CN101627285B - 通风高温压电基现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于感应过程流体的特性的过程流体传感器104。该过程流体传感器104包括在其中限定腔室的金属传感器本体150。压电晶体元件160设置为靠近该腔室，并被构造成响应于机械输入而产生电信号。压电晶体元件160可机械连接至过程流体，但被具有气体通道(164)地密封在传感器本体内。本发明还提供了利用过程流体传感器(104)的涡旋流量计(100)。

Description

通风高温压电基现场设备

背景技术

如涡旋流量计之类的现场设备广泛地用在工业过程中，以测量过程流体的流动，过程流体例如为泥浆、液体、化合物的蒸汽和气体、石油、药物、食物和其它流体式生产过程中的流体。通常，涡旋流量计利用放置在流体流动中的脱落杆(shedding bar)来在脱落杆的相对侧引起或产生旋涡。涡旋脱落的频率直接正比于过程流体中的流速。因此，涡旋流量计感应由所产生的漩涡引起的脉动压力，以确定过程流体流的流速。示例性的涡旋流量计实施方案可以在于1990年5月2日授权给Eden Prairie，Minnesota的Rosemount Inc.的美国专利No.4,926,695，以及于1994年9月6日授权给Eden Prairie，Minnesota的Rosemount Inc.的美国专利No.5,343,762中公开，上述两个专利与本申请一起被转让给Eden Prairie，Minnesota的Rosemount Inc.。

压电晶体基传感器，如涡旋流量计广泛用在现场设备中，用于检测小的机械运动，如由涡旋流量计中的涡旋产生的运动。因为这些仪表用在工业环境中，晶体通常被密封在钢体中，以将它们与环境隔离。由于压电基晶体容易受某些还原气氛的影响，这些其中放置这种晶体的钢体被频繁地预氧化，以避免在钢体中形成严重的还原气氛。在实际中，将压电基晶体密封在预氧化的钢体中可能不是总有效。具体地，随着时间的过去，压电晶体可能在某些高温场合发生故障。因此，本发明的各实施例主要关注的是增加压电基晶体在高温工业监控和控制场合中的耐久性。

发明内容

本发明提供了一种用于感应过程流体的特性的过程流体传感器。该过程流体传感器包括在其中限定腔室的金属传感器本体。压电晶体元件设置为靠近该腔室，并被构造成响应于机械输入而产生电信号。压电晶体元件可机械连接至过程流体，但被具有气体通道地密封在传感器本体内。本发明还提供了利用过程流体传感器的涡旋流量计。

附图说明

图1为根据本发明实施例的涡旋流量计的图解视图。

图2为根据本发明实施例的压电基涡旋传感器的图解分解透视图。

图3为根据本发明实施例的涡旋传感器的一部分的横截面视图。

图4为根据本发明实施例的压电基涡旋传感器的插柱(pull post)的正视图。

图5为展示绝缘电阻与时间的关系的图表，将现有技术的涡旋传感器的性能与根据本发明实施例的压电基涡旋传感器的性能进行比较。

具体实施方式

图1根据本发明实施例的涡旋流量计的图解视图。流量计100包括过程流体导管102、涡旋传感器104和位于电子组件腔108内的变送器电子组件106。流动导管102包括涡旋非流线型体110，非流线型体110在流动通道112中延伸，且较佳地延伸过整个流动通道112。非流线型体110可操作地连接至将如振动之类的运动传递至涡旋传感器104的部件114。这些微小的运动是由在过程流体流过通道112时在过程流体中产生涡旋的非流线型体110引起的。涡旋传感器104电学响应这些细微运动。已知的涡旋传感器通常采用与已知的压电特性一致的压电传感器，该压电传感器响应于机械输入，如压力或运动而产生电特性，如电压。涡旋传感器104通过壳体118内的连接装置116电连接至位于腔108内的变送器电子组件。如图1所示。变送器电子组件106位于腔108内，在多个实施例中，腔108直接位于壳体118上。然而，在其它实施例中，腔108和变送器电子组件106可以远离壳体118设置，且仅通过合适的导体连接至那里。变送器电子组件106包括测量或感应涡旋传感器的电特性、并产生与流过通道112的过程流体的速率相关的值或数据的已知电路。而且，电子组件106通常包括通信电路，所述通信电路将所计算的速率通过由附图标记120示意性地表示的过程通信环路传输至其它设备，如控制室或其它现场设备。过程通信环路的例子包括基于可寻址远程传感器数据公路协议、FOUNDATION^TM现场总线协议或其它过程通信协议的那些通信环路。此外，或可选择地，也可以采用无线数据传输协议。在某些有线实施例中，流量计100能够完全由通过进行通信的有线过程通信线接收的能量供电。

流量计100被认为是现场设备，原因在于它通常能够安装在现场中。“现场”通常为过程设备站的外部区域，其可能经受极端气候、振动、湿度变化、电磁或射频干扰、或其它环境挑战。因此，流量计100的牢固的物体包装为流量计100提供了每次能够在“现场”中运转延长周期(如数年)的能力。

图2为根据本发明实施例的压电基涡旋传感器104的图解分解透视图。传感器104包括涡旋传感器本体150。本体150包括允许连接装置116从中通过的通道，由此便于电导体从变送器电子组件106(如图1所示)通向位于底座162上的压电元件160，压电元件160优选通过铜焊接连接至传感器本体150。电连接装置允许机械施加至将被测量或将由变送器电子组件106监测的晶体160上的压力的变化。如前所述，流量计100通常用在工业环境中。因此，流量计传感器内的压电晶体通过密封在通常由钢组成的本体150内，以将压电晶体160与工业环境隔离。在这点上，盖子163通常放在晶体160上，并焊接或密封至本体150，由此将晶体160密封在本体150内。然而，压电晶体易于受某些还原气氛的影响。因此，钢体150被频繁地预氧化，以避免在本体150内形成严重的还原气氛。在此使用的“还原气氛”是用于表示围绕压电晶体的环境，在该环境中，压电晶体易于获得电子或者减少氧化值。当压电晶体获得电子时，它减少了晶体分子的氧化值，且这种活动被认为是不利地影响压电晶体传感机械压力变化的效率。人们认为，在压电传感器的密封本体内，还原气氛具有催化或某些机制，这种机制在本质上从晶体中吸氧并将它沉积在周围的本体中，或影响压电晶体。如上所述，本体150的金属构件优选被预氧化，以希望降低金属体吸氧的程度。然而，在某些场合，如高温场合，即使预氧化部分也被认为是随着时间的推移会继续氧化。因此，人们认为，甚至气密密封的部件也会以＜每分钟10^-9立方厘米(cc/m)的量级非常缓慢地泄露。这种基本上密封的壳体允许从晶体上吸氧并将其沉积在仪表本体内。

通过有意产生到晶体空腔中的缓慢的氧泄露，本发明的各实施例主要致力于解决所认识到从压电晶体中吸氧的这种问题。然而，由于涡旋传感器可能被暴露至工业环境中的各种过程流体，同样重要的是故意的氧泄露不允许液体或其它过程流体通过。在一个实施例中，通过改变密封靠近压电晶体的腔的组成金属部件中的一个的结构而引入这种故意泄露。具体地，由图2和3中的附图标记164适应性地表示的熟知为“插柱”的部件被改变为，由固体金属，如不锈钢构造改为由金属粉末构造。较佳地，金属粉末插柱具有约为固体金属部件密度的90％的密度。然而，这仅仅是一个较佳选择，并且只要适量的氧能够通过，同时较佳地同步抑制液体，可以采用多孔性变化。该实施例是优选的一个原因在于可以仅通过用金属粉末插柱代替现有的插柱而实现整个发明。然而，希望的是，通过在传感器本体中故意引入任何合适的通道而能够实现本发明的各实施例。而且进一步，其它组件，如底座162可以整体或部分地由金属粉末构造。而且，虽然本发明的各实施例主要关注用在高温工业环境中的压电基涡旋传感器，但本发明的各实施例可以采用在存在还原气氛时经历氧化耗尽效应的任何工业压电基传感器来实行。

图3为根据本发明实施例的涡旋传感器104的一部分的横截面视图。如图3所示，插柱164结合孔170以密封孔170。因此，插柱164是形成所述基本上密封的组件中的一种。而且，除通过金属粉末插柱164的氧扩散路径之外，腔172基本上是密封的。从图3可以明显看出，通过提供从本体部分154的外部或底座162延伸至腔172的孔或通道，也能够实现本发明的各实施例。而且，所述孔可以由金属粉末或基本上不透过过程流体同时允许氧通过的一些其它合适的材料填充其中，或由这些材料构造。

图4为根据本发明实施例的插柱164的正视图。插柱164与现有的插柱类似，但不同的是由允许氧通过的材料构造。较佳地，插柱164由不锈钢之类的金属粉末构造，具有为固体插柱的密度的一部分的密度。更较佳地，该密度约为固体插柱的密度的90％。然而，特别希望的是插柱164可以被构造成固体件，被钻孔以包括通过其中的通道，并且随后设置如金属粉末或其它合适的材料的液体栅栏，其将液体的流动限制至合适的低水平，同时还允许氧从中通过。

图5为可以被用作压电晶体状况的代表的绝缘电阻(IR)的图表，将现有技术的涡旋传感器的性能与根据本发明实施例的压电基涡旋传感器的性能进行比较。较大的虚线(200)表示现有涡旋传感器的，绝缘电阻在约8天时开始显示出明显的下降。与现有的涡旋传感器相反，根据本发明各实施例构造的涡旋传感器更可靠地运行。具体地，较短的虚线(由附图标记202表示)显示出超过100天后绝缘电阻仍然相对稳定。事实上，该绝缘电阻稍微增加了。而且进一步，与根据现有技术构造的涡旋传感器的绝缘电阻相比，该绝缘电阻在整个持续时间内基本上很少变化。因此，可以认为根据本发明各实施例构造的涡旋传感器和涡旋流量计将提供适应高温场合的更可靠的运转。

虽然已经参照较佳的实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面进行各种变化。

Claims (8)

1.一种用于感应过程流体的特性的过程流体传感器，该传感器包括：

金属传感器本体，所述金属传感器本体在其中限定腔室；

压电晶体元件，所述压电晶体元件设置为靠近该腔室，并被构造成响应于机械输入而产生电信号，其中所述压电元件可机械连接至过程流体，但被具有气体通道地密封在金属传感器本体内；和

金属粉末插柱，将所述压电晶体元件密封在所述金属传感器本体内，由此限定至所述压电晶体元件的氧扩散路径，并限制液体流向所述压电晶体元件。

2.根据权利要求1所述的过程流体传感器，其中该传感器为涡旋传感器。

3.根据权利要求2所述的过程流体传感器，其中所述金属粉末插柱具有小于由形成所述金属粉末插柱的金属形成的固体结构的密度的密度。

4.根据权利要求3所述的过程流体传感器，其中该金属粉末插柱的密度约为所述固体结构的90％。

5.一种涡旋流量计，包括：

包含变送器电子组件的电子组件外壳；

连接至变送器电子组件的涡旋传感器，该涡旋传感器包括：

金属传感器本体，所述金属传感器本体在其中限定腔室；

压电元件，所述压电元件设置为靠近该腔室，并被构造成响应于机械输入而产生电信号，其中所述压电元件可机械连接至过程流体，但被具有气体通道地密封在金属传感器本体内；和

金属粉末插柱，将所述压电晶体元件密封在所述金属传感器本体内，由此限定至所述压电晶体元件的氧扩散路径，并限制液体流向所述压电晶体元件。

6.根据权利要求5所述的涡旋流量计，其中电子组件外壳靠近涡旋传感器安装。

7.一种涡旋流量计的插柱，该插柱的尺寸形成为容纳在涡旋传感器中的孔内，其中以具有通过该插柱的氧通道的方式，该插柱在涡旋传感器内密封了一个腔室。

8.根据权利要求7所述的插柱，其中插柱由金属粉末形成。

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