CN101410703A - 压力传感器故障检测 - Google Patents

Abstract

一种用于压力传感器(56)的诊断系统，包括：空腔(132、134)，被配置为接受所施加的压力。所述空腔(132、134)具有第一和第二壁。可弯曲隔膜(106)形成在所述空腔中，被配置为与所述第一壁形成第一和第二电容，并与所述第二壁形成第三和第四电容，这些电容响应于所施加的压力而发生变化，并形成第一传递函数和第二传递函数。检测第一传递函数相对于第二传递函数的变化，以提供诊断输出。

Description

压力传感器故障检测

技术领域

本发明涉及用于测量过程流体的压力的压力传感器。更确切的说，本发明涉及这种压力传感器的诊断。

背景技术

过程监控和控制系统中使用变送器来测量工业过程的各种过程变量。一种变送器对过程中的过程流体的压力进行测量。各种技术已应用于变送器中所用的压力传感器。一种公知的技术是使用可弯曲隔膜(diaphragm)。对关于该隔膜的电容进行测量，其中该隔膜形成了电容器的电容极板之一。当隔膜由于所施加的压力而发生弯曲时，所测量的电容发生改变。在这种配置中，压力测量中存在多种不精确性的来源。

2001年10月2日授予Frick等的美国专利No.6,295,875“PROCESSPRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION”中提出了处理这些不精确性的一种技术，该专利的全部内容在此引入作为参考。这个专利描述了一种差压传感器，其包括用于减小测量不精确性的附加电极。然而，希望对这种压力传感器进行诊断以检测出现的故障，或即将发生故障的可能性。

发明内容

一种用于压力传感器的诊断系统，包括：空腔，被配置为接受施加的压力。该空腔包括第一和第二壁。在空腔中安置了可弯曲的隔膜，并且该隔膜被配置为与第一壁构成第一和第二电容，以及与第二壁构成第三和第四电容。电容响应于施加的压力而变化。第一和第三电容形成第一传递函数，而第二和第四电容形成第二传递函数。电路被配置为检测第一和第二传递函数中的变化。

附图说明

图1为示出用于本发明的过程环境的简化示意图。

图2为示出压力变送器的框图，该压力变送器被配置为实现本发明的诊断能力。

图3为图2中的变送器的一部分的截面图，示出了用于实现本发明的压力传感器。

图4为比较第一传递函数(使用第一和第三电容)与第二传递函数(使用第二和第四电容)的图表。

图5A、5B、5C、5D和5E为说明在不同状况下相对于主电容和环电容的值H的变化的图表。

具体实施方式

本发明提供了一种装置和方法，用于检测基于多电极电容的压力传感器的故障或即将发生的故障。根据本发明，使用压力传感器中电容器的传递函数的变化来诊断压力传感器的操作。

如在背景部分讨论的，标题为“PROCESS PRESSURE MEASUREMENTDEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION”的美国专利No.6,295,875描述了一种具有改进的精确性的压力传感器。然而，压力传感器内可能发生故障，这可能降低压力测量的精确性。本发明提供了一种用于检测这种故障的方法和装置。示例故障包括电极尺寸的变化，例如，由于剥落(flaking)或其它原因造成的电极与该电极的电连接之间的接触发生损耗；测量电路与电极之间的不稳定的连接或坏掉的配线；由于在电极之间形成虚拟或真实短路的导电粒子引起“向后折叠(fold-back)”，导致错误的尺度(on scale)压力测量，而该测量实际上已脱离尺度；在压力传感器中的电极之间的缝隙之中或之外移动的非导电粒子引起的非线性；以及用于把压力传感器与过程流体相隔离的隔离器的穿孔(perforation)所导致的填充流体的电介质常数的改变。

图1大体示出了过程测量系统32的环境，这种类型的系统可使用基于多电极电容的压力传感器。图1示出了包含受到压力的流体的过程管道系统30，该过程管道系统与用于测量过程压力的过程测量系统32耦合。过程测量系统32包括与管道系统30连接的动力管道系统34。动力管道系统34连接到过程压力变送器36。主元件33，如孔板、文氏管(venturi tube)、流量喷嘴(flow nozzle)等，在过程管道系统30中位于动力管道34的管道之间的位置处与过程流体接触。当流体通过主元件33时，该主元件引起流体中的压力变化。

变送器36是一种通过动力管道系统34接受过程压力的过程测量设备。变送器36感测过程差压，并将其转换成标准传输信号，该信号是过程压力的函数。

过程回路38提供双向通信以及从控制室40向变送器36提供电力信号，并可按照许多过程通信协议来构造。在所说明的示例中，过程回路38是双线回路。双线回路用于在正常操作期间使用4-20mA信号与变送器36进行电力和通信的全部传送。计算机42或其它信息处理系统通过调制解调器44或其它网络接口用于与变送器36通信。远程电压电源46给变送器36供电。备选地，变送器可拥有其本身的电源并可使用基于无线的协议来传送信息。

图2是压力变送器36的简化框图。压力变送器36包括通过数据总线66耦合到一起的传感器模块52和电子线路板(electronics board)72。传感器模块电子设备60耦合到接受所施加的差压54的压力传感器56。数据接线58将传感器56耦合至模数转换器62。随同传感器模块存储器64还示出了一种可选的温度传感器63。电子线路板72包括微计算机系统74、电子存储器模块76、数模信号转换78和数字通信块80。

根据Frick等的美国专利No.6,295,875中所描述的技术，压力变送器36感测差压。然而，本发明不只限于这种配置。

图3为传感器模块52的一个实施例的简化截面图，示出了压力传感器56。压力传感器56通过隔离隔膜90(见图3)耦合至过程流体，该隔离隔膜把过程流体与空腔92隔离。空腔92通过动力管道系统94耦合至压力传感器模块56。大量的不可压缩的填充流体填充空腔92和动力管道系统94。当来自过程流体的压力施加到隔膜90时，该压力被传递到压力传感器56。

压力传感器56由两个压力传感器半体(halve)114和116组成，并优选地由易碎物(brittle)填充，基本上是不可压缩材料105。隔膜106悬挂于传感器56内形成的空腔132、134内。空腔132、134的外壁带有电极146、144、148和150。这些通常被称为电容极板144和148的主电极以及电容极板146和150的副电极。这些电极与可移动的隔膜106形成电容器。同样，这些电容器可被称作主电容器和副电容器。

如图3中所示，传感器56中不同的电极通过电连线103、104、108和110耦合至模数转换器62。此外，可弯曲隔膜106通过连线109耦合至模数转换器62。

如在美国专利No.6,295,875中所讨论，可使用电极144-150测量施加于传感器56的差压。如在下文中所论述，使用这些电极测量的电容也可用来诊断压力传感器56的状况。根据本发明，提供了新的电容传递函数，这样可把从主电极144和148得到的差压(DP)信息和从环电极146和150得到的差压信息进行比较。电容传递函数H提供了恒定的输出，并且具有由H₀表示的初始值，该初始值表示压力传感器56的工厂校准状态。函数H的输出本质上与所施加的差压和线路压力无关，并且基本上能够以诊断输出的形式而“实时地”提供给操作员或用户。例如，该传递函数可以在图2中所示的微计算机系统74中实现并监测。传递函数H可以用于监测传感器的操作期间的单个故障，并监测同时发生的增强故障(reinforcing fault)。传递函数H可能不会检测到反作用故障(counteracting fault)，例如隔膜的同一侧上的主电极和环电极的面积减小相同的相对百分比。然而，反作用故障也不会引起差压输出信号中的同样误差。

如上所述，传感器电极的损害会导致不精确的压力测量，造成小的偏移或是大到脱离尺度的故障。传感器电极的损害可能来自多个来源。例如，由于来自有机薄膜或制造过程中的其他污染物的潜在污染，汽相沉积电极的一部分与空腔壁的粘着力会变小。传感器误差的严重性与电极损耗有直接的关系。薄电极还会危及电极与接触该电极的电配线之间的接触的可靠性。此外，在制造或使用期间，变送器内从传感器到电子电路的引线可能发生损坏。引线的接头或接线也会发生损坏。这些制造缺陷难以通过检查的方式而得以检测。此外，在服务期间，这些缺陷会逐渐变得更坏，导致传感器漂移、不稳定或丢失信号。差压信号还会被相对电极的任一电极中与传感器隔膜相接触的导电粒子所破坏。这潜在地导致过压期间的“向后折叠”状况，其中在过压期间脱离尺度的读数被感测为正常的压力。此外，该导电粒子会导致通过电极146、150汲取大的电流，其看起来像是大电容。如果这在所施加的差压超过传感器的范围上界时发生，那么传感器可以指示错误的尺度读数。如果该粒子是非导电的，那么差压输出变为非线性，这是因为隔膜的弯曲受到该粒子的妨碍。根据本发明，对传递函数H进行监测，并将其与存储器中存储器的额定值进行比较，例如在工厂校准期间确定的值，而且传递函数H用于警告用户该差别是否超过期望的阈值界限。传递函数H与其校准值的偏离可以指示故障或即将发生的故障，而与差压无关。

可以使用传递函数TF_M和TF_R来导出传递函数H。这些传递函数分别是主电极144、148以及环电极146、150的传递函数。TF_M和TF_R随着中央隔膜106(CD)的弯曲而线性地变化，而隔膜的弯曲与差压线性相关。使用空腔和中央隔膜的曲率的抛物线近似，可以看出隔膜弯曲与空腔深度的比值在沿传感器56的轴向方向的任意径向位置处是常数。因此，其可以表示为：

TF_M  TF_R    等式1

$\frac{M_1-M_2}{M_1+M_2}$ $\frac{R_1-R_2}{R_1+R_2}$ 等式2

其中M₁和M₂是由两个主电极相对于中央隔膜而形成的有效电容(去除了任何的杂散电容)，而R₁和R₂是由环电极相对于中央隔膜而形成的有效电容值。然而，靠近环电极的中央隔膜偏离球形(或抛物线形)。这导致与主电极144、148相比，外部电极环146、150的灵敏系数(gage factor)(由α表示)稍有不同。

图4是TF_M和TF_R与差压的关系图。从图4可以看出，两个传递函数的斜率存在大约5％的差异。该斜率被称作灵敏系数。传递函数的关系可以定义如下：

TF_M＝α_MDP+b_M      等式3

TF_R＝α_RDP+b_R      等式4

其中α是灵敏系数，DP是所施加的差压，b是y截距，下标表示环或外部电极以及主电极。

差压值在等式3和4之间是通用的，所以这些等式可以合并为等式5、6和7，如下：

$\frac{{\mathrm{TF}}_M-b_M}{{\mathrm{\α}}_M}=\frac{{\mathrm{TF}}_R-b_R}{{\mathrm{\α}}_R}$ 等式5

$H\≡\frac{{\mathrm{TF}}_R}{{\mathrm{\α}}_R}-\frac{{\mathrm{TF}}_M}{{\mathrm{\α}}_M}$ 等式6

$H=\frac{b_R}{{\mathrm{\α}}_R}-\frac{b_M}{{\mathrm{\α}}_M}$ 等式7

H的初始校准值由H₀表示，并定义如下：

$H_0\≡\frac{b_R}{{\mathrm{\α}}_R}-\frac{b_M}{{\mathrm{\α}}_M}$ 等式8

对于每一个传感器，α_M，α_R，b_M和b_R的值是唯一的常数。因此，除非传感器发生物理变化，否则H的值大致是恒定的，与所施加的差压无关。就是说，如等式8所示， $H_0\≡\frac{b_R}{{\mathrm{\α}}_R}-\frac{b_M}{{\mathrm{\α}}_M}.$ 注意，在较少的情况下，即传感器没有零偏移，y截距将会是0，该情况下H的求值为零。然而在实际中，存在微小的空腔深度和电极面积的失配，导致H的小的非零值，其应当在传感器的整个寿命中保持恒定。

恒定的H的额定值(H₀)可以在制造过程期间来测量。例如，当差压传感器被校准时，可以获得测量。除非电极发生故障，否则校准的值H₀不应在变送器的寿命期间发生明显变化。函数H的信号噪声比应当是与用于测量差压的TF_M和TF_R可比较的。因此，H对电极损耗和非线性效应的灵敏度应当与压力传感器对所施加的差压的灵敏度大致相同。然而，H对填充流体常数的变化的灵敏度根据主电极和环电极之间的灵敏系数差而直接发生变化。因此，对电介质变化的灵敏度远小于对电极损耗的灵敏度。

图5A是环电极和主电极以及H的值在某个范围的差压上的变化的图表，而图5B示出了在主电极面积已经损失2％的情况下的相同图表。类似地，图5C示出了在主电极面积已经损失2％的情况下的结果。图5D是示出环电极面积损失4％后的结果的图表。图5E是示出填充流体的电介质常数增大30％后的结果的图表。对填充流体电介质的变化的灵敏度看起来强烈依赖于主电极和副电极之间的标准度量因数的失配。例如，通过增大中央隔膜的厚度，或通过减小隔膜的铰链点的直径，可以增大该灵敏度。

H相对于所施加的差压的独立性会显著地受到电极面积失配的改变，但受空腔深度失配的影响较小。在H不随所施加的差压变化的实现中，H关于差压的值可以在制造期间校准，以增大本发明的诊断系统对故障的灵敏度。

在操作中，可使用变送器内的电路，例如图2中所示的微计算机系统74，来计算H的当前值。微计算机系统74内的存储器可以存储H₀的额定值或校准值。在操作期间，微计算机系统74可以周期性地计算H的当前值，并将其与额定值进行比较。如果H的当前值已经相对于额定值超过预定义阈值(或采用其他标准)，那么微计算机74会向操作员发出警告，例如通过双线通信回路38或通过本地输出而发送消息。当额外的计算能力可用时，在通过双线过程控制回路38接收到命令时，可以在处理器停机(downtime)期间周期性地计算H，或通过任意适合的机制进行计算。另外，如果针对特定压力传感器的H值是随另一个变量而变化的值，例如随着所施加的差压而变化，那么可以参照这个变量来校准H。在该配置中，微处理器控制器可以根据该变量来计算H的额定值H₀，并根据H₀的这个校准值与H的当前值进行比较。

除了上述功能之外，H函数可以用于检测中央隔膜中的漏洞，该漏洞可能会允许填充流体在压力传感器的两个半体之间流动。在该配置中，传感器的一半中的电介质填充流体应当与该传感器的另一半中的填充流体具有不同的电介质常数。为了容易实现，可以利用较小的电极面积来制造具有较高的电介质常数的填充流体，以补偿单元电容(cell capacitance)的增大。在更为具体的示例中，如果一个的电介质常数是另一个的电介质常数的两倍，那么该电极的尺寸可以减小两倍。

使用不同电介质常数的填充流体，使用H函数的上述技术可以用于识别发生故障的压力传感器。

尽管参照优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做出改变。尽管本发明已经参照特定的电极和传感器配置而示出，然而本发明的概念可应用于其他配置，而且本发明不限于这里所讨论的具体配置。可以根据需要来改变电极和隔膜的位置、形状、尺寸等。此外，本发明使用多个计算来实现诊断功能。本发明不限于这里提出的具体计算，可以根据需要使用其他计算来代替。

Claims (20)

1.一种用于压力传感器的诊断系统，包括：

空腔，被配置为接受所施加的压力，所述空腔具有第一壁和第二壁；

所述空腔中的可弯曲隔膜，被配置为与所述第一壁形成第一和第二电容，并与所述第二壁形成第三和第四电容，这些电容响应于所施加的压力而发生变化，第一和第三电容形成第一传递函数，而第二和第四电容形成第二传递函数；以及

电路，被配置为根据第一和第二传递函数而提供诊断输出。

2、根据权利要求1所述的装置，其中，所述电路被配置为通过双线过程控制回路而提供诊断。

3、根据权利要求1所述的装置，其中，所述电路计算基于第一和第二传递函数的H的当前值。

4、根据权利要求3所述的装置，其中，所述电路还被配置为把所计算的H的当前值与额定值H₀进行比较。

5、根据权利要求1所述的装置，其中：

第一传递函数具有如下形式：

TF_M＝α_MDP+b_M

而第二传递函数具有如下形式：

TF_R＝α_RDP+b_R

其中α_R和α_M是灵敏系数，DP是所施加的差压，b_M和b_R是y截距，下标M表示第一和第三电容，下标R表示第二和第四电容。

6、根据权利要求5所述的装置，其中，所述电路还被配置为根据下式来计算H的当前值：

$H\≡\frac{{\mathrm{TF}}_R}{{\mathrm{\α}}_R}-\frac{{\mathrm{TF}}_M}{{\mathrm{\α}}_M}.$

7、根据权利要求1所述的装置，其中，所述诊断输出表示电极的状况。

8、根据权利要求1所述的装置，其中，所述诊断输出表示包括多个诊断输出的组，所述多个诊断输出包括中央隔膜的漏洞、发生故障的压力传感器、电极损耗、污染、电接线的损耗以及引线的损坏。

9、根据权利要求1所述的装置，其中，可弯曲隔膜的一侧上的填充流体与可弯曲隔膜的另一侧上的填充流体具有不同的电介质常数。

10、一种用于诊断压力传感器的操作的方法，包括：

测量所述压力传感器的第一、第二、第三和第四电容；

计算基于所测量的第一、第二、第三和第四电容的H的当前值；以及

基于所计算的值的变化，诊断所述压力传感器的操作。

11、根据权利要求10所述的方法，其中，所述诊断输出表示中央隔膜的漏洞。

12、根据权利要求10所述的方法，包括提供基于所计算值的变化的输出。

13、根据权利要求10所述的方法，其中，H的当前值基于第一和第二传递函数。

14、根据权利要求13所述的方法，包括把H的当前值与额定值进行比较。

15、根据权利要求13所述的方法，其中：

第一传递函数具有如下形式：

$\frac{M_1-M_2}{M_1+M_2}={\mathrm{TF}}_M={\mathrm{\α}}_M\mathrm{DP}+b_M;$ 以及

第二传递函数具有如下形式：

$\frac{R_1-R_2}{R_1+R_2}={\mathrm{TF}}_R={\mathrm{\α}}_R\mathrm{DP}+b_R$

其中M₁和M₂是指主电极和中央隔膜之间的电容，R₁和R₂是指环电极和中央隔膜之间的电容，α_R和α_M是灵敏系数，DP是所施加的差压，b_M和b_R是y截距，下标M表示第一和第三电容，下标R表示第二和第四电容。

16、根据权利要求13所述的方法，其中包括根据下式来计算H的当前值：

$H\≡\frac{{\mathrm{TF}}_R}{{\mathrm{\α}}_R}-\frac{{\mathrm{TF}}_M}{{\mathrm{\α}}_M}.$

17、根据权利要求10所述的方法，其中，当前值的变化表示电极的状况。

18、根据权利要求10所述的方法，包括在过程变送器的微计算机中实现所述方法的步骤。

19、根据权利要求10所述的方法，其中，可弯曲隔膜的一侧上的填充流体与可弯曲隔膜的另一侧上的填充流体具有不同的电介质常数。

20、根据权利要求19所述的方法，其中，诊断操作包括检测可弯曲隔膜中的漏洞。

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