CN101180526B - 使用可压缩的传感器体的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种包括由可压缩的材料形成的可变形的传感器体(27)的压力传感器(10)。变形传感器(96)嵌入在可变形的传感器体中，并具有响应可变形的传感器体的变形而变化的电学特性。电连接(98)从可变形的传感器体的外部延伸到嵌入的变形传感器(96)，以提供施加的管压或压差的指示。

Description

使用可压缩的传感器体的压力传感器
技术领域
本发明涉及在工业过程控制系统中使用的压力变送器。更具体地说，本发明涉及一种在压力变送器中使用的压力传感器。
背景技术
压力变送器用于在工业过程控制系统中监测过程流体的压力。压力变送器包括耦合到过程流体的压力传感器，并响应由过程流体施加的压力而提供输出。两种公知的压力变送器是来自明尼苏达州钱哈森(Chanhassen)市的罗斯蒙德(Rosemount)公司的Model 3051和3095。在例如专利号为5,094,109的美国专利中也示出了压力变送器。
在测量压差的许多装置中，也经常期望获得管压(即，在管或管道中的过程流体的压力)测量结果。例如，管压能够用于确定过程流体的质量流动，或用于其它控制应用。然而，当除了压差测量外，还需要测量管压时，通常需要附加的压力传感器。这个附加的压力传感器需要附加的并耦合到过程流体的元件。这导致复杂性和成本增加，并失效的可能性增加。
而且，许多压力传感技术通过隔离布置而耦合到过程流体，该隔离布置使用暴露于过程流体的隔离膜片以及将压力传感器耦合到隔离膜片的隔离填充流体。这个隔离布置也是导致过程装置出错、复杂化和潜在失效的根源。
发明内容
压力传感器包括由可压缩材料形成的可变形的传感器体。变形传感器嵌入在可变形的传感器体中，并具有响应可变形的传感器体的变形而变化的电学特性。电连接从可变形的传感器体的外部延伸到嵌入的变形传感器。
附图简述
图1是根据本发明的压力传感器的剖视立体图；
图2是在压力变送器中的图1的压力传感器的分解剖视图；
图3是根据本发明的示例性压力变送器的剖视图；
图4是一个示例性变形传感器的平面图；
图5是包括变形传感器的压力传感器的局部剖视图；
图6A是包括直接暴露于过程流体的压力传感器的过程系统的简化图；
图6B是构造为直接暴露于过程流体的压力传感器的剖视图；
图7是包括基于电容的变形传感器的压力传感器的侧面剖视图。
优选实施方式
本发明涉及在工业过程控制系统的压力变送器中使用的压力传感器。根据本发明，提供了一种压力传感器，其包括由可压缩的玻璃材料形成的可变形的传感器体。该可变形的传感器体可以由玻璃、陶瓷、塑料或其它稳定的刚性绝缘体制成。此处使用的术语“玻璃”包括任何稳定的绝缘材料。变形传感器嵌入在传感器体内。这个变形传感器具有响应可变形的传感器体的变形而变化的电学特性。提供通过传感器体延伸到变形传感器的电连接。传感器体承受施加的压力。当传感器体变形时，变形传感器的电学特性变化，并且能够确定施加的压力。可以通过将变形传感器嵌入在压差传感器中来实施这个构造，从而能够确定管压。另外，这种构造可以用作能够直接地暴露于过程流体的压力传感器，而不需要使用在背景技术部分中讨论的隔离填充流体布置。本发明能够用于通过使用适当的嵌入式变形传感器构造来测量管压和压差。
图1是根据本发明的压差传感器10的剖视立体图。压力传感器10是压差传感器构造的一个示例，并包括耦合到压力连接部分26的装配的隔离膜片36和38，压力连接部分26延伸穿过传感器体27。传感器体由半单元46和48形成，并包括可压缩的玻璃材料。在传感器10内的腔25承载填充流体。可移动的膜片16延伸穿过腔25，并构造成响应施加的压差而移动。电极(电容器板)20布置在传感器10的壁23上。耦合到电极20和膜片16的电连接40用于测量膜片16和电极20之间的电容。当膜片响应施加的压力而移动时，这个电容随之变化，并能够用于确定施加的压差。
根据本发明，嵌入的变形传感器96容纳在压力传感器10的可变形体27内。将电连接98提供给变形传感器。
当压差通过压力连接部分26而施加到传感器体27时，除了膜片16的移动之外，传感器体27的整体形状也响应管压而变化。传感器体的形状的变形由变形传感器96检测，并且能够通过电连接98而被感测。传感器96可以符合任何适当的技术。在一些构造中，压力传感器10特别是玻璃体27的制造需要暴露于相当高的温度。所选择的变形传感器96的构造应该能够承受所用的高温。
图2是位于凸缘32和34之间的压力变送器28的壳体30中的压力传感器10的分解剖视图。凸缘32和34分别通过由螺母82固定的螺栓80连接到壳体30，并且被O形环74和76密封。压力P1通过凸缘32中的端口62施加到膜片36。类似地，压力P2通过凸缘34中的端口64施加到膜片38。
在操作中，压力P1和P2挤压相应的隔离膜片36和38，由此挤压充满中心膜片与隔离膜片36及38之间的腔的完基本上不可压缩的填充流体。这导致中心膜片16发生偏移，从而导致在膜片16和电极20之间以及在膜片16和电极24之间的电容发生变化。电导体40将变送器电路42耦合到电极20和24。变送器电路42通过例如双线过程控制回路(loop)44提供作为电极20、24和中心膜片16之间的电容的函数的与压力P1和P2有关的输出。这种过程控制回路在过程控制领域中是公知的，并可以包括例如4-20mA的电流回路。
图2也示出了容纳在压力传感器10中的变形传感器96。变形传感器96通过电连接98耦合到变送器电路42。变送器电路42构造成测量变形传感器96的电学特性，所述电学特性响应由于施加的压力P1和P2导致的压力传感器10的玻璃体27的变形而发生变化。基于这个测量，能够作出表示施加到压差传感器10的管压的测定。
图3是根据本发明的另一实施例的包括压力传感器102的变送器100的剖视图。由于隔离膜片106和108通常在相同的平面上对齐，因此变送器100在业内公知为具有CoplanarTM平台。凸缘111通过螺栓110连接到变送器100，由此将压力P1和P2耦合到隔离膜片106和108。垫片109提供在凸缘111与隔离膜片106和108之间的密封。基本上不可压缩的流体装载于耦合到压力传感器102的毛细管120中。与压力传感器10类似，传感器102由分别填充有玻璃材料116、118的两个半单元112、114形成。电导体124连接到承载在易碎材料116、118的传感器表面上的电容器板(未示出)。膜片122响应施加的压力P1和P2而偏移，导致电容变化，电容的变化被变送器电路123检测，变送器电路123通过双线过程控制回路提供与压力P1和P2有关的输出。
如上所讨论的，变形传感器96容纳在压力传感器体的玻璃材料116、118内。这个变形传感器96具有通过变送器电路123感测的、并且能够和由压力P1和P2施加到整个压力传感器体的管压相关的电学特性。
变形传感器96可以符合任何适当的技术。优选地，传感器96能够承受压力传感器10必须经受的任何环境极限。例如，在制造期间，组成传感器体的玻璃材料承受高温(例如800到850℃)。例如，传感器96可以是不需要附加的基底材料的由“自由灯丝(free filament)”类结构制成的应变计元件，并且可以被构造成在高达1150℃的温度下操作。示例性的应变计材料包括：
高达1150℃的坎塔尔铁铬铝系高电阻合金(Kanthal Tm(Fe、Cr、Al合金))
卡马高电阻镍合金(Karma)(75％Ni，20％Cr，3％Al，3％Fe)
铂铱(95％，5％)
镍铬合金(80％Ni，20％Cu)
图4是制造在承载应变计细丝202的基底200上的一个示例性变形传感器96的平面图。用于基底200的一种示例性材料是半导体材料如多晶硅或碳(例如纤维或纳米管)。尽管图4示出了单个的应变计元件，也可以使用包括桥构造的其它构造。
在操作期间，变形传感器96的输出和施加的管压有关，并且提供足够高的信号水平，以用于确定在期望范围内(例如，在100到1000psi之间)的管压测量结果。变形传感器可以包括应变计元件，例如具有2到4的应变灵敏度系数和5000ohms的电阻。而且，参照图4，传感器嵌入在其中的玻璃的可压缩性和施加的压力之间的关系是相对恒定的，因此不会将误差引入到测量结果中。另外，在一些构造中，可以提供并定位附加的应变计或传感器107(见图5)，使他们不受施加的管压影响。这种附加的应变计可以用作补偿传感器107，例如，作为参考或用于确定传感器的温度。当前用于传感器体的玻璃材料通常较稳定。传感器体也用于承载电极，以产生和压差有关的电容信号。传感器能够相对容易地制造在高温基底(诸如陶瓷、硅或类似物)上，并且以和当前使用的PRT温度传感器类似的方式制造。在一些构造中，玻璃传感器体可能需要附加的玻璃以提供应力解除和附加的老化(burn-in)周期。
图5是示出压力传感器102的更详细构造的局部剖视图。如图5所示，变形传感器96构造成承受变形ΔL/L的应变计。这导致横过电连接98测量的电阻变化，变化为Δ欧姆/静压。在一个示例性构造中，传感器具有近似0.2英寸的长度D。
图6A是根据本发明的包括压力传感器202的工业过程系统200的简化图，压力传感器202制造成包括如上所讨论的容纳在传感器的可变形玻璃体中的变形传感器。压力传感器202直接暴露于在过程管路204中携载的过程流体206。这是不需要在技术背景部分中讨论的隔离填充流体的“无油(oil-less)”感测技术的简化构造。压力传感器202是构造成连接到根据已知技术的双线过程控制回路212的过程变送器210的一部分。
图6B是构造成直接暴露于过程流体的根据本发明的压力传感器202的剖视图。过程连接器304被构造成连接例如过程管路。压力传感器体302带有刚性绝缘体306诸如玻璃(包括陶瓷)。压缩或应变传感器310包括在绝缘体306内，并通过电连接312连接到压力测量电路(例如，见图3中的123)。在各种实施例中，有源电路可以包括在传感器310中。
在图7中示出的另一示例性实施例中，并没有使用应变计作为变形传感器，而是设置了嵌入的电容器片来感测变形。这种构造可以用于测量压差。图7是根据本发明的另一示例性实施例的压力传感器250的剖视图。传感器250包括填充有介电材料254的传感器体252，介电材料254通过导压管路256耦合到过程压力。腔258形成在压力传感器250内，并连接到导压管路256。腔258由响应施加的压力而移动的膜片260形成。电极268和容纳在介电材料254中的板或电极264形成电容器。电极264连接到电连接266。第二电容器板268容纳在介电材料254中，或者例如，位于腔258的外部边缘表面上，并连接到电连接270。使用电容器板264和268，在这两者之间形成电容器。当压力传感器250的形状如以上所述地响应施加的压力而变形时，电容器板264和268之间的电容也变化。通过测量这个电容，可以根据以上所述的技术确定和使用传感器250的变形。
虽然上述描述已经讨论了将变形传感器嵌入到玻璃中，但是可以使用具有期望特性并由固体可压缩物质形成的其它材料。例子包括塑料或类似物。可以使用任何用于感测变形的适当技术，诸如电容、应变计、光学技术、硅技术等。而且，能够嵌入在固体材料中的其它类型的传感器包括在测量补偿中使用的温度传感器。而且，为了安全、冗余、自验证等，可以使用多个传感器。

Claims (20)

1.一种压力传感器，包括：
由可压缩的材料形成的可变形的传感器体；
第一和第二压力连接部分，所述第一和第二压力连接部分延伸穿过所述可变形的传感器体，并用于接收第一和第二压力；
压差电连接，所述压差电连接从传感器体延伸，并提供基于第一和第二压力之间的压差而改变的电容；
嵌入在所述可变形的传感器体中的变形传感器，其具有响应可变形的传感器体的变形而变化的电学特性；和
电连接，从所述可变形的传感器体的外部延伸到嵌入的变形传感器。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述可变形的传感器体包括由可压缩的玻璃材料形成的玻璃传感器体，所述玻璃材料包括任何稳定的绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述变形传感器包括应变计。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述应变计承载在基底上。
5.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述应变计包括具有响应于应力而变化的电阻的阻性元件。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述变形传感器包括补偿传感器。
7.根据权利要求1所述的压力传感器，其包括温度传感器。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述变形传感器包括电容器。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力传感器包括在可变形的传感器体中的膜片。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中，所述膜片构造成响应施加的压力而偏移。
11.根据权利要求10所述的压力传感器，其中，所述膜片构造成响应施加到所述压力传感器的压差而偏移。
12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力传感器通过隔离流体耦合到过程流体。
13.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力传感器构造成直接接触过程流体。
14.一种过程控制变送器，其包括耦合到如权利要求1所述的压力传感器的变送器电路。
15.根据权利要求14所述的过程控制变送器，其中，所述变送器电路构造成基于所述压力传感器的电学特性而确定压差和管压。
16.根据权利要求14所述的过程控制变送器，其中，嵌入的变形传感器的电学特性和施加的管压有关。
17.根据权利要求14所述的过程控制变送器，其中，嵌入的变形传感器的电学特性和施加的压差有关。
18.一种测量压力的方法，包括：
基于容纳在可变形的传感器体中的膜片的偏移，确定压差；和
基于具有变形传感器的可变形的传感器体的变形，确定管压。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，利用应变计测量变形。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述应变计嵌入在所述可变形的传感器体中。
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