CN101849170B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种压力变送器(10)。该压力变送器(10)包括压力传感器(60)，压力传感器(60)包括：一对过程流体压力端口(14、16)，每个端口具有可偏转隔板(70、72)。第一可变电容器置于压力传感器(60)内，并具有随过程流体端口(14、16)之间的差压变化的电容量。第二可变电容器置于压力传感器(60)内，并具有随线压变化的电容量。

Description

压力传感器
背景技术
一种在工业控制环境中已经变得非常有用的设备是压力变送器。压力变送器是感测过程容器内的流体压力并向控制系统提供指示压力的电信号的设备。通常，压力变送器具有能够测量差压或线压的压力传感器。差压是两个压力端口之间的压力差。线压是压力端口中任一个中的压力。在一些情况下，压力传感器包括响应于施加其上的压力偏转的可偏转隔板，并且具有在该隔板上或附着至该隔板的电结构，该电结构响应于隔板偏转以及压力改变器电特性。使用电容式压力传感器的压力变送器通常填充满介电填充流体，该介电填充流体增加压力传感器的电容以增加传感器分辨率。然而，在这样的传感器出现泄露的情况下，介电填充流体(有时是硅油)将溢出进入系统中，从而污染产品或过程流体本身。
发明内容
提供了一种压力变送器。该压力变送器包括：压力传感器，包括分别具有可偏转隔板的一对过程流体压力端口。第一可变电容器置于压力传感器内，并具有随着过程流体端口之间的压差而改变的电容量。第二可变电容器置于压力传感器内并具有随着线压而改变的电容量。
附图说明
图1是在过程安装中操作的差压变送器的示意图。
图2是根据本发明实施例的差压变送器的框图。
图3是根据本发明实施例的组合差压和线压传感器的一部分的截面图。
图4是根据本发明另一实施例的组合差压和线压传感器的示意图。
图5A-C示出了图4所示的传感器对不同系统压力的各种反应。
图6是根据本发明另一实施例的组合差压和线压传感器的示意图。
图7A-C示出了图6所示的传感器对不同系统压力的各种反应。
图8是根据本发明另一实施例的差压和线压传感器的示意图。
图9A-C示出了图8所示的传感器对不同系统压力的各种反应。
图10是根据本发明另一实施例的差压和线压传感器的示意图。
图11A-C示出了图10所示的传感器对不同系统压力的各种反应。
具体实施方式
图1是在清洁过程安装中操作的差压变送器的示意图。差压变送器10经由一对过程流体压力导管或龙头14、16可操作地耦合至过程流体容器(示意性示为管道12)。龙头14或16置于流阻塞物18的两侧，流阻塞物18将通过管道12的过程流体的流动阻塞到一定程度，从而在阻塞物18上产生与过程流体的流速有关的差压。而过程流体容器12(示意性示为管道)可以是能够存储和/或传送过程流体的任何合适的过程容器。此外，如这里所使用的过程流体意在表示任何过程气体或液体。而所示差压变送器10具有其耦合至流体阻塞物18的对侧的差压端口，也可以设想针对差压变送器的各种其他使用。
变送器10经由过程通信回路22电耦合至控制室20。为了简单起见，过程通信回路22示为具有一对导线，但是实际中可以具有任何适合数目的导线。此外，为了简单起见，控制室20简单示为电压源和串联电阻。实际中，控制器20可以是具有或由许多控制器和电源组成的复杂的控制室。
为了降低填充流体泄露的潜在不期望的影响，差压变送器10(下文中将更详细描述)不包括任何填充流体。相应地，过程流体本身直接作用于在差压变送器10内或经由过程流体压力端口14耦合至该压差变送器10的差压单元。
图2是根据本发明实施例的压力变送器10的框图。变送器10包括电源模块50和回路通信器52，其中的每一个适合于耦合至过程通信回路22。电源模块50接收来自回路22的能量，并向差压变送器的所有组件提供电能。回路通信器52耦合至控制器56，使得回路通信器52向控制器56提供指示接收自回路22的过程通信信号的数据。相反，回路通信器52可以接收来自控制器56的数据并在回路22上产生适合的过程通信信号。
回路通信器52可以是适合于根据过程通信工业标准协议在过程通信回路22上产生适合信号的任何适合的设备。这种过程工业通信协议的适合示例包括高速可寻址的远程转换器协议，FOUNDATIONTM现场总线、或任何其他适合的协议。此外，由于电源模块50和回路通信器52之间的协作，变送器10至少在一些实施例中能够通过其从中接收电源的相同连接进行通信。根据应用，回路通信其52可以或包括适合于根据任何适合无线通信协议进行通信的无线收发机，这些适合的无线通信协议包括但不限于：无线网络技术(例如，由Linksys of Irvine，California构建的IEEE 802.11b无线接入点和无线网络设备)、蜂窝或数字网络技术(例如，Aeris Communications Inc.ofSan Jose，California的)、超宽带、free optics、全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线电服务(GPRS)、码分多址(CDMA)、扩频技术、红外通信技术、SMS(短消息服务/文本消息收发)、或任何其他适合的无线技术。此外，或备选地，回路通信器52适合于根据由Hart Communication Foundation公布的新无线规范进行通信。无线规范的相关部分包括：HCF_Spec 13，7.0版本；HART规范65-无线物理层规范；HART规范75-TDMA数据链路层规范(TDMA是指时分多址)；HART规范85-网络管理规范；HART规范155-无线命令规范；以及HART规范290-无线设备规范。
此外，可以使用已知的数据碰撞技术，使得多个变送器可以共存于彼此的无线操作范围内。这样的碰撞防止可以包括使用许多不同射频信道和/或扩频技术。
控制器56耦合至测量电路58，测量电路58耦合至传感器60。测量电路58包括适合的电路以测量传感器60的一个或多个变化的电特性，并向控制器56提供指示过程流体差压和/或线压的数据。优选地，测量电路58包括适合于将压力传感器60内的一个或多个电容值转换成被传输给控制器56的数字数据的至少一个模拟至数字转换器。压力传感器60可操作地分别耦合至第一和第二过程流体压力端口14、16，并且通常具有随着端口14、16之间存在的差压变化的至少一个电特性，并具有随着一个或两个端口14、16内存在的线压变化的电特性。优选地，差压传感器60具有产生一对可变电容量的多个电容板；第一电容随差压变化；第二电容随线压变化。典型地，要测量的线压是P1，但是根据应用还能够是P2。
图3是根据本发明实施例的供清洁环境使用的压力传感器60的一部分的截面图。尽管图3是截面图，但优选地传感器60的三维形状实质上是圆形的。然而，根据本发明的实施例可以使用其他形状，例如，矩形或方形。压力传感器60包括过程流体对相应可偏转隔板70、72直接施压力的第一和第二过程流体端口14、16。优选地，可偏转隔板70、72是轴对准圆形隔板，并经由坚固支撑杆74彼此耦合。支撑杆74至少沿轴向是不能压缩的，并从而隔板70、72的移动紧密联系在一起。相应地，如果端口14中的压力(P1)超过端口16中的压力(P2)，隔板70、72将偏转，并且支撑杆74将略微移动至右侧。相反，如果端口16中的压力(P2)超过端口14中的压力(P1)，则隔板70和72将与支撑杆74一起移动至左侧。优选地，使用焊接将支撑杆74的端部75和77附着至相应隔板70、72。为了制造方便，在组装期间，锥形孔79、81分别引导支撑杆的端部75、77。
如图3所示，传感器60包括一对可变电容。第一可变电容在电容极板76和78之间形成，并具有相对于支撑杆74的移动(左-右)而改变的电容量。相应地，极板76、78之间的电容量直接响应于在端口14、16之间存在的差压。传感器60还包括形成具有相应可偏转隔板70、72的可变电容器的电容极板80、82。利用电容极板80、82与导电可偏转隔板70、72的结合可以提供极板80、82与它们的相应可偏转隔板之间的相应间隙的指示。例如，测量导线84、86两端的电容量提供了电容极板82与可偏转隔板72之间的间隙88的指示。该电容测量可以用于确定施加于隔板72的压力，并从而提供用于测量线压的手段。类似地，导线90、92之间测量的电容量提供电容极板80与可偏转隔板70之间的间隙94的指示。相应地，该电容测量可以用于确定施加于隔板70的压力，并从而提供线压读取。
为了方便制造，优选地传感器60由许多不同部分形成。具体地，传感器60包括：第一压力入口部分96、第二压力入口部分98、第一压差单元半部分100、以及第二压差单元半部分102。第一压力入口部分96爱接口104处耦合至第一差压单元半部分100。类似地，第二压力入口98在接口106处耦合至第二差压单元半部分102。最终，差压单元半部分100、102在接口108处耦合在一起。优选地，所有部分96、98、100、102由高拉伸强度抗腐蚀材料形成，例如，可从Uddeholm Tool Steels获得的可从Carpenter Technology Corpration获得的Custom455和/或Custom 465不锈钢、可从Haynes International获得的或者可从Elgiloy Limited Partnership获得的这些是具有优等弹性属性的不锈钢。相应地，也可以使用适合的陶瓷，包括但不限于，可从General Electric Company获得的Alumina，YTZP，和/或可从Surmet Corporation获得的AlonTM。优选地，可偏转隔板70、72可以直接与部分96、98加工成一体，并且不管是否施加压力都向内偏转。
差压传感器60还具有被配置为容易阻挡并强壮响应于过压事件的内部结构。具体地，支撑杆74包括法兰110，如果分别发生太多向左或向右位移，该法兰110支撑住表面112或114。例如，如果压力P1超过压力P2很大量(差压过压)，则隔板70和72以及支撑杆74将向右偏转，直到法兰110接触第二压力半部分102的表面114。一旦发生这样的接触，利用没有附加偏转来简单阻挡在端口14处施加的任何附加压力。由于来自极板80、82的电容可以在某种程度上测量出可偏转隔板的间隙，因此，电容的读数可以用于验证或另外为差压测量提供冗余。
图4是根据本发明实施例的差压传感器260的一部分的示意图。压力传感器260与传感器60(以上关于图3描述)的不同之处在于，压力端口14、16实质上彼此存在于相同平面。因此，图4所示的实施例是共平面差压传感器。压力传感器260仍包括直接耦合至过程流体的一对可偏转隔板270、272。而图4没有示出彼此隔离的过程流体端口14、16，当适合的歧管或其他过程管道耦合至压力传感器260时，端口14、16彼此隔离。可偏转隔板270耦合至第一梁274，而可偏转隔板272耦合至第二梁276。相应地，横梁278耦合至第一和第二梁274、276，并包括向下扩展部分或桨元件280，桨状元件280包括一对电容极板282、284。每个电容极板282、284与安装在固定L部分290上的电容极板286、288形成各自的可变电容。图4所示的布置根据线压或差压提供不同类型部件280的移动。图5A-5C示出了这样的移动。
图5A示出了差压保持恒定时线压增加的情况。在这样的情况下，梁274、276和278经历了从虚线所示的位置至实线所示的位置的相对位移。因此，桨元件280垂直移动。这改变了极板284、288之间的可变电容量，而极板282和286之间的电容量保持实质上不变。因此，第一可变电容量记录线压的变化，而第二可变电容量指示差压还没有发生变化。在图5B中，端口14处的压力(P1)超过端口16处的压力(P2)，并且梁274相对于梁276提升。该摇摆动作引起桨元件280以顺时针方式旋转至少某种程度，从而改变电容极板282和286之间的间隙。然而，电容极板284和288之间的间隙实质上未变化。
在图5C中示出了相反状况。具体地，创建差压，从而P2超过P1一定量，因此，引起梁276相比于梁274提升。这引起桨元件280以顺时针方式旋转，从而增加电容平板282和286之间的间隙。相应地，压力传感器260在无需利用填充流体的情况下不仅提供差压还提供线压的指示。
图6是根据本发明另一实施例的供清洁环境使用的组合差压和线压传感器的示意图。传感器360具有与传感器260(关于图4描述)的某些类似性，并且对类似组件进行类似的编号。传感器360与传感器260的不同之处在于，传感器响应于差压和线压变化。具体地，梁374耦合至第一半梁378-1，第一半梁378-1耦合至第一角状部分380-1，第二梁376耦合至第二半梁378-2，第二半梁378-2耦合至第二角状部分380-2。电容极板386、382位于相应角状部分380-1、380-2之上，或以其他方式耦合至相应角状部分380-1、380-2。此外，角状部分380-2的表面具有位于其上的电容极板384。因此，随着端口16中线压增加，极板384和388之间的相对间隙也相应变化。因此，随着端口14、16之间的差压变化，极板382、386之间的间隙也变化。以下图7A-7C示出了这些变化。
在图7A中，压差保持恒定，线压将变化。明显看出，梁374、376从实线所示的位置移动至虚线所示的位置。这种状况保持第一和第二角状部分380-1、380-2之间的相同间隙，而极板384和388之间的间隙变化，从而指示线压的变化。
在图7B中，端口14处的压力(P1)已经超过端口16处的压力(P2)。这种变化引起梁374和梁部分378-1从实线所示的位置移动至虚线所示的位置。这改变了电容极板382和386之间的相对间隙，而极板384和388之间的间隙保持相同。
在图7C中，发生相反状况，梁376和梁部分378-2从实线位置移动至虚线所示的位置。这种变化反应了电容极板382、386之间的间隙增加，以及极板384和388之间的间隙的增加。
图8是根据本发明实施例的用于清洁环境的差压/线压传感器的示意图。传感器460具有与以上描述的传感器的某些类似性，并且对类似的组件进行类似编号。传感器460包括耦合至第一可偏转隔板470并远离该第一可偏转隔板470延伸。悬臂梁402耦合至梁400的端部404，并向梁476延伸。梁402的对端406包括与各个电容极板412、414一起形成可变电容器的一对电容极板408、410。电容极板414附着至可偏转隔板470和472之间的区域，电容极板412附着至梁418的下表面416，梁418耦合至梁476。如果差压保持相同，但是线压增加，则极板408和412之间的相对间隙以及关联的可变电容量将保持相同，而极板410和414之间的相对间隙和电容量将变化。
图9A-9C示出了传感器460对线压和差压的变化的响应。具体地，在图9A中，线压增加，而差压保持相同。相应地，每个梁402和418在实线和虚线所示的位置之间移动。如上所述，这保持了极板408和412之间的恒定间隙，而极板410和414之间的间隙变化。在图9B中，由于端口14处的压力变化，差压变化。这引起梁402在实线和虚线所指示的位置之间移动。这产生了极板412/408之间和极板410/414之间测量的间隙的变化。在图9C中，发生相反状况，梁418和476在实线和虚线所示的位置之间移动。在这种情况下，极板410、414之间的相对间隙保持相同，而极板412和408之间的间隙变化。关于图8和9A-9C所示的配置的一个优点在于，用于共模线压的参考间隙的自动跟踪。相应地，为了保留高线压，不需要较大间隙。因此，小间隙用于保持相对高的差压灵敏度。还应当注意，由于线压信号直接随P1压力而变化，其也是过程分级信号。
尽管本发明的实施例已经全部集中于关于压力传感器的电容感测的各种形式，但是本发明的实施例可以包括任何适合形式的位移感测。
图10示出了根据本发明实施例的采用应变计位移测量技术的压力传感器570。如在先前实施例中，压力传感器570包括可操作耦合至相应端口14、16的一对可偏转隔板270、272。每个隔板270、272耦合至相应梁574、576。此外，每个梁574、576耦合至相应悬臂梁500、502。梁500的下表面504包括与极板508形成可变电容器的电容极板506，其中极板508固定安装在可偏转胳270、272之间。如图10所示，传感器570包括横跨悬臂梁500、502的应变感测元件510。元件510串联在梁500、502之间并提供与元件510的应变有关的信号，因此该信号指示差压。极板506和508仍旧用于提供基于电容的线压测量。只要在端口14、16之间存在最终的压差，元件510弯曲成延长的“s”。s形的感测取决于两个压力中较大的那个压力。通过应变的变化，这两种情况是可区分的。元件510的应变状态仅反应P1和P2之间共模压差，不反应绝对线压。元件510可以是产生指示其上应变的输出的任何适合的元件。相应地，元件510可以是电阻式应变仪、压电应变仪、压阻应变仪、其适合组合。
图11A-11C示出了传感器560对线压和差压的变化的响应。在图11A中，线压增加，而差压保持相同。相应地，每个梁500和502在实线和虚线所示的位置之间移动。这没有引起元件510上的应变，而极板506和508之间的间隙变化。在图9B中，由于在端口14处的压力变化，差压变化。这引起梁500在实线和虚线所示的位置之间移动。这产生了元件510的应变，以及极板506、508之间电容的变化。在图11C中，发生相反状况，梁502和576在实线和虚线所示的位置之间移动。在这种情况下，元件510记录应变，但是极板506、508之间的电容量保持相同。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下可以在形式上和细节上进行改变。

Claims (11)

1.一种压力变送器，包括：
压力传感器，包括：
一对过程流体压力端口，每个端口具有适合于暴露到过程流体的可偏转隔板，第一可偏转隔板耦合至第一垂直梁，第二可偏转隔板耦合至第二垂直梁；
横梁，横跨第一和第二梁并具有悬挂的桨元件，桨元件具有多个电容极板，每个电容极板形成可变电容器的不同部分；
第一可变电容器，置于压力传感器内，并具有随过程流体端口之间的差压变化的电容量，第一可变电容器至少部分由多个电容极板中的一个形成；
第二可变电容器，置于压力传感器内，并具有随线压变化的电容量，第二可变电容器由多个电容板中的另一个形成；
回路通信器，可耦合至过程通信回路并被配置为通过回路进行通信；
控制器，耦合至回路通信器；以及
测量电路，耦合至控制器和压力传感器以通过过程通信回路提供差压和线压的指示中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的压力变送器，还包括：电源模块，可耦合至过程通信回路，并被配置为整体向压力变送器提供接收自过程通信回路的能量。
3.根据权利要求1所述的压力变送器，其中，回路通信器被配置为根据过程工业协议进行通信。
4.根据权利要求1所述的压力变送器，其中，第一可偏转隔板和第二可偏转隔板位于相同的平面。
5.根据权利要求1所述的压力变送器，其中，过程流体压力端口对之间的差压变化产生桨元件的旋转。
6.根据权利要求1所述的压力变送器，其中，线压表示来自过程流体压力端口之一的压力。
7.一种压力变送器，包括
压力传感器，包括：
一对过程流体压力端口，每个端口具有适用于暴露到过程流体的可偏转隔板；
耦合至第一可偏转隔板的第一梁，和耦合至第二可偏转隔板的第二梁；
应变感测元件，可操作耦合至第一和第二梁，并被配置为具有随应变变化的电参数；
在一对电容极板之间形成的可变电容器，第一电容极板固定安装在第一和第二可偏转隔板附近，并且第二电容极板可操作耦合至第一和第二梁之一；
回路通信器，可耦合至过程通信回路并被配置为通过回路进行通信；
控制器，耦合至回路通信器；以及
测量电路，耦合至控制器和压力传感器以通过压力通信回路提供差压和线压的指示中的至少一个。
8.一种压力传感器，包括：
一对过程流体压力端口，每个端口具有适合于暴露到过程流体的可偏转隔板；
第一可变电容器，置于压力传感器内，并具有随过程流体端口之间的差压变化的电容量，第一可变电容器由可操作耦合至至少一个可偏转隔板的至少一个电容极板形成；
第二可变电容器，置于压力传感器内，并具有随线压变化的电容量，第二可变电容器由可操作耦合至至少一个可偏转隔板的至少一个电容极板形成；以及
其中，每个可偏转隔板耦合至相应垂直梁和悬臂梁部分，每个悬臂梁部分耦合至相应角状部分，相应角状部分具有位于该角状部分上的电容极板，角状部分上的电容极板形成第一可变电容器，至少一个悬臂梁部分具有位于下表面上的附加电容极板并与位于可偏转隔板附近的固定电容极板协作，以形成第二可变电容器。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其中，第一可偏转隔板和第二可偏转隔板对位于相同的平面。
10.一种压力传感器，包括：
一对过程流体压力端口，每个端口具有适用于暴露到过程流体的可偏转隔板；
耦合至第一可偏转隔板的第一梁，和耦合至第二可偏转隔板的第二梁；
应变感测元件，可操作耦合至第一和第二梁，并被配置为具有随应变变化的电参数；
在一对电容极板之间形成的可变电容器，第一电容极板固定安装在第一和第二可偏转隔板附近，并且第二电容极板可操作耦合至第一和第二梁之一。
11.一种压力传感器，包括：
一对过程流体压力端口，每个端口具有适合于暴露到过程流体的可偏转隔板；
第一可变电容器，置于压力传感器内，并具有随过程流体端口之间的差压变化的电容量，第一可变电容器由可操作耦合至至少一个可偏转隔板的至少一个电容极板形成；
第二可变电容器，置于压力传感器内，并具有随线压变化的电容量，第二可变电容器由可操作耦合至至少一个可偏转隔板的至少一个电容极板形成；以及
其中，每个可偏转隔板耦合至相应垂直梁和悬臂梁部分，每个悬臂梁部分在下表面上具有电容极板，其中，一个垂直梁比另一个垂直梁短，从而悬臂梁部分彼此交叠，其中，耦合至较短垂直梁的悬臂梁部分在其上表面上具有电容极板，以与另一悬臂梁部分上的电容极板协作，来形成第一可变电容器，并且电容极板固定安装在可偏转隔板附近，以与附着到较短垂直梁的悬臂梁部分的下表面上的电容极板协作，以形成第二可变电容器。
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