一种内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器

摘要

本发明实施例公开了一种内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器，包括水压变送器和若干内置于水压变送器腔体内的弹性体，弹性体体积与水压变送器腔体内水压值为负相关。弹性体包括内嵌层和包覆层，包覆层紧贴于内嵌层外部，并包覆内嵌层形成一体化密封结构。本发明所提供水压变送器通过内置弹性体，在水遇到低温结冰体积快速变大、腔体内压力快速增加时，弹性体快速收缩使腔体内空间增加，大幅度减小冰块对隔离膜片的压力，防止隔离膜片因过压而导致的永久变形损坏，延长设备可靠性。基于本发明的结构，可以大幅度降低因体积和电量原因不能安装外部隔温和加热设备的无线低功耗变送器而因冰冻受损的情况，提高水压变送器工作的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及送排水数字监控技术领域，尤其涉及一种内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器。

背景技术

随着经济水平的提高和近年来物联网的快速发展，环境管理、物业管理也在全面往智能化、物联化飞速发展，传感器研发和数字化传输就成了其中极其重要的一环，其中供水、排水的数字化监控也有很好的市场前景，而水压变送器就是供水、排水数字化监控不可或缺的基本设备。

传统的水压变送器在冬季是需要防冻的，因为如果水压变送器在气温低的情况下是会引起其水压腔体内的水结冰的问题，固定的冰块给隔离膜片造成非常大的压力，这样就会影响压力变送器的测量准确度，严重的还会造成变送器的永久损坏。

传统的水压变送器为防止低温冰冻损坏，通常使用的方法由三种：

A、蒸汽伴热；B、保温装置箱；C、电加热电缆；但是以上三种方法均存在不同程度的缺点。

目前，有部分水压变送器没有安装防低温冰冻损坏的辅助设备，进入冬季在气温突变至零下，水表安装区域也可能会出现冰冻的情况。以及存量的物业供水、城市的老旧供水、排水系统等没有安装防低温冰冻的辅助设备，在冬季水压变送器会存在因冰冻而损坏的情况，或有安装防低温冰冻的辅助设备，也可能由于设备故障、供电不稳定等原因造成隔热保温失效的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于恶劣寒冷的冰冻气候条件下，且水压变送器外部未安装或不便于安装防低温冰冻的辅助设备的内置弹性体的水压变送器。本发明所提供的内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器，可以大幅度提高设备使用的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

提供一种内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器，包括水压变送器和若干内置于所述水压变送器腔体内的弹性体，所述弹性体体积与水压变送器腔体内水压值为负相关。

其进一步技术方案为，所述弹性体包括内嵌层和包覆层，所述包覆层紧贴于所述内嵌层外部，并包覆内嵌层形成一体化密封结构。

其进一步技术方案为，所述弹性体为椭圆形结构、或球形结构、或长方体结构、或圆柱体结构、或椎体结构，所述内嵌层为实心结构。

其进一步技术方案为，所述弹性体外圈设有若干刚性支架；所述刚性支架一端与弹性体连接，另一端止抵于所述水压变送器腔体内壁。

其进一步技术方案为，所述内嵌层为发泡材料制得，所述发泡材料为塑料、或泡沫、或海绵、或橡胶。

其进一步技术方案为，所述包覆层为硅胶层或硫橡胶层。

其进一步技术方案为，所述包覆层厚度为1-3mm。

其进一步技术方案为，所述内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器还包括设于所述水压变送器腔体内的金属隔板，所述金属隔板上方设有若干通孔，所述通孔的内径尺寸小于所述弹性体外圈的最大尺寸。

其进一步技术方案为，所述弹性体为环形结构。

其进一步技术方案为，所述内嵌层为空心结构；所述包覆层包括内包覆层和外包覆层，所述外包覆层紧贴于所述内嵌层外壁，所述内包覆层紧贴于内嵌层内壁

本发明所提供的内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器，通过内置弹性体在水压腔体内，水遇到低温结冰体积快速变大，压力快速增加时，该弹性体快速收缩，使腔体内容量增加，大幅度减小冰块对隔离膜片的压力，以减小隔离膜片因过压而导致的永久形变而损坏，对设备的可靠性起到了良好的保护作用。基于本发明提供的结构，可以大幅度降低因体积和电量原因不能安装外部隔温和加热设备的无线低功耗变送器；或保护因隔温/加热设备工作异常导致的水压变送器冰冻损坏的机率，提高水压变送器工作的可靠性。使用本发明提供的水压变送器防冰冻结构，可以大幅度减少外部不稳定因素对水压变送器工作的影响。且生产制造成本低，不需要特殊材料工艺；常见的硅胶(或硫橡胶)包覆耐高温的发泡材料制作成的弹性体(环形、椭圆形、球形或其他外形)再置于水压腔体内即可。不增加安装成本，在安装工程过程中，无需任何相对传统安装方法工序的增加或变更。基于本发明的结构，可以大幅度降低因体积和电量原因不能安装外部隔温和加热设备的无线低功耗变送器而因冰冻损坏的情况；或保护由于隔温/加热设备工作异常导致的水压变送器冰冻损坏的机率，提高水压变送器工作的可靠性。使用本发明提供的水压变送器防冰冻结构，可以大幅度减少外部不稳定因素对水压变送器工作的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的环形弹性体结构示意图；

图2为本发明提供的椭圆形弹性体(带刚性支架)结构示意图；

图3为本发明提供的球形弹性体(带刚性支架)结构示意图；

图4为图1所示环形弹性体安装于水压变送器内部的结构示意图(无水状态)；

图5为图1所示环形弹性体安装于水压变送器内部的结构示意图(液态水)；

图6为图1所示环形弹性体安装于水压变送器内部的结构示意图(结冰水)；

图7为图2所示椭圆形弹性体安装于水压变送器内部的结构示意图(液态水)；

图8为图2所示椭圆形弹性体安装于水压变送器内部的结构示意图(结冰水)；

图9为水压变送器腔体内压力与弹性体体积收缩量之间关系曲线。

图中标识说明：

1、弹性体；11、包覆层；12、内嵌层；13、刚性支架；14、金属隔板；

2、水压变送器；21、电极导线；22、真空基准腔；23、压力传感器金属壳体；24、隔离膜片；25、绝缘体；26、测量膜片；

3、水压腔体；4、进水口；5、水压腔体金属外壳；6、硅油。

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图4，如图所示，水压变送器2的压力传感器金属壳体23内设有真空基准腔22，真空基准腔22内通过隔离膜片24隔出一检测腔体，检测腔体内放置绝缘体25、测量膜片26等，水压变送器2的检测腔体内通入有电极导线21，电极导线21连接于测量膜片26的两侧，测量膜片26内部包裹容置硅油6。压力传感器金属壳体23的外侧设有一水压腔体3，水压腔体3与水压变送器2的进水口4相连通，水压腔体3的外部通过水压腔体金属外壳5与周围环境隔绝，确保水压腔体3内的压力。水压变送器2的测量工作原理是：被测介质(水)的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件(测量膜片26)两侧的隔离膜片24上，通过隔离膜片24和敏感元件内的填充液(硅油6)传送到测量膜片26两侧。测量膜片26与两侧绝缘体25上的电极各组成一个电容器。电容器的电压信号通过电极导线21传送到外部控制设备内的控制线路板进行补偿调节，经A/D转换后再传送到控制单元，完成水压参数的传输检测。

请参阅图1-4，如图所示，具体实施例1提供一种内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器，包括水压变送器2和若干内置于水压变送器2腔体内的弹性体1，弹性体1数目至少为一个，弹性体1体积与水压变送器2腔体内水压值为负相关。内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器还包括设于水压变送器2腔体内的金属隔板14，金属隔板14上方设有若干通孔，通孔的内径尺寸小于弹性体1外圈的最大尺寸。为防止水压的急剧变化可能导致的本弹性体1堵住水压腔体3的进水口4(水压口)的发生，可设计环形结构的弹性体1，也可以通过增加刚性的支架固定本弹性体1在腔内不移动，同时多孔的金属隔板14可以防止本弹性体1直接与隔离膜片24接触。

弹性体1包括内嵌层12和包覆层11，包覆层11紧贴于内嵌层12外部，并包覆内嵌层12形成一体化密封结构。弹性体1为椭圆形结构、或球形结构、或长方体结构、或圆柱体结构、或椎体结构等，弹性体1设计的具体形状依据设计参数进行选取，亦可结合客户的具体使用需求或偏好。当弹性体1为前述结构时，弹性体1的内嵌层12为实心结构。弹性体1外圈设有若干刚性支架13；刚性支架13一端与弹性体1连接，另一端止抵于水压变送器2腔体内壁。内嵌层12为发泡材料制得，发泡材料为塑料、或泡沫、或海绵、或橡胶。包覆层11为硅胶层或硫橡胶层，所选用的发泡层材料除了可以耐低温同时也需要具有耐高温性以适用于水压变送器2内工作状态下可能会出现的高温情况。并且包覆层11厚度为1-3mm，选定该厚度范围目的是在不影响内嵌层12发泡材料变形的情况下，尽可能地节省材料，且该厚度范围的包覆层11更便于加工。

请参阅图1，如图所示，弹性体1为环形结构。内嵌层12为空心结构；包覆层11包括内包覆层11和外包覆层11，外包覆层11紧贴于内嵌层12外壁，内包覆层11紧贴于内嵌层12内壁。此种设计结构中弹性体1为空心结构，相较于前述实心结构的弹性体1，空心结构的弹性体1具有的优点是变形程度更大。

请参阅图5-6，如图所示，图5和图6分别展示了环形弹性体1在水压变送器2内部工作时，液态水状态下弹性体1的外形，及结冰水状态下弹性体1的外形。可以明显看出当温度降低水凝结成冰时，环形弹性体1内部的内嵌层12厚度缩小，使得弹性体1整体体积缩小，以舒缓水压变送器2内部的压力值，减小对隔离膜片24造成的不良影响。

请参阅图7-8，如图所示，图7和图8分别展示了椭圆形弹性体1在水压变送器2内部工作时，液态水状态下弹性体1的外形，及结冰水状态下弹性体1的外形。可以明显看出当温度降低水凝结成冰时，椭圆形弹性体1内部的内嵌层12厚度缩小，使得弹性体1整体体积缩小，以舒缓水压变送器2内部的压力值，减小对隔离膜片24造成的不良影响。

本发明揭示了一种水压变送器内置放冰冻损坏的结构，其中关键部件为一颗(或数颗)复合材料制成的弹性体1(弹性体1为环形、椭圆形、球形或其他形状)。该弹性体1置于水压变送器2腔体内，在外部压力发生变化时，该弹性体1会产生相应程度的形变(压缩或扩张)，特别是在容器内部水转变为固态(结冰)时，水体积变大腔体内压力快速增加，该弹性体会在固态冰压力下收缩，使容器腔体内容量增加，大幅度减小冰块对隔离膜片24的压力，以减小隔离膜片24因过压而导致的永久形变的损坏。

请参阅图9，如图所示，在常压环境下，水的密度在3.98℃时最大，为1x10

在常压环境下，水在0℃水冻结成冰时，体积会增大约1/11，即液态水在结冰过程中，水的体积会大幅度增加。根据腔体形态，先设计本弹性体结构，通过计算需要的弹性体收缩量V

定义：

1.腔体容积为V

2.最大设计压强为P

3.结冰时，腔体内压强Pi；

4.本弹性体与水接触的表面积为S(通过常用3D软件计算出，本弹性体受到的受力F为P*S)；

5.常压下，本弹性体体积为V

6.最大设计压强下，本弹性体体积为V

7.结冰时，本弹性体体积为V

要求V

本发明所提供的内置防冰冻损坏弹性体的水压变送器，通过内置弹性体在水压腔体内，水遇到低温结冰体积快速变大，压力快速增加时，该弹性体快速收缩，使腔体内容量增加，大幅度减小冰块对隔离膜片的压力，以减小隔离膜片因过压而导致的永久形变而损坏，对设备的可靠性起到了很好的保护作用。基于本发明的结构，可以大幅度降低因没有安装外部保温/加热设备或因保温/加热设备工作异常导致的水压变送器冰冻损坏的机率，提高水压变送器工作的可靠性。使用本发明的水压变送器防冰冻结构，可以大幅度减少外部不稳定因素对水压变送器工作的影响。降低生产制造成本低，不需要特殊成型工艺。常见的硅胶(或硫橡胶)包覆耐高温的发泡材料制作成的弹性体(环形、椭圆形、球形或其他外形)再置于水压腔体内即可。不增加安装成本，在安装工程过程中，无需任何相对传统安装方法工序的增加或变更。基于本发明的结构，可以大幅度降低因体积和电量原因不能安装外部隔温和加热设备的无线低功耗变送器而因冰冻损坏的情况；或保护由于隔温/加热设备工作异常导致的水压变送器冰冻损坏的机率，提高水压变送器工作的可靠性。使用本发明提供的水压变送器防冰冻结构，可以大幅度减少外部不稳定因素对水压变送器工作的影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。