录不同压差对应的测量出的电容变化值，将标定结果总结成公式，以电容变化值为自变量，对应的压差值为因变量，在正式测量过程，根据这个公式将测出的电容变化值变换成压差值。
多个压差测量单元通过连接管串联起来后，为了减少占用体积采取环形布置，如图8所示。
参阅图1-图7，左侧垂直管13和右侧垂直管14的顶部均安装有灌注装置12，利用灌注装置12方便灌注工作流体，灌注装置12包括密封接头座121、密封接头压帽122和密封头123，密封接头座121固定连接在外管111的顶部，密封接头压帽122安装在密封接头座121的顶部，密封头123契合安装在密封接头座121中。
参阅图5、图6，如图5所示，缓冲容器5中利用液体金属9隔离被测流体10与工作流体，避免工作流体被被测流体10污染。缓冲容器5一端有由浮球阀阀座3和浮球4构成的浮球阀，防止过压差损坏，当出现过压差状况时，如图6所示，被测流体10大量进入缓冲容器5，液体金属9被冲到浮球阀中，液体金属9的浮力使阀中的浮球4浮起，关闭了浮球阀，实现关闭状态，防止被测流体10继续进入，防止被测压差高于压差计测量范围，损坏压差计。
垂直管中两种工作流体的密度差越小，测量压差的分辨率越高，相应的测量压差的量程越窄，为了提高量程，可以加长垂直管的高度，增加压差测量单元的数量。两种工作流体的密度差，垂直管的高度，压差测量单元的数量，都可以根据测量现场要求进行设计配置，以满足现场压差测量的需要。
每个垂直管事先都要灌注工作流体，以下说明工作流体流程。每个垂直管上部都有灌注装置12，打开灌注装置12的密封接头压帽122，取下密封头123，可以向垂直管内注入工作流体。在各个垂直管连接完成后，开始注入工作流体。首先向各个压差测量单元左侧垂直管13中注入定量的高密度高密度高密度工作流体8，注入量在右侧垂直管14容积的1.1倍左右。完成后通过左进出口6与右进出口11向两端缓冲容器5中注入液体金属9，注入数量根据液体金属的性质实验确定，要求注入的液体金属确保隔离被测流体与工作流体。然后注满被测流体10，使液体金属9进入并且关闭浮球阀，充满后关闭两进出口阀门。之后开始向各个压差测量单元注入低密度工作流体7，每次注入少量低密度工作流体7，先注入左侧垂直管13，再注入右侧垂直管14，往复循环使低密度工作流体7充满各个垂直管所有空间，直到溢出。
下一步向缓冲容器5中注入低密度工作流体7，首先缓慢打开左进出口6的阀门，缓慢放出缓冲容器5中的被测流体10，并且计量放出的体积，同时从连接左进出口6的左侧垂直管13补充注入密度小的工作流体，保持从管上部溢出的状态，直到从阀门放出的被测流体10的体积达到要求数值，关闭进口阀门，这个数值根据不同测量环境确定，一般在右侧垂直管14容积的1.5倍左右。在这个状态，缓冲容器5中有工作流体与被测流体10，要求被测流体10在缓冲容器5中的体积都是单个右侧垂直管14中容积的0.5倍左右。低密度工作流体7在缓冲容器5中的体积都是单个右侧垂直管14中容积的1.5倍左右。左进出口6的缓冲容器5注入工作流体后，同样方法向右进出口11的缓冲容器5注入工作流体。要求被测流体10在缓冲容器5中的体积都是单个右侧垂直管14中容积的1.5倍左右。低密度工作流体7在缓冲容器5中的体积都是单个右侧垂直管14中容积的0.5倍左右。之后装上灌注装置12的密封头123与密封接头压帽122，将这个装置中的流体密封，即完成装配过程。
其中，在所有灌装过程，要求采取措施彻底排出垂直管系统中所有的空气。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
