CN102232180A - 用于采用石英晶体的压力测量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器(56)，包括设置为连接至过程压力的传感器(98)。石英晶体连接至传感器(98)，并构造为测量传感器本体(93)中的流体的压力。来自石英晶体的输出与由过程压力施加至传感器本体(93)的压力相关。

Description

用于采用石英晶体的压力测量的方法和设备

技术领域

本发明涉及工业过程中的压力的测量。更具体地，本发明涉及采用石英晶体测量压力。

背景技术

工业过程用在多种类型的材料的制造和运输中。在这种系统中，通常要求测量过程内的不同类型的压力。经常测量的一种类型的压力是压差，其为过程中的一个点和过程中的另一点之间的压力差。例如，包含过程流体流的管道中的孔板上的压差与流体的流量相关。压差例如还可以用来测量储液箱或其它容器中的过程流体的高度。

在这种工业过程中，压力传感器通常包含在或连接至压力变送器，压力变送器位于远程位置并将压力信息回传至诸如控制室之类的中央位置。这种传输经常在过程控制回路上进行。例如，通常使用二线式过程控制回路，其中两条线用来将信息以及电力两者载送至变送器。也可以使用无线通信技术。

在多种过程设施中，还希望测量过程的绝对或表压力(本文中称为“管线压力”)。这种信息例如可以用来通过在流量计算中包括过程流体的密度变化而提供更精确的流量测量。典型地，额外的压力测量要求连接至过程流体的额外的压力传感器。例如，可以部署额外的压力变送器，其包括管线压力传感器并连接至二线式过程控制回路。

发明内容

一种压力传感器，包括设置为连接至过程压力的传感器本体。石英晶体连接至传感器本体并构造为测量传感器本体中的流体的压力。

附图说明

图1示出了具有根据本发明构造的压力变送器的过程测量系统。

图2为图1的变送器的示意图。

图3示出了图1的压力变送器的部分的剖视图。

图4为示出一种示例性配置中的管线压力测量的简化示意图。

图5为本发明的构造为采用石英传感器测量管线压力的实施方式的剖视图。

图6为构造为采用石英晶体传感器的测量压力的电路的简化示意图。

图7为图示传感器上的应力的示意图。

图8A为采用石英晶体的压力传感器的侧面正视图，图8B为侧面剖视图，图8C为正视图，图8D为侧面正视图，图8E为透视图。

图9为采用音叉配置的另一种示例性实施方式的侧面剖视图。

图10A为漂浮管的侧面剖视图，图10B为设置为测量压差的石英传感器的侧视图。

具体实施方式

在一种实施方式中，本发明提供了用于确定压差测量配置中的管线压力的设备和方法。更具体地，在一个方面中，本发明监测用来将压差传感器连接至过程流体的毛细管的变形。这些变形与过程流体的管线压力相关。在其它实施方式中，本发明提供了基于容器的变形测量压力的技术。在另一个实施方式中，本发明提供了用于测量管线压力的传感器。

图1大致示出了过程测量系统32的环境。图1示出了包含连接至用于测量过程压力的过程测量系统32的受压流体的过程管道30。过程测量系统32包括连接至管道30的脉冲管道34。脉冲管道34连接至过程压力变送器36。主元件33，诸如孔板、文丘里管、流量喷嘴等，在过程管道30中的在脉冲管道34的管道之间的位置处接触过程流体。在流体经过主元件33时，主元件33引起流体的压力变化。

变送器36为通过脉冲管道34接收过程压力的过程测量装置。变送器36感测过程压差并将它转化成为过程压力的函数的标准传输信号。

过程回路38提供双向通信和从控制室40到变送器36的电力信号，并且可以根据多种过程通信协议构建。在图示的实施例中，过程回路38为二线式回路。二线式回路用来在正常运行期间采用4-20mA信号传输至和来自变送器36的所有电力和所有通信。计算机42或其它信息处理系统用于通过调制解调器44或其它网络接口与变送器36通信。远程电压电源46向变送器36供电。在另一示例性配置中，回路38为无线连接，其中可以不需要在变送器36和控制室40延伸的导线而传送或接收数据。在其它示例性配置中，采用无线通信协议无线地传送和/或接收数据。

图2为压力变送器36的简化结构图。压力变送器36包括通过数据总线66连接在一起的传感器模块52和电子元件板72。传感器模块电子元件60连接接收施加的压差54的压力传感器56。数据连接58将传感器56连接至模数转换器62。任选的温度传感器63还与传感器模块存储器64一起图示。电子元件板72包括微计算机系统74、电子元件存储器模块76、数模信号转换装置78和数字通信块80。

也在图2中图示的是用来将压差传感器56连接到过程流体54的毛细管或″填充″管93和94。隔离膜90接收来自过程流体54的压力，过程流体54被可靠地施加在毛细管93和94中载送的填充流体。通过该填充流体，工业过程的压力施加至压差传感器56。

根据本发明，变形传感器98连接至毛细管93并配置为监测毛细管93的变形。这些变形与工业过程的管线压力相关，传感器98向模数转换器62或管线压力测量电路99提供输出信号。在一个方面中，可以使用响应于毛细管的变形的任何类型的传感器。电路99可以为独立的电路，或者在某些配置中，可以以用来测量压差的其它电路实现。例如，用来监测各种传感器的元件的一些或所有可以为共用元件。

图3为本发明的一种实施方式的简化剖视图，图示了变形传感器98。如上所述，压力传感器56通过将过程流体与空腔92隔离的隔离膜90连接至过程流体。空腔92通过脉冲管道93和94连接至压力传感器模块56。基本不可压缩的填充流体填满空腔92和脉冲管道93和94。当来自过程流体的压力施加至隔离膜90时，它被转移至压力传感器56的空腔132和134中的部分。

压力传感器56由两个压力传感器半部114和116形成，并用优选易碎的、基本不可压缩的材料105填充。隔离膜106悬挂在形成在传感器56内的空腔132、134内。空腔132、134的外壁支承电极146、144、148和150。这些电极通常可以称为主电极144和148，以及辅助电极146和150。这些电极相对于活动隔离膜106形成电容器。所述电容器又可以称为主电容和辅助电容器。

如图3所示，传感器56中的不同电极通过电连接103、104、108和110连接至模数转换器62。此外，可偏转隔离膜106通过连接109将模拟信号耦合至传感器模块电子元件60。在2001年10月2日授权给Rosemount公司的名称为“PROCESS PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITHIMPROVED ERROR COMPENSATION”的美国专利No.6,295,875中描述了用于测量压差的技术。

变形传感器98可以采取多种配置。下文描述了用于测量变形的多种示例性技术。然而，在一个宽泛的方面，本发明不限于这些特定的技术，可以采用用来测量变形的任何技术，包括本文中未具体讨论的技术。

来自过程流体的管线压力使毛细管93改变形状。例如，增加的管线压力可以使毛细管93膨胀。类似地，增加的管线压力可以使毛细管93的任何弯曲变得较直。毛细管的这些或其它变形可以被监测或以其它方式测量，并与过程流体的管线压力相关联。

图4为本发明的一种示例性实施方式的简化剖视图150。在图4的配置中，压差传感器148通过毛细管156和158将过程流体分别连接至隔离膜152和154。毛细管156、158的直部160和162分别地被设置，并且可以用作填充管，以用填充流体填充毛细管。这些直部可以为单独的管或与管156、158一体地形成。虽然这些直部示出为单独的管，但它们可以与管156、158一起形成单个管。部分162包括变形传感器170，构造为测量填充管的变形。

变形传感器98可以采取多种配置。用于测量变形的多种示例性技术是可行的，本发明不限于任何特定的技术。多种技术可以用来测量变形，包括本文中未具体讨论的技术。

如上文提及的那样，任何适合的技术可以用来测量所述管的变形或管的其它物理特性，包括所述管的刚性的变化。这些技术包括应变仪技术、共振测量以及其它技术。所述管的任何随着压力变化的物体特性可以被测量，并根据本发明进行利用。所述管可以构造为例如通过改变所述管的厚度增强灵敏度。还可以选择管几何形状，以增强性能并放大传感器信号。如上所述，通过测量两个毛细管的物理变化可以获得压差测量值。

在本实施方式中，采用调频振荡石英传感器实施压力传感器170。在一些应用中，由于输出信号的固有数字属性，这会是优选的。当石英用作传感器材料时，它提供了出色的偏置频率和取值范围的稳定性。此外，石英具有相对低的温度敏感活动性。石英晶体的压电特性可以用来采用振荡器电路提供维持振动的措施。本发明包括连接至充油管的非侵入式外部压电传感器。充油管是传感器本体的一个例子，本发明不限于这种构造。而且，本发明的压力传感器可以单独使用或与诸如压力计、绝对或压差传感器之类的其它压力传感器联合使用。所述连接可以为内部或外部的。填充管内部的压力改变外部石英结构的共振频率。采用石英谐振器测量压力是本领域熟知的。然而，本发明提供了用于这种测量的非侵入式配置。

图5为压力传感器170的剖视图。压力传感器170包括具有密封端402和开口端404的充油管400。管400为传感器本体的一个例子。开口端404构造为从过程连接406接收压力54。过程隔离膜408将过程流体与充油管400隔离。例如可以包括细毛细管的油路410从过程隔离膜408和管口404延伸。整个组件包含在壳体414内。

如下文说明的那样，石英传感器420(参见图6)安装至充油管400，并具有基于施加的压力变化的共振。施加的压力和共振频率之间的关系可以通过试验或其它措施确定。充油管400可以被认为是悬臂梁。充油管的内部处于比外部高的压力。这导致在管壁中的应力。管壁响应于应力甚至非常轻微地伸展。石英晶体用两端处的刚性连接至所述管的两个支架保持与所述管接触。管壁长度变化在晶体中产生合成应力。因此晶体的共振频率作为施加至所述管的压力的函数而变化。

图6为压力感测电路411的简化电路图。它构造为采用石英晶体420感测管400内的压力。如图6所示，共振电路413连接至石英晶体420，并向数字转换器415提供频率输出。共振电路413将基于从管400施加至石英晶体420的应力，采用熟知的技术，以一定的频率共振。因此该频率表示施加的压力。测量电路417构造为将测量的频率转化成压力并提供压力输出。

在图7中，当施加应力时，所述管的长度将以下述量改变：

ΔL＝εL_o＝FL_o/AE＝σ_aL_o/E    等式1

其中E为杨氏模量，ε为应力，F为力，A为面积，L_o为所述管的初始长度。

在管壁中的一点处沿轴向方向的应力可以表示为：

σ_a＝(p_ir_i ²-p_or_o ²)/(r² _o-r_i ²)，等式2

其中，σ_a＝沿轴向方向的应力

p_i＝管中的内部压力

p_o＝管中的外部压力

r_i＝管的内半径

r_o＝管的外半径

下文定义的圆周应力(周向应力)为轴向应力的量值的两倍。为了增加传感器的敏感度，晶体射束轴(crystal beam axis)偏离管轴线5度。目的是获得管的圆周应力。在管壁中的一点处的沿圆周方向的应力(圆周应力)可以表示为：

σ_c＝[(p_ir_i ²-p_or_o ²)/(r_o ²-r_i ²)]+[r_i ²r_o ²(p_o-p_i)/r²(r_o ²-r_i ²)]，等式3其中σ_c＝沿圆周方向的应力，r＝到管壁中的点的半径

当r＝r_I(管内部)时应力最大。

图7为示出管的几种共振模式的示意图。这些模式包括纵向、平移和转向模式。平移模式共振频率与长度的平方成反比。它类似于狗尾部的左右摆动，并且对压力变化可以提供相对低的灵敏度。类似地，剪切共振与长度成反比，并由在管的长度上传播的传播波(propagating wave)构成。这对压力变化也是相对不敏感的。纵向共振频率也与长度成反比，且类似于诸如管风琴之类的细长管的共振。而且，共振频率还与管刚度除以管质量的比率的平方根成比例。这产生了相对复杂的关系，因为不断增加的压力同时影响这些条件。

在一种配置中，AT切割晶体是优选的。该配置形成为使得传感器平面上的作用力使频率变化类似于或大于由该晶体的其它切割面产生的频率变化。AT切割的一个特性是，共振频率在无应力环境中不受温度的影响。当晶体被刚性安装时，温度变化将在晶体中引起应力，因此引起共振频率变化。然而，当温度由于热膨胀差异而单独改变时，共振频率不返回正常值。而且，具有AT切割的晶体在破裂之前经历大的压缩力，并向频率关系提供近似线性作用力。这种配置还沿厚度振荡(剪切模式)，并且比在其它模式中振荡的晶体更加崎岖(rugged)。这种切割还非常快地响应应力阶跃变化。

图8A-E示出了包括根据一种示例性实施方式的石英晶体结构420(它可以单个支撑梁结构或三棒状结构(triple bar structure))的传感器170的侧面正视图、剖视图、侧面正视图和透视图。石英结构420为三棒状结构，其中中间棒沿与两个外部梁相反的方向振动。这种结构可以在两端被夹紧，并且整个晶体安装在悬臂式管。电极真空状态沉积在晶体表面上以形成两个顶表面电连接和晶体下侧上的接地面装置。在图8A-8E中，示出了压力传感器组件418。组件418包括壳体422并连接至充油管400。在图8B的剖视图中，石英晶体420示出为用配置在晶体420的相对端处的晶体支架424和426安装到管400。如在图8C的正视图中更清楚地图示的那样，晶体420包括延伸至限定在两个切掉区域436和438之间的振动梁段434的电极430和432。电接地440(图8D中示出)沿着晶体420的背侧设置。

如上所述，石英晶体420的共振频率作为管400的变形的函数而变化。在两端固定的矩形梁的基本弯曲共振频率由下述等式4给出：

$f_0=1.028\frac{t}{l^2}\sqrt{\frac{\mathrm{Eg}}{\mathrm{\ρ}}}$ 等式4

其中g为重力加速度常数，E沿长度方向的杨氏模量，ρ为材料的密度，t为厚度，l和固定点之间的长度。在图20A-E中示出的结构中，基频低于上文示出的频率，因为梁在连接所述梁的点之外被固定，并且预期降低f₀。当沿着梁的长度施加拉伸应力时，基频由下述等式5给出：

$f^2\≈f_0^2+\frac{\mathrm{\σ}\·g}{\mathrm{\ρ}\·L^2}$ 等式5

其中， $L\≡\frac{4\mathrm{\λ}}{3}.$

在一种配置中，充油管可以以一定曲率稍微预弯曲。在施加满刻度压力的情况下，总的量曲率变化小于0.0025mm。梁在端部固定的条件下在垂直平面中振动。偏置频率通常为40kHz，其响应于管膨胀而降低。充油管像振动隔离系统一样起作用。管的质量防止振动能量溢出，导致大的振动Q。梁振动由石英晶体的压电特性、镀在梁上的电极以及由振荡电路提供的电能的组合维持。充油管可以如示出的那样为直的。Q因子与振动系统中存储的能量和每个周期损失的能量的比成比例。所述损失源自所述管的与压力成比例的刚性的变化。

图9示出了石英音叉式实施方式的剖视图。该实施方式采用石英晶体音叉450检测充油管400中的压力。石英晶体音叉触觉感受器与机械指一起用来识别物体的物理特性，如硬度、柔软度、粗糙度和平滑度。接触表面下的材料特性采用纵向模式石英晶体识别。

石英晶体音叉450包括振动部458，其具有焊接至充油管的支撑部(基部)454。石英晶体音叉450被允许在沿着X轴的电场的作用下沿着Y轴振动。石英和基部之间的声阻抗差异将导致纵向振动能量从传感器径向泄漏至管400。平面波通过油传输，并通过油反射回传感器。能量泄漏将使石英晶体音叉阻抗在共振情况下增加。由于油密度将随着压力改变，因此声能衰减将改变。因此声阻抗将随着压力改变。在特定频率下，石英晶体音叉450阻抗与传感器和油压力之间的声阻抗成比例。因此，石英晶体音叉频率变化与管中的油的压力成比例。

从石英晶体音叉基部454泄漏至管400的能量取决于管400的接触面积。由于接触面积固定，因此可以测量阻抗以识别油压力，或者可以将传感器频率与没有压力情况下的管进行比较。所述配置具有多个优点，包括：

●通过降低封装成本，尺寸小；

●包括石英结构的机械元件便宜；

●当所述测量不是侵入式时，不需要任何压头；

●不需要A/D转换器，因为信号是基于频率的；

●温度特征简化，因为它将是可预测的；

●存在很少的油运动，使得隔离膜更小且响应时间更快；

●可以采用不同的管材料优化不同的范围；

●制造非常高压装置的潜力；

●小尺寸、低成本且低功率。

可以采用配置为感测表压力的两个传感器测量压差。低压差侧连接至一个传感器，高压差侧连接至另一个传感器。电子元件简单地比较两个频率。

图10A和10B示出了配置为感测压差的传感器的例子。在图10A中，示出了包括孔板482的管480的剖视图。孔板482产生压差和越过板的流动。该压差与流量相关。在图10B中，示出了压差传感器484。传感器484包括连接至压力P1的第一管486和连接至压力P2的第二管488。密封件490分开管486和488。石英感测元件492连接至管486，石英感测元件494连接至管488。传感器492和494根据上述技术运行。当压力P1和P2之间的压差改变时，来自传感器492和494的输出将相应地改变。两个输出之间的差异与压差(P1-P2)相关。在图10A和10B的配置中，管486和488可以配置为直接连接至过程流体。在可替换实施方式中，与填充流体一起采用隔离膜。

在其它结构配置中，第二变形传感器可以应用至第二填充管。采用这种配置，可以提供冗余位数校验，其中比较来自两个变形传感器的输出。类似地，通过将与所述变形传感器中的一个相关联的压力减去与另一个变形传感器相关联的压力可以获得压差。虽然本文中讨论的变形传感器图示为与毛细管的填充管部分相关联，但传感器可以沿着毛细管的任何合适的区域设置，且不限于这种配置。

虽然已经参照优选实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以在形式和细节方面进行改变。如本文中使用的那样，管线压力涉及绝对压力和表压力。

Claims (31)

1.一种压力传感器，包括：

传感器本体，构造为接收过程流体的压力；和

石英晶体，安装至传感器本体，其中石英晶体具有与由传感器本体接收的压力相关的共振频率；和

电路，构造为测量石英晶体的共振频率并响应地提供指示作为石英晶体的共振频率的函数的过程流体的压力的输出。

2.根据权利要求1所述的设备，包括构造为将传感器本体中载送的填充流体与过程流体隔离的隔离膜。

3.根据权利要求1所述的设备，其中传感器本体具有一个长度，且石英晶体构造为感测沿轴向方向的应力。

4.根据权利要求1所述的设备，其中石英晶体构造为感测沿着梁轴线的应力。

5.根据权利要求4所述的设备，其中梁轴线相对于传感器本体的纵向轴线成一角度。

6.根据权利要求1所述的设备，其中石英晶体包括AT切割晶体。

7.根据权利要求1所述的设备，其中石英晶体包括具有安装至传感器本体的端部的细长晶体。

8.根据权利要求1所述的设备，其中石英晶体包括振动梁段。

9.根据权利要求1所述的设备，其中传感器本体包括具有微小曲率的细长管。

10.根据权利要求1所述的设备，其中石英晶体包括石英音叉结构。

11.根据权利要求10所述的设备，其中石英晶体具有安装至传感器本体的基部。

12.根据权利要求10所述的设备，其中石英晶体的共振频率与传感器本体内的流体的密度相关。

13.根据权利要求10所述的设备，其中石英晶体的共振频率与施加至传感器本体的声能从石英晶体的能量泄漏相关。

14.根据权利要求1所述的设备，其中传感器本体连接至压差传感器。

15.根据权利要求13所述的设备，其中传感器本体包括跨接管道中的限制元件的管，该设备还包括安装至传感器本体的第二石英晶体，其中限制元件上的压差与压差相关。

16.根据权利要求15所述的设备，其中压差与通过过程管道的流量相关。

17.根据权利要求1所述的设备，其中传感器本体连接至第二压力传感器。

18.根据权利要求17所述的设备，包括连接至第二压力传感器的第二传感器本体，其中第二压力传感器构造为测量与传感器本体和第二传感器本体内的流体的压力相关的压差。

19.一种测量过程流体的压力的方法，包括下述步骤：

接收传感器本体中的过程流体的压力；

使安装至传感器本体的石英晶体以一频率共振；以及

测量石英晶体的共振频率变化并基于共振频率变化提供与过程流体的压力相关的输出。

20.根据权利要求19所述的方法，包括提供用于将传感器本体中载送的填充流体与过程流体隔离的隔离膜的步骤。

21.根据权利要求19所述的方法，其中传感器本体具有一长度并构造为响应于压力承受沿轴向方向的应力。

22.根据权利要求19所述的方法，其中石英晶体构造为感测沿着传感器本体的梁轴线的应力。

23.根据权利要求22所述的方法，其中梁轴线相对于传感器本体的纵向轴线成一角度。

24.根据权利要求19所述的方法，其中石英晶体包括AT切割晶体。

25.根据权利要求19所述的方法，其中石英晶体包括具有安装至传感器本体的端部的细长晶体。

26.根据权利要求19所述的方法，其中石英晶体包括振动梁段。

27.根据权利要求19所述的方法，其中石英晶体包括石英音叉结构。

28.根据权利要求27所述的方法，其中石英晶体具有安装至传感器本体的基部。

29.根据权利要求27所述的方法，其中石英晶体的共振频率与传感器本体内的流体的密度相关。

30.根据权利要求27所述的方法，其中石英晶体的共振频率与施加至传感器本体的声能从石英晶体的能量泄漏相关。

31.根据权利要求19所述的方法，其中传感器本体包括跨接管道中的限制元件的管，该方法还包括提供安装至传感器本体的第二石英晶体的步骤，其中限制元件两侧的压差与压差相关。

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