用于测量污染环境中的压力的分离式压力换能器的制作方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36175644发布日期:2023-11-25 01:33阅读:87来源:国知局
1.本发明涉及污染环境中的压力感测。特别地,本发明涉及用于在将压力换能器与烟囱、烟道等内的污染环境中存在的污染物分离的同时测量诸如烟囱、烟道等的中空构件内部的压力的装置和方法。
背景技术
::2.众所周知,由于各种原因,加压系统需要测量和监测压力。例如,出于安全或效率的原因,可能需要监测具有高于或低于大气压的压力的封闭压力系统。基于加压系统的应用,其它系统和原因对于本领域合适的技术人员来说将是显而易见的。然而,这些加压系统中的一些可能受到侵蚀性环境的影响,使得环境内的化学品和/或颗粒对压力感测装置具有影响。这些环境可对压力感测装置内的感测元件的操作和寿命具有不利影响。照此,传感器的测量效率和操作寿命方面的降低在一些加压系统中是常见的,导致在压力感测装置的修理或更换的频率方面增加。备选地或除此之外,现有技术教导使用封装的或以其它方式保护的压力感测装置来增加在要感测压力的环境中对所述化学品和/或颗粒的抵抗力。3.因此,存在需要以在装置的寿命期间提高压力感测装置的操作效率,同时增加装置的操作寿命。技术实现要素:4.本发明的目的是提供用于感测压力的压力感测装置和方法,其用于在污染环境中使用,具有增加的操作寿命,同时保持根据所附权利要求书的相关联的加压系统的高压力测量效率。本发明还针对具有计算机可执行指令的计算机可读介质,该计算机可执行指令适于导致3d打印机打印根据本发明的压力感测装置。附图说明5.图1示出了压力传感器装置的示意图,该压力传感器装置具有细长的中空构件、通向大气的开口、能够连接到烟囱或烟道的开口以及所示的压力感测元件。6.图2a至图2c表示在压力感测元件处测量的2d和3d图形压力模拟结果,其中,管的直径和长度已经在选定的范围内修改,d管为3-9mm,并且l管为300-900mm,同时保持其它变量恒定。7.图3是模拟结果的3d曲线图,其中,管的长度l管从0mm变化到5000mm,并且直径d管从3mm变化到9mm,同时保持其它变量恒定。8.图4a至图4c表示2d和3d图形压力模拟结果,其中,孔口的直径d孔口关于管的选定长度和直径而改变,d管为3-9mm,并且l管为300-900mm,同时保持其它变量恒定。9.图5a至图5c示出了压力模拟结果的图表,其中,烟囱中的压力从-25pa变化到-50pa,并且管的长度和直径改变,同时保持其它变量恒定。10.图6a至图6c示出了压力模拟结果的图表,其中烟囱压力减小,为-50pa,并且其中孔口的直径d孔口关于管的选定长度和直径(d管为3-9mm,并且l管为300-900mm)而改变,同时保持其它变量恒定。11.图7a至图7c示出了压力模拟结果的图表,其针对的是关于管的选定长度和直径(d管为3-9mm,并且l管为300-900mm)-250pa的烟囱压力,同时保持其它变量恒定。12.图8a至图8c示出了压力模拟结果的图表,其中烟囱压力减小,为-250pa,并且其中孔口的直径d孔口关于管的选定长度和直径(d管为3-9mm,并且l管为300-900mm)而改变,同时保持其它变量恒定。13.图9a至图9d表示对于从-25pa到-2500pa的烟囱压力的范围的2d和3d图形压力模拟结果,其中图9a至图9c突出显示了95%的烟囱压力值。14.图10示出了对于-25pa的烟囱压力和0.4mm的孔口直径来说的管长度和直径的最佳值的曲线图。15.图11a至图11i示出了在-25pa至-2500pa的烟囱压力的范围内针对3个选定的管和孔口值的压力读数方面的误差。图11c、图11f和图11i是图11b、图11e和图11h中的曲线图的对数曲线图。16.图12a和图12b是对于最佳管和孔口参数的压力感测装置内的压力改变的图。示出了直列式(图12a)和l形(图12b)两种构造。17.图13a和图13b是对于最佳管和孔口参数的压力感测装置内的速度改变的图。示出了直列式(图13a)和l形(图13b)两种构造。具体实施方式18.虽然本发明容许呈许多不同形式的实施例,但是在附图中示出有并将在本文中详细描述其具体实施例,同时理解本公开将被视为本发明的原理的范例。不旨在将本发明限制到该具体的图示实施例。19.在一个方面中,本发明针对一种压力感测装置,该压力感测装置包括:20.第一细长中空构件,其包括:21.第一开口,其位于第一细长中空构件的第一端部处,22.第二开口,其位于与细长中空构件的第一端部相对的第二端部处;23.第三开口,其位于第一细长中空构件的第一端部和第二端部之间处,和24.第二细长中空构件,该第二细长中空构件经由第三开口连接到第一细长中空构件,其中25.第一开口构造成将第二细长构件的内部连接到第三中空构件的内部;26.第二细长构件的自由端部或第三开口中的一个构造成通过孔隙向外通向外部大气压力;和27.压力感测元件,其连接到第二细长构件的自由端部或第三开口中的另一个。28.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,孔隙的尺寸可在0.4mm和1.2mm之间,优选0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm或1.2mm。因此,该孔隙可形成孔板。29.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,第三中空构件内部要测量的压力可在低于0pa、优选地不超过-47200pa、更优选地在-25pa至-2500pa的范围内的压力下。30.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,第一细长中空构件可包括具有第一长度和第一内径的第一部分和具有第二长度和第二内径的第二部分。除此之外,第一部分可位于第一细长中空构件的第一端部处。照此,第一部分可包括第一开口,并且因此可连接到烟道的内部。此外,第一部分的内径可不同于第二部分的内径,优选地,第一部分的第一内径可大于第二内径。第一部分的第一内径可取决于第一部分的第一长度,并且也可取决于孔隙的尺寸。31.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,第一部分的内径可具有在3mm和9mm之间的任何尺寸,优选地在4mm和6mm之间,更优选地5mm。除此之外,第一部分的长度最长可达5000mm,优选地在300mm和900mm之间,更优选地600mm。32.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,第二部分的内径可为大约3mm。除此之外,第二部分的长度可不大于50mm。33.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,压力感测元件可连接到第二细长构件的自由端部,并且第三开口构造成利用该孔隙向外通向外部大气压力。34.在根据本发明的压力感测装置的实施例中,第三中空构件可为烟道。35.在一个方面中,本发明还针对一种用于测量烟道中压力的方法,该方法包括使用如上所述的压力感测装置将压力感测元件定位在烟道外部。36.在一个方面中,本发明还针对具有计算机可执行指令的计算机可读介质,该计算机可执行指令适于导致3d打印机打印如上所述的压力感测装置。37.在下文中,将参考附图更详细地描述本发明。38.图1提供了如在本文通篇中作为优选实施例描述的压力感测装置的图。图1图示了该装置可连接到烟道状系统(例如,烟囱、管、排气管等)以用于测量这样的烟道内的压力。该装置的第一开口允许连接到烟道中,并由在图的左侧的细长中空构件的端部处的开口图示,即p烟囱。在第一开口p烟囱的相对侧上,存在通向外部大气并由图中的p大气指示的第二开口。该第二开口允许空气注入到装置中,将空气流体的大气流提供到装置的细长中空构件部分中。照此,通过孔隙进入装置的空气的注入补偿了侵蚀性化学品和/或颗粒从烟道内部向压力感测装置中的扩散。第二开口代表孔口或孔隙等,并照此形成作为压力感测装置的部分的孔板。第一细长中空构件包括第一和第二部分,其中,第一部分的长度和内径变化,并且第二部分的长度和内径保持恒定。如图1中所图示,细长构件的第一部分可比细长构件的第二部分具有更大的内径,并且第一部分的长度可比细长中空构件的第二部分更短或更长或基本上相同。优选的是,第二部分的长度应当不大于50mm,其中内径为3mm。如果第二部分长于50mm,其中内径为3mm,将影响压力测量结果的精确度。然而,如果第二部分的内径增加,长度也可增加,而不影响压力测量结果的精确度。关于图2和图3针对第一部分进一步讨论细长中空构件的长度和内径之间的重要关系。如图1中所示,第二细长中空构件经由第一细长中空构件中的第三开口在第一开口和第二开口之间(即在p烟囱和p大气之间)连接到第一细长中空构件。不连接到第一细长中空构件的第二细长中空构件的自由端部连接到压力感测元件。在图1的图中,压力感测元件由p传感器指示。这被称为压力感测装置的直列式构造。压力感测元件可为压力换能器、压力变送器、压力发送器、压力指示器等。在该装置的另一种构造中,压力感测元件和第二开口(即孔口)被调换,导致l形构造。例如,感测元件在第一细长中空构件的第二开口处与第一细长中空构件的第一开口相对定位,并且由孔口表示的通向大气的开口在第二细长中空构件的自由端部处。技术人员将认识到,对于压力感测装置的两种构造,将实现保护感测元件免受污染环境影响的相同技术效果。在优选实施例中,在细长中空构件的第二部分中第二细长构件与孔口(或传感器,取决于构造)之间的距离为至少10mm。39.为了确定装置的最佳参数,使得压力感测元件受到保护,同时仍然提供烟道内压力的精确读数,精确度优选地为>95%,改变第一细长中空构件的第一部分的直径和长度以及在p大气处通向外部大气的孔隙的直径。涉及细长中空构件的第二部分的参数在整个变化的模拟中保持恒定,其中长度固定在50mm,直径固定在3mm,并且在孔口和传感器之间的距离固定在10mm。对于优选实施例,还通过改变烟道内的压力来确定选定的装置参数对如由压力感测元件测量的烟道的压力测量结果的影响。照此,相应的装置的参数可适于特定应用并针对特定应用优化,即测量烟道中的特定压力范围。在下面的段落中将关于图2至图11讨论这些结果。为了便于在讨论接下来的附图时参考,第一细长中空构件的第一部分将被称为管,通向大气的开口将被称为孔口,压力感测元件将被称为传感器,并且烟道将被称为烟囱。40.图2a至图2c表示当管长度和直径改变时在保持其它参数恒定的情况下由传感器测量的压力方面的改变。烟囱压力p烟囱保持恒定在-25pa,并且孔口的直径d孔口保持恒定在0.4mm。如图2a至图2c中所示,管的直径d管在3mm至9mm之间改变,并且管的长度l管在300mm至900mm之间改变。图2a中的3d图表示出了对于上述条件由传感器测量的压力方面的改变。在图2a中的-23.75pa处由2d分布突出显示了测量的压力的95%的精确度。类似地,图2a和图2b分别针对管直径方面的变化和管长度方面的变化示出了压力方面的改变。同样,在两个图表中的-23.75pa处,由常数线突出显示了95%精确度的读数。清楚的是,减小管的直径和增加长度导致在传感器处测量的压力与在烟囱处设定的压力p烟囱的较高偏差。然而,对于具有高于大约6mm的直径的管,在模拟的3-9mm范围内,管的长度对在传感器处的压力读数具有低的影响。41.为了确定对于高于900mm的管的长度而言是否保持了精确度,管长度参数被改变最长达5000mm,同时对于其它参数保持相同值,如图3中的3d图表中所图示的。在图3中可清楚看出,对于大约6-9mm的管直径d管,管长度对传感器的压力测量结果没有影响。因此,具有0.4mm的孔口直径d孔口和大约6-9mm的管直径d管的压力感测装置可包括最长达5000mm的任何长度的管,同时提供精确的压力测量结果读数并保护传感器免受烟囱内污染环境的影响。42.图4a至图4c针对孔口直径d孔口方面的改变图示了对在传感器处测量的压力的影响。图4a示出了在选定的管参数的范围内针对3种不同的孔口直径值的压力方面的改变的3d图表。即,在管直径d管范围3-9mm和管长度l管300-900mm内,针对0.4mm、0.8mm和1.2mm的孔口直径d孔口测量了传感器压力。烟囱中的压力p烟囱保持恒定在-25pa。结果显示,孔口直径d孔口方面的增加降低了在传感器处的压力读数方面的精确度。图4a清楚地图示,对于模拟的所有管直径,针对1.2mm孔口直径的压力测量结果测量得低于和高于烟囱的-25pa压力值。对于模拟范围内的所有管长度,在图4c中看到相同的情况。因此,在0.4mm和0.8mm之间的孔口直径d孔口提供了对于高于大约7mm的管直径和所有管长度的可接受的压力读数。43.图5a至图5c图示了当烟囱中的压力p烟囱降低到-50pa时对在传感器处的压力读数的精确度的影响。与图2a至图2c的模拟结果一样,孔口直径d孔口保持恒定在0.4mm,并且管直径d管和管长度l管分别在3mm至9mm之间和300mm至900mm之间改变。图5a通过3d图表内的2d分布突出显示了95%的精确度。在这种情况下,95%的精确度为-47.5pa。类似地,95%的精确度在图5b和图5c中示出为在-47.5pa处的线。此外,相对于烟囱中-25pa压力情况下的测量结果,传感器测量结果对于该-50pa压力呈现类似关系。即,减小的管直径和增加的管长度导致压力与选定的烟囱压力的较高偏差。同样,对于大约大于6mm(即,约6-9mm)的管直径,管的长度对压力读数具有低的影响。与-25pa烟囱压力相比,对于相同的模拟参数范围,-50pa烟囱压力在传感器处的压力读数方面具有更低的误差,即更小的压力偏差。44.当与-25pa烟囱压力相比时,孔口直径对-50pa烟囱压力的改进压力读数的影响用相同的管参数进行评估,如图6a至图6c中所示。使用与图4a至图4c中所模拟的相同的孔口直径的选择,即,0.4mm、0.8mm和1.2mm。同样,增加孔口的直径导致在传感器处测量的压力方面的精确度降低。然而,与可接受值的偏差比在-25pa的情况下低,即压力测量结果与选定的烟囱压力p烟囱的偏差较小,尤其是对于1.2mm的孔口直径d孔口。照此,在0.4mm和0.8mm之间的孔口直径d孔口提供了对于高于大约6mm的管直径d管和对于所有管长度l管的可接受的压力读数。45.图7a至图7c表示与图2a至图2c和图5a至图5c中表示的条件相似的条件,但是烟囱压力p烟囱进一步降低到-250pa。同样,管直径方面的减小和管长度方面的增加导致在传感器处测量的压力的较高偏差,如图7a中所示。此外,对于大约6-9mm的管直径d管,管的长度对压力读数具有低的影响。在传感器处的测量压力的95%的精确度同样由图7a的图表中的2d分布和图7b和图7c的图表中的线来标记。95%精确度的压力值为-237.5pa。虽然对于较低直径和较高长度的管参数值来说与-250pa的测量值的偏差有所增加,但是对于所有模拟的管参数,所有测量压力都在95%的精确度内。因此,当在相同的条件下模拟时,即在相同的管参数范围和恒定的孔口值下,当将烟囱的压力值从-25pa降低到-50pa到-250pa时,具有改进的精确度。46.在图8a至图8c中示出了各种孔口直径对在-250pa下压力测量结果的精确度的影响。使用与图4a至图4c和图6a至图6c中模拟的相同的孔口直径的选择,即0.4mm、0.8mm和1.2mm。47.同样,增加孔口的直径d孔口导致在传感器处测量的压力的精确度降低。此外,当与先前模拟的-50pa烟囱压力值和-25pa值相比时,测量的压力值相对于选定的参数的偏差方面的变化同样较低。照此,压力测量结果与-250pa的选定烟囱压力存在甚至更小的偏差,尤其是对于1.2mm的孔口直径d孔口。因此,在0.4mm和0.8mm之间的孔口直径d孔口提供了对于高于大约6mm的管直径d管和对于所有管长度l管的可接受的压力读数。48.在传感器处的测量压力值与设定压力的偏差由图9a至图9d中的图表表示。图9a至图9c在与由图2a、图5a和图7a表示的条件相同的条件下被示出,即0.4mm的孔口直径、3-9mm的管直径和300-900mm的管长度。图9a至图9c突出显示了从图9a到图9b到图9c(分别表示-25pa、-50pa和-250pa)的随烟囱压力p烟囱的增加的偏差的减小。为了便于比较,计算与在传感器处测量的选定烟囱压力值的偏差中的每个相关联的误差。误差被计算为:[0049][0050]其中,p传感器是在传感器处的测量压力,并且p烟囱是选定的烟囱压力值。图9d是对于0.4mm的孔口直径d孔口、3-9mm的管直径d管和300-900mm的管长度l管来说在传感器处的压力读数方面的误差值的3d图表。除了与-25pa、-50pa和-250pa的烟囱压力相关联的误差值之外,图9d还示出了对于相同条件的误差值,但是具有-100pa、-500pa、-1000pa和-2500pa的烟囱压力。照此,该图表示出了对于降低的烟囱压力(即,在烟囱的内部和外部大气之间的较高压力差)来说压力读数的误差方面的减小。因此,该压力感测装置非常适合于低压环境,提供更高精确度的压力读数,同时保护压力传感器的感测元件免受烟囱的污染环境的影响。[0051]对于与本发明相关联的优选压力感测应用,压力处于模拟压力范围的较高端,即-25pa和-50pa。照此,图10示出了对于-25pa的烟囱压力p烟囱和0.4mm的孔口直径d孔口来说的最佳管参数的图表。发现在管的直径和管的长度之间的关系是:[0052]d管《0.00075l管 4,[0053]其中,d管是管的直径,并且l管是管的长度,并且以毫米为单位记录这些值。管直径与管长度的关系允许管构造的广泛组合,同时保持在传感器处的高精确度/低误差的测量结果读数。上述方程在图10中的图表上由黑色实线展现。清楚的是,这完全在用于测量烟囱压力的95%的精确度阈值内。因此,在这条线下的任何值的构造都具有用于测量在传感器处的烟囱的压力的可接受公差。[0054]图11a至图11i示出了在烟囱压力的范围内对于管长度l管和直径的选定组合来说在传感器处的压力度数方面的误差。对于所有模拟,孔口直径d孔口固定在0.4mm。已经选定了不同的条件来评估烟囱压力中的变化对在此类条件下在传感器处测量的压力的读数误差的影响。图11a至图11c是在-25pa的起始烟囱压力p烟囱下接近95%精确度值的管构造的结果,如图10中所示。管参数对于管直径d管为3mm,并且对于管长度l管为300mm。图11d至图11f示出了在-25pa的起始烟囱压力下当管构造在95%精确度值之外时的结果。在这种情况下,参数是3mm的管直径d管和900mm的管长度l管。图10在图表的右上部分上示出了这种构造,即在95%精确度阈值之外。图11g至图11i是95%精确度阈值内的管构造的结果,其中管直径d管为5mm,并且管长度l管为600mm。同样,这可在图10中的图表中容易地看到,其中该管构造位于图表的左下部分中,即在95%精确度阈值内。清楚的是,随着烟囱压力的增加,所有选定的组合在读数误差中都具有负指数级下降。误差值的这种减小在图11c、图11f和图11i的对数图中是清楚的。从这些结果可推断,即使管构造对于低压力值(例如,-25pa)在95%精确度阈值之外,它也可用于降低值(例如,-500pa)的烟囱压力。[0055]图12a和图12b示出了对于最佳管和孔口参数的压力感测装置内的压力改变。参数为:d管=3mm,l管=300mm,并且d孔口=0.4mm。图12a示出了具有直列式构造的压力感测装置,并且图12b示出了备选的l形(12b)构造。烟囱压力p烟囱设定在-50pa。在图12a和图12b两者中,示出了注入孔口开口中的外部大气压力的影响。在管的开口内部(即在第一或第二细长中空构件内部)流动的空气防止污染物从烟囱到达传感器。这在图13a和图13b中更清楚地示出。对于直列式构造(即在图12a中),由传感器测量的压力是-49.57pa,其为超过99%的精确度。由呈l形构造的传感器测量的压力为-49.30,这是比直列式构造略高的偏差。然而,精确度仍然超过98%,使其作为压力感测装置绰绰有余(morethanacceptable)。如图12a和图12b中所指示,保护帽可附接到压力感测装置的孔口端部,以防止任何碎屑进入装置中。[0056]图13a和图13b是对于如图12a和图12b中选择的相同的最佳管和孔口参数来说压力感测装置内的速度改变的图。示出了直列式(图13a)构造和l形(图13b)构造两者。这些图示出了注入管中的外部空气流的影响,突出显示了孔口开口在保护传感器方面的功能。空气流通过孔口冲进来,并将污染物和致污物沿着管朝向烟囱推回,同时仍然允许由传感器测量烟囱的压力。因此,污染物不会到达传感器或感测元件,并且感测元件被保护免受任何损坏或免受碎屑覆盖传感器的影响。因此,延长了传感器的寿命和传感器的效率。如图12a和图12b中那样,保护帽可附接到压力感测装置的孔口端部,以防止任何碎屑进入装置中,如图13a和图13b中所示。[0057]如本文中通篇讨论的压力感测装置可以多种方式制造为单独的部件或单个部件。一种制造可能性是单独地或作为单个单元3d打印部件部分。如果经由3d打印生产,感测元件将在部件的制造之后结合到装置中。[0058]从上文可知,将观察到,在不脱离本发明的范围的情况下,可进行许多变型和修改。将理解,本发明无意或不应当推断出关于本文中描述的具体装置或方法的任何限制。当然,旨在涵盖落入本发明的范围内的所有此类修改。当前第1页12当前第1页12
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