CN101802581B - 过程流体压力变送器中的改进的压差传感器隔离装置 - Google Patents

Abstract

一种压差变送器(200、300、400、500、600、700)包括第一过程流体入口(210、310)和第二过程流体入口(212、312)。压差传感器(214、338、518、638)设置在变送器(200、300、400、500、600、700)内并具有第一和第二传感器入口。第一隔离隔膜(230、330)靠近第一过程流体入口(210、310)设置，并通过第一填充流体体积(334)可操作地连接至第一传感器入口。第二隔离隔膜(232、332)靠近第二过程流体入口(212、312)设置，并通过第二填充流体体积(336)可操作地连接至第二传感器入口。测量电路(218)可以操作地连接至压差传感器(214、338、518、638)，并被配置用于测量传感器(214、338、518、638)的电学参数并提供所测量的参数的指示。第三流体体积(354)基本上包围压差传感器。第三流体体积(354)将压缩力施加到压差传感器(214、338、518、638)上。

Description

过程流体压力变送器中的改进的压差传感器隔离装置

背景技术

过程变送器通常包括响应于过程变量的转换器或传感器。过程变量通常涉及物质的物理或化学状态或者能量的转换。过程变量的例子包括压力、温度、流量、传导性、pH值和其它性质。压力被认为是基本过程变量，在于它可以用来测量流量、水平甚至温度。

压力变送器通常用在工业过程中，用于测量和监测各种工业过程流体(如化合物、纸浆、石油、气体、药物、食物和其它流体类型处理工厂的浆体、液体、蒸汽和气体)的压力。压差变送器通常包括一对过程压力流体输入装置，其可操作地连接至响应于所述两个输入装置之间的压力差的(在变送器内的)压差传感器。压差变送器典型地包括可操作地连接至一对隔离隔膜的压差传感器。隔离隔膜设置在过程流体入口处，并将压差传感器与被感测的令人难受的过程流体隔离开。压力通过基本不能压缩的填充流体从过程流体传递至压差传感器，所述填充流体在从隔离隔膜延伸至压差传感器的通路中被运载。

压差传感器通常包括可移动的隔膜，该隔膜具有连接至第一压力的第一侧和连接至第二压力的第二侧。压力之间的差在可移动的隔膜上产生净位移。该隔膜具有电特性，如随着所述位移变化的电容或电阻。随后可以监测或测量所述电特性，作为压力差的指示。压差传感器在许多应用中是有用的。然而，通常在测量过程流体流量的应用中发现它们。在这些应用中，压差产生装置设置在过程流体导管(如管道)内，并且流过产生装置的流体流量产生压力差。跨过产生装置产生的压力差随后在数学上与通过导管的过程流体流量相关。

虽然依赖于过程流体流量、粘性、密度等，压力差本身可以为任何大小，在导管内的过程流体的实际管线压力可以独立于压力差进行改变。例如，流过小的障碍的具有相对低的密度的过程流体仅可以产生小的压力差。然而，流动导管内的整个压力可能非常大。因此，压力差感测系统通常指定可以转换的最大压力差，以及该系统可以面对的最大管线压力。这种系统通常被设计，用于调节超出最大规定管线压力的至少一部分压力偏移。这些偏移通常称为过压事件。这种压力差系统响应于这样的过压事件并从这样的过压事件恢复的方式是极其重要。例如，如果过压事件使感测系统内的过程流体接头破裂或损坏，则破坏该感测系统继续工作的能力。此外，如果在压差感测系统内出现塑性变形，则会从该点将来开始引入系统错误，这种错误将影响所有的后续压力差测量。

这种系统的过压事件可能会导致传感器的可移动隔膜完全接合感测室的壁。在这种情况中，压差传感器的内部本身在过压事件期间完全承受管线压力。虽然这明显是不期望的，但对半导体基压力传感器更是不被期望的。这些半导体基压差传感器典型地采用易碎材料，如半导体材料，并且由半导体材料层堆叠而成。它们通常结合在一起形成整个传感器，但已知的是这种传感器不能够在层界面上承受非常大的张力。

具有对过压情况更好的响应的过程流体压差变送器将推动感测压差过程流体的技术向前发展。此外，这种变送器可以允许在要求更苛刻的应用中工作，和/或提供较长的工作寿命。

发明内容

一种压差变送器，包括第一过程流体入口和第二过程流体入口。压差传感器设置在该变送器内，并具有第一传感器入口和第二传感器入口。第一隔离隔膜靠近所述第一过程流体入口设置，并且通过第一填充流体体积可操作地连接至所述第一传感器入口。第二隔离隔膜靠近所述第二过程流体入口设置，并且通过第二填充流体体积可操作地连接至所述第二传感器入口。测量电路可操作地连接至所述压差传感器，并且被配置用于测量所述传感器的电学参数并提供所测量的参数的指示。第三流体体积基本上包围所述压差传感器。第三流体体积将压缩力施加到所述压差传感器上。

附图说明

图1为连接至法兰的示例性压力变送器的示意图。

图2为在本发明的实施例一起使用的压差变送器环境的截面图。

图3为根据本发明的实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。

图4为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。

图5为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。

图6为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。

图7为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。

具体实施方式

本发明实施例的至少一些方面来源于对现有技术的压差感测系统在所述系统响应于过压事件且从过压事件恢复的方式上的不足的独特理解。采用半导体基压差传感器的压差变送器(如采用高性能微机电系统(MEMS)压差传感器的这些压差变送器)在它们的最终性能规格方面受限于用来消除这样的传感器上的全部管线压力限制和过压要求的油隔离技术。这种要求通常包括非常大的油体积，用于浸没传感器且允许隔离隔膜工作。隔离隔膜本身具有温度和压力滞后现象以及不重复性。除了压力传感器本身的误差之外，这些误差总是存在的。为了避免将压差传感器浸没在油中，增强压差传感器本身的尝试包括使用夹持部件。然而，这种夹持部件通常会产生误差。夹持部件在传感器中产生压力和温度滞后。而且，来自感测机构的误差量通常直接与和感测机构物理接触量成比例。

如将在下文中更详细地阐述的，本发明的各个实施例通常将压差传感器密封在独立体积的填充流体内。所公开的各种实施例提供了解决过压事件的不同方案，以及管线压力和/或工作温度变化的测量和补偿。

图1图示了所公开的实施例所使用的示例性压力变送器100。压力变送器100通常包括连接至传感器主体106的变送器主体104，其中传感器主体106还连接至隔离组件108，该隔离组件108最终连接至法兰或歧管102。可替换地，变送器主体104和传感器主体106可以形成为一体的设备。在图1中，法兰102为CoPlanar^TM型产品。CoPlanar^TM类型产品包括法兰102，该法兰102接通出入的过程流体，相对于与过程流体一致的法兰。这种法兰是明尼苏达州的查哈森市的罗斯蒙德公司所销售的商标为Model 305和306的歧管。然而，所述实施例可以与采用用于接收过程流体的其它类型的接头的其它类型的法兰或歧管一起使用。

法兰102包括一对过程流体入口110和112以及一对出口组件114和116。过程流体入口110和112允许压力变送器100测量过程流体的压力差(或仪表压力)。

图2图示了连接至法兰或歧管202的压力变送器200的截面图。压力变送器200包括变送器主体204和传感器主体206。变送器主体204和传感器主体206由相同的材料制成。典型地，传感器主体206由诸如316or316L不锈钢之类的可铸合金形成。变送器主体204可以由铝或不锈钢形成。传感器主体206构造为容纳压差传感器214和隔离组件208。变送器主体204构造为容纳变送器电路218。传感器214经由引线220连接至变送器电路218。变送器电路218在通信链路上发送与过程流体的压力相关的信息(例如图2中图示的变送器输出)。例如，变送器电路218可以在两个有线通信电路(如在4-20mA电流回路或过程控制工业标准或Fieldbus回路)上发送与过程流体的压力差相关的信息。压力变送器200可以通过它在通信电路上的连接由控制器供电。可替换地或另外地，变送器200可以采用无线网络。

压力传感器214通常测量法兰202的第一入口210中的压力P1和法兰202的第二入口212中的压力P2之间的压力差。压力P1通过第一通路222连接至压力传感器214。压力P2通过第二通路224连接至压力传感器214。第一通路222从压力变送器200中的第一开口226延伸至压力传感器214，并穿过第一传感器安装管227。第二通路224从压力变送器200中的第二开口228延伸至压力传感器214，并穿过第二传感器安装管229。通路222和224填充有相对不能压缩的填充流体，如油、硅油、甘油和水、丙二醇和水、或任何其它适合的流体。

隔离组件208包括设置在第一开口226并连接至传感器主体206的第一隔离隔膜230。隔离组件208还包括设置在第二开口228中并连接至传感器主体206的第二隔离隔膜232。第一隔离隔膜230与第一通路222中的填充流体连通，同时与入口210中的过程流体连通。第二隔离隔膜232与第二通路224中的填充流体连通，同时与入口212中的过程流体连通。隔离隔膜230和232将入口210和212处的过程流体的性质和特性传输至通路222和224中的填充流体。压力传感器214感测包含在通路222和224中的填充流体的性质和特性。当压力变送器200暴露至具有变化的环境条件(如具有极端温度波动)的周围温度和/或过程流体时，填充流体随着温度的升高而膨胀。

图3为根据本发明的实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。变送器300包括一对过程流体压力入口310和312，其分别连接至单独的过程流体压力源。每个过程流体压力入口310，312分别包括隔离隔膜330，332。隔离隔膜响应于过程流体压力入口中的压力而偏转，所述偏转通过隔离流体334和336传递这种压力。隔离流体334将来自隔离隔膜330的压力输送至压差传感器338的感测隔膜的第一侧。类似地，隔离流体336将来自隔离隔膜332的压力输送至压差传感器338的感测隔膜的第二侧。隔离流体334可以认为是隔离流体的第一体积，隔离流体336可以认为是第二体积。第一和第二体积的隔离流体相互流体分离开。可以理解，由于管线压力增加，第一体积334和第二体积336中的压力对推动压差传感器338的第一层342和第二层348的分离起作用。这通常将使压差传感器338的各层处于拉伸中，这是不期望的，尤其对于基于脆性材料的压力传感器来说。然而，如图3所示，压差传感器338设置在密封室350内，并安装在基座352上。根据本发明的实施例，室350被加压。优选地，室350加压到基本等于压差传感器338将面对的最大预期管线压力的水平。此外，优选的是，采用不可压缩的填充流体(如与用于体积334和336的填充流体相同类型的填充流体)进行室350的加压。因此，第三流体体积354存在于室350中，并具有基于压差传感器338的预期工作条件而指定的压力。一旦加压达到正确的水平，密封诸如导管356的导管，以在其中保持相对高的压力。

当压差传感器和/或压差变送器的温度改变时，其中的各种材料会经历相对的膨胀或收缩。甚至在感测隔膜340时的微小的位移将表示压力变化时，这些改变可能是特别令人讨厌的。因此，优选的是，温度补偿体358设置在室350中并设置在第三流体体积354中。补偿体358优选由具有特定热膨胀系数的合适材料构造。选择用于体358的材料的热膨胀系数，使得体358的材料和密封油354的体积随着温度的变化之和等于室350的体积变化减去压差传感器338的体积变化。随着温度改变至膨胀系数容差的实际极限，这为第三体积354提供了相对恒定的压力。压差变送器的温度补偿优选包括补偿与第三体积354相关的误差。此外，第三体积354的压力指示还可以用作为诊断，并且可以由压差传感器338测量或转换。例如，流体354的压缩力将第一层342和第二层348相互向一起靠拢。这种力可以引起顶层向底层的位移，可以由从感测隔膜340至第一层342的电容测量和从感测隔膜340至第二层348的电容测量来测量这种位移。上文给出的实例采用基于感测的电容，但可以使用响应于感测隔膜与第一和第二层342、348之间的位移的任何感测机制。此外，特别期望的是另一压力传感器可以流体连接至第三体积354，用于直接测量压力。

由于第三体积354被加压至变送器的最大能预测的工作管线压力，要注意的是压差传感器338内的各种接头和联结装置在传感器338的整个工作寿命期间被保持处于压缩中，除非且直到管线压力明显超过保持在第三体积354中的压力。

图3中图示的实施例允许隔离隔膜的冲程仅被限制为压差感测隔膜340、油的热膨胀以及具有管线压力的油的整体压缩所需要的量。如果一个或多个附加的补偿体包括在体积334、336内，冲程被更多地限制。相信通过减小隔离隔膜所要求的冲程，压差传感器的响应时间将降低。此外，存在收缩隔离隔膜的潜力。最终，第三体积354的流体可潜在地独立于体积334和336的流体而选择，以优化特定参数，如最佳热膨胀性能。

图4为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。变送器400具有一些与变送器300相类似之处，相同的部件采用相似的方式进行标号。压差变送器400包括第一和第二过程流体压力入口310、312以及对应的隔离隔膜330、332。端口310处的压力通过隔离隔膜330经由第一隔离流体体积334施加在感测隔膜340的第一侧上。类似地，端口312处的压力经由隔离隔膜332和第二隔离流体体积336施加在传感器隔膜340的第二表面上。相对于图4示出的实施例与图3的实施例的不同之处在于，隔离流体体积334和336中的每一个连接至对应的次级隔离隔膜402、404。第三流体体积406围绕压差传感器338，但加压至隔离隔膜330、332上经历的压力的最大值。次级隔离装置402、404仅仅是过压情况期间降至最低点的隔离装置。例如，次级隔离装置404将在入口310的压力处于高压力时，且入口312处的压力被释放时，降至最低点。在这种情况中，次级隔离装置402将不降至最低点，并且进入端口310处经历的压力仍传送至油体积334中，并还被传送至油体积406中，其又将次级隔离装置404驱动至次级隔离装置停止件408上。在相反的情况中，在进入端口312的压力处于高压力且进入端口310处的压力被释放时，次级隔离装置402降至最低点，抵靠在次级隔离装置停止件410上。另外，在这种情况中，次级隔离装置404不降至最低点，并且进入端口312处的压力仍传送至油体积336中，并传送至油体积406中，由此将次级隔离装置402驱动至次级隔离装置停止件410上。因此，在所有的情况中，压差传感器338的外部保持在管线压力之下，或者保持在压力入口310、312中任一个的最大压力下。以这种方式，管线压力被使得管道连接至油体积406或流体连接至油体积406。

次级隔离装置402，404仅需要在操作情形中与它们各自的停止表面410、408分离。在该系统需要的所有油冲程用于将次级隔离装置402、404驱动至各自的停止装置410、408上。由于次级隔离装置402、404将总是仅在一个方向上降至最低点，由于隔离作用来自过压事件的输出上具有最小作用。在基于脆性材料的压差传感器的情况中，在过压偏移之后，由于任一方向上的过压事件，输出上的作用很小。

图5为根据本发明的实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。参照图5示出的实施例与前述实施例共有一些部件，并且相同的部件采用类似的标号。参照图5图示的实施例提供了连接至隔离隔膜330并连接至压差传感器338的第一压力入口的第一隔离流体体积334。类似地，第二油体积336连接至隔离隔膜332和压差传感器338的相反侧或第二侧。第一和第二体积334和336中的每一个经由各自的管子502、504流体连接至次级封壳506。次级封壳506分别提供了第一和第二次级隔离装置508、510。次级隔离隔膜508和510将第一和第二流体体积334、336分别与第三流体体积512分离开。第三流体体积512经由管子514连接至压差传感器封壳518内的室516。第三流体体积512围绕压差传感器336。用于第一、第二和第三流体体积的各填充管分别以520、522和524示出。填充管520、522和524用来填充各自的流体体积，并且随后填充管被弯曲或密封，以在其中保持流体体积。如图5所示，以虚影示出的独立的管线压力传感器526可以连接至管子514，用于提供第三体积512内的流体压力的直接指示。压差测量系统500的基本操作类似于系统400(图4中示出)的基本操作，在于次级隔离隔膜508、510接合至隔离装置停止件，以解决其中压力入口310、312中的一个处于高压且另一个被释放的情况。此外，虽然未在图5中明确示出，次级封壳506还可以包括一个或多个热补偿体，如上文参照图3图示的。

图6为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。变送器600具有一些与(图4中示出的)变送器400相类似之处，并且相同的部件采用类似的标号。变送器600与变送器400不同的主要方面在于与(图4中示出的)压差传感器338相比压差传感器638的配置。具体地，压差传感器638仅分别由第一和第二层602和604形成。层602和604在边缘606、608和区域610处结合在一起。通过在区域610处将第一层602固定至第二层604，产生了一对基本独立的压力传感器区域612、614。每个区域612，614经由各自的第一和第二隔离流体体积334、336流体连接至相应的进入端口310、312。设置在表面612A，612B，614A和614B上区域612、614内的合适的传导电路(图6中未示出)具有基于第一层602和第二层604在传感器区域612、614中相互偏转的量改变的电特性。可替换地，这种电路可以安装至第一和第二层602、604中的任一个或两个的外表面上。合适的电路可以包括压电元件、电容板或任何其它合适的电路以及这种电路的组合。采用压电电路，每个隔膜区域612、614可以具有完整的惠斯通电桥，并且输出可以单独地表征为压力差的相减。可替换地，在它具有正的输出时，可以使用一个隔膜上的直接测量。来自第一传感器的正的输出可以认为是正的压力差，来自第二传感器的正的输出则可以认为是负的压力差。这提供了非常重要的优点，在于使用了仅提供正的输出的电路。此外，为这种系统提供了达到约两倍的因子的更好的灵敏度。可替换地，一个惠斯通电桥可以分配至两个隔膜区域612、614，以提供一个输出。因此其特征在于压力差测量仅有一个输出。

类似地，电容技术可以提供重大的灵活性。每个隔膜区域612、614可以提供电容值，其可以用压力单独表征，随后压力差变为读数的差。可替换地，可以在电学上使电容为由压力差表征或与压力差相关的比率输出。

图7为根据本发明的另一实施例的压差变送器的一部分的横截面视图。压差变送器700与变送器600具有一些类似之处，并且相同的部件采用类似的标号。压差变送器700与变送器600不同之处在于，压差变送器700提供了物理上相互分开的多个压力测量传感器712、714，而压差变送器600提供了连接在一起作为单个压差传感器638的传感器部分612和614。然而，表面712A、712B、714A和714B的各种电路和特性可以与之前参照表面612A、612B、614A和614B描述的电路和特性相同。可替换地，这种电路可以安装至传感器的外表面。

本发明的实施例通常采用预压缩隔离流体或过程流体的管线压力本身将压差传感器或传感器部分保持在压缩状态中。将压差传感器保持在压缩状态允许更稳定地(robust)操作，并将潜在地延长这种传感器的工作寿命。

虽然已经以具体到结构特征和/或方法动作的语言的形式描述了所述主题，但应当理解，随附的权利要求中限定的主题不必限于上述具体的特征或动作。更确切地说，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的实施例的形式公开的。

Claims (8)

1.一种压差变送器，该压差变送器包括：

第一过程流体入口和第二过程流体入口；

压差传感器，该压差传感器具有第一传感器入口和第二传感器入口；

第一隔离隔膜，该第一隔离隔膜靠近所述第一过程流体入口设置，且通过第一填充流体体积可操作地连接至所述第一传感器入口；

第二隔离隔膜，该第二隔离隔膜靠近所述第二过程流体入口设置，并且通过第二填充流体体积可操作地连接至所述第二传感器入口；

变送器电路，该变送器电路可操作地连接至所述压差传感器，并且被配置用于测量所述传感器的电学参数并提供其指示；和

第三流体体积，该第三流体体积基本上包围所述压差传感器，该第三流体体积将压缩力施加到所述压差传感器上；和

设置在所述第三流体体积内的补偿体，其中所述补偿体由具有能够抵消至少一种流体体积的热效应的热膨胀系数的材料构成，

还包括第一次级隔离隔膜和第二次级隔离隔膜，其中所述第一次级隔离隔膜可操作地连接至所述第一隔离隔膜，并将所述第一填充流体体积与所述第三流体体积分离开，并且其中所述第二次级隔离隔膜可操作地连接至所述第二隔离隔膜，并将所述第二填充流体体积与所述第三流体体积分离开，

其中所述第一次级隔离隔膜和第二次级隔离隔膜设置在封壳内。

2.根据权利要求1所述的变送器，其中所述压差传感器为基于脆性材料的压力传感器。

3.根据权利要求2所述的变送器，其中所述基于脆性材料的压力传感器为MEMS器件。

4.根据权利要求1所述的变送器，其中所述第一填充流体和第二填充流体为不可压缩流体。

5.根据权利要求1所述的变送器，其中所述第三流体为不可压缩流体。

6.根据权利要求1所述的变送器，还包括可操作地连接至所述第三流体体积并电连接至所述变送器电路的管线压力传感器。

7.根据权利要求1所述的变送器，其中所述变送器完全由过程通信回路供电。

8.一种压差变送器，该压差变送器包括：

具有第一传感器入口的第一压力传感器；

具有第二传感器入口的第二压力传感器

第一过程流体入口和第二过程流体入口；

第一隔离隔膜，该第一隔离隔膜靠近所述第一过程流体入口设置，并且通过第一填充流体体积可操作地连接至所述第一传感器入口；

第二隔离隔膜，该第二隔离隔膜靠近所述第二过程流体入口设置，并且通过第二填充流体体积可操作地连接至所述第二传感器入口；

变送器电路，该变送器电路可操作地连接至所述第一压力传感器和第二压力传感器，并且被配置用于测量所述传感器的电学参数并提供压力差的指示；和

第三流体体积，该第三流体体积基本上包围所述第一压力传感器和第二压力传感器，所述第三流体体积施加压缩力到所述第一压力传感器和第二压力传感器上；和

设置在所述第三流体体积内的补偿体，其中所述补偿体由具有能够抵消至少一种流体体积的热效应的热膨胀系数的材料构成，

还包括第一次级隔离隔膜和第二次级隔离隔膜，其中所述第一次级隔离隔膜可操作地连接至所述第一隔离隔膜，并将所述第一填充流体体积与所述第三流体体积分离开，并且其中所述第二次级隔离隔膜可操作地连接至所述第二隔离隔膜，并将所述第二填充流体体积与所述第三流体体积分离开，

其中所述第一次级隔离隔膜和第二次级隔离隔膜设置在封壳内。

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