CN102356307A - 具有真空电介质的电容性表压传感器 - Google Patents

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Abstract

一种现场设备(100),包括:电容性表压传感器,被配置为测量过程介质的表压。压力传感器的传感器主体(110)包括第一和第二腔(112,113)。第二腔(113)处于真空状态下并形成压力传感器的真空电介质。在传感器主体(110)中形成大气参考口(180),并且大气参考口(180)使第一腔(112)与环境大气压力保持平衡。传感器的过程介质入口(125)被配置为耦接至过程介质源(120)。传感器包括位于第二腔(113)和介质入口(125)之间的导电的可弯曲隔膜(130)。电容性板(140)与隔膜(130)相关地被部署在第二腔(113)中,从而隔膜(130)的弯曲产生电容的改变。现场设备(100)还包括传感器电路(185)和变送器电路(190),所述传感器电路产生传感器信号,所述变送器电路通过过程通信环(195)发送与传感器信号有关的信息,所述传感器信号指示过程介质(120)的表压。

Description

具有真空电介质的电容性表压传感器
背景技术
现场设备(如,过程变量变送器)被用于过程控制工业,以远程感测过程变量。一种现场设备或过程变量变送器包括用于监控过程压力的电容性压力传感器。
在这些电容性压力传感器了采用了各种电介质材料。例如,有时采用流体填充构造,在流体填充构造中,使用油或其他流体作为电介质材料。在其他构造中,期望使用真空作为电介质材料。真空电介质可以具有较低复杂度的构造,可以降低成本,是非充油式的,可以更加精确,和/或可以更加稳定。然而,由于真空电介质构造的缘故,典型地,这些传感器仅测量绝对压力,而不测量过程的表压(例如,相对于局部压力(如周围的大气压力)的过程压力)。表压有时又称“计示”压力。
用于测量过程的表压的现有压力传感器构造采用了大量不同的方式。例如,高压传感器被出售为密封封装,其中内置了校准压力偏移,用以逼近表压。其他构造添加了第二传感器用于测量大气压力,并使用电子设备或软件来调整该测量压力,以提供表压估计。这增加了压力传感器的成本。其他构造允许大气(空气)变为电介质材料,这会导致温度不稳定性误差,并会限制传感器在腐蚀性环境中被使用的能力。由于这些尝试均对精度、成本、稳定性或可靠性具有不利影响,能够精确测量过程的表压而不承受这些不利影响的新的压力传感器配置将是非常有益的。
发明内容
一种现场设备,包括:电容性表压传感器,被配置为测量过程介质的表压。压力传感器的传感器主体包括第一和第二腔。第二腔处于真空状态下并形成压力传感器的真空电介质。在传感器主体中形成大气参考口,并且大气参考口使第一腔与环境大气压力保持平衡。传感器的过程介质入口被配置为耦接至过程介质源。传感器包括位于第二腔和介质入口之间的导电的可弯曲隔膜。电容性板与隔膜相关地被部署在第二腔中,从而隔膜的弯曲产生电容的改变。现场设备还包括传感器电路和变送器电路,所述传感器电路产生传感器信号,所述传感器信号指示过程介质的表压,以及所述变送器电路通过过程通信环发送与传感器信号有关的信息。
附图说明
图1是包括所公开的构思和实施例在内的过程表压变送器或现场设备的概略视图。
图2是图1中所示的变送器的一部分的概略视图。
图3是图1中所示的变送器的一部分的概略视图,示出了响应于过程压力、改变了电容性板电极和传感隔膜之间间隙的传感隔膜弯曲。
图4是示出了作为过程压力的函数的、图3所示的电容性板电极和传感隔膜之间间隙的曲线图。
图5是图1中所示的变送器的第二实施例的概略视图,其中,在传感器主体中形成排出口。
图6是图1中所示的变送器的第三实施例的概略视图,其中,提供了排出管。
具体实施方式
所公开的实施例解决了测量过程的表压的现有电容性压力传感器配置的困难。表压以环境空气压力为零基准。换言之,过程的表压等于从过程中测量的绝对压力减去周围区域内的大气压力。
所公开的实施例在不使用辅助大气压力传感器的情况下提供了对表压的测量,同时仍使用真空电介质以降低温度不稳定性和/或提供相对于现有电容性表压传感器设计的其他优势。
图1示出了示例电容性表压变送器或现场设备100,使用了该电容性表压变送器或现场设备100的所公开的实施例是有用的。图2更详细地示出了压力变送器100的一部分。一般地,压力变送器100包括耦接至传感器主体110的变送器主体105。变送器主体105作为电子设备外壳,容纳变送器的处理和通信电路。
传感器主体110中形成有主腔111。主腔111包括第一和第二部分112和113,第一和第二部分112和113本身是形成在传感器主体内的第一和第二腔。传感器主体110容纳有根据所公开的实施例的电容性表压传感器。可选地,变送器主体105和传感器主体110可以形成为完整的仪器。
传感器主体110被配置为耦接至过程容器或通道,以测量过程流体或介质120的表压。在示例实施例中,传感器主体110具有或被耦接至配件115,配件115提供对过程介质120的源的访问。配件115与入口125相邻,入口125中置有传感隔膜130,从而过程介质与传感隔膜接触。传感隔膜130是导电的可弯曲隔膜,部署在第二部分或腔113和过程介质入口125之间。
此外,绝缘体主体135在传感器主体110内,绝缘体主体135可以是例如陶瓷绝缘体。绝缘体150可以是玻璃金属头材料,将传感器主体密封,在传感器主体中形成腔112和113。与导电的可弯曲隔膜130相对地,将一个或多个电容性板或金属电极140部署在第二腔113中的绝缘体主体135上,从而隔膜的弯曲产生电极140和隔膜130间电容的改变。在示例实施例中,金属电极是环。电容或电容的改变能够与过程介质120的表压相关联,因而指示过程介质的表压。可以将低膨胀垫片145置于绝缘体主体135和导电的可弯曲隔膜130之间,以利于隔膜130在受到过程介质120的压力时和响应于大气压力的弯曲。
此时参照图3,图3示出了变送器100的一部分的概略示意,示出了在来自过程介质的压力下弯曲的隔膜130。由于垫片145与隔膜130保持接触,电极140和隔膜130间的间隙147增加或减小。图4绘出了间隙147和过程表压间的关系的示例。随着过程表压使隔膜弯曲远离电极140,电极140和隔膜130间的电容减小。电容改变与图4中所示的间隙曲线成反比关系,由于增加的表压引起较大的间隙因此电容减小。
返回参照图1,示出了销(pin)155,销155提供至电极140的电连接。销155可以贯穿绝缘体135。在所示的实施例中,柔性导线160电连接在销155和电极导线165之间。电极导线165电耦接至传感器电路185。耦接至电容性表压传感器的传感器电路185(即,通过至电极140和传感器主体的连接)被配置为:基于电容性表压传感器的电容,产生传感器信号186。由于传感器的电容指示过程介质的表压,传感器信号指示过程介质的表压。变送器电路190耦接至传感器电路185。变送器电路190包括:通信电路,用于通过过程通信环195发送与传感器信号有关的信息。如图所示,传感器电路185和变送器电路190可以装在变送器主体或电子设备外壳105中。
在所公开的实施例中,压力变送器100能够测量过程介质120的表压,同时仍利用真空电介质并获得其优势。如图1所示,电容性表压传感器包括部署在主腔111中的薄环形隔膜170。薄环形隔膜170可以是箔材料,如,环绕绝缘体主体135周界的冲压垫圈。薄环形隔膜170的示例材料包括金属,如不锈钢。可以基于热膨胀属性,并且根据要如何将薄环形隔膜连接在绝缘体主体135和传感器主体110之间,来选择用于薄环形隔膜170的特殊材料。薄环形隔膜170必须比导电的可弯曲隔膜130更加柔软。
在示例实施例中,将薄环形隔膜170铜焊或电阻缝焊(RSW)至绝缘体主体135和传感器主体110,绝缘体主体135和传感器主体110均可由陶瓷材料制成。在要连接薄环形隔膜170的区域,可以将陶瓷材料金属化。
如图1可见,薄环形隔膜170和绝缘体主体135一起将主腔111分离为两个较小的腔或腔部分112和113。第二腔113保持在真空状态下,从而形成压力传感器的真空电介质175。在传感器主体110中形成大气参考口180,并且大气参考口180贯穿传感器主体110,以使第一腔保持于环境大气压力PATM。通过包括大气参考口,将传感器主体的第一腔112中的压力与变送器或现场设备的传感器主体周围(外部)的环境大气压力PATM保持平衡,可以执行对过程介质120的真实表压测量。在其他实施例中,第一腔112和变送器100周围的周围环境之间可以存在微小的压力变化,但第一腔112的压力保持为与现场设备周围的环境大气压力密切或紧密相关。
所公开的实施例的设计允许环境大气压力经由绝缘体135和垫片145推压导电的可弯曲传感隔膜130。因此,隔膜130充当压力的求和点,一侧是大气压力,另一侧是过程压力。作为结果,可以测量真实表压,同时保持使用真空电介质的能力。这可以有助于实现温度稳定性、限制湿度对电介质属性的影响、并允许变送器被用于恶劣的大气环境。
可以使用多种不同的技术和设计来构造具有真空电介质的变送器。例如,已知允许在真空下将组件焊接在一起的连接技术。当在真空下将薄环形隔膜170附接至绝缘体135和传感器主体110时,在变送器脱离真空之后,真空电介质175得以保持。
使用另一技术,使用排出口205在图5中所示的变送器200中形成真空电介质175。在传感器主体110中形成排出口205,并且排出口205用于排空第二腔113以形成真空电介质。在将气体从腔113排出后,用永久或可移除材料206填充排出口205以将腔113密封并保持真空。在某些实施例中,材料206可以是塞或其他用于密封(以及可选地开启)腔113的机构。在其他方面,变送器200可以如参照图1所示的变送器100描述的那样。
下面,参照图6,图6示出了用于构建真空电介质175的另一技术。如图6所示,在变送器300中,为此目的,添加了排出管305。在该示例实施例中,排出管305贯穿第一腔112并进入第二腔113,以排空腔113。例如,排出管305可以贯穿绝缘体135。排出管305还可以以其他方式安排。在排空腔113后,将排出管密封,以保持真空电介质。在其他方面,变送器300可以如参照图1所示的变送器100描述的那样。
虽然已参考多个可选实施例对本发明进行了描述,但所属领域技术人员将意识到:可以在不背离本发明的精神和范围的前提下在形式和细节上做出改变。

Claims (20)

1.一种电容性表压变送器,包括:
电容性表压传感器,包括:
传感器主体,在所述传感器主体中限定了主腔;
薄环形隔膜,被部署在主腔中,并将所述主腔划分为第一部分和第二部分,所述第二部分处于真空状态下并形成真空电介质;
大气参考口,形成于所述传感器主体中,并使腔的第一部分保持于环境大气压力;
过程介质入口,被配置为耦接至过程介质的源;
导电的可弯曲隔膜,被部署在腔的第二部分和所述过程介质入口之间;以及
至少一个电容性板,与隔膜相对地被部署在腔的第二部分中,从而所述导电的可弯曲隔膜的弯曲产生在至少一个电容性板和导电的可弯曲隔膜之间的电容的改变,所述电容指示过程介质的表压。
2.根据权利要求1所述的变送器,还包括:
传感器电路,电耦接至所述电容性表压传感器,以基于所述电容性表压传感器的电容来产生传感器信号,所述传感器信号指示过程介质的表压;以及
变送器电路,耦接至所述传感器电路,以通过过程通信环发送与传感器信号有关的信息。
3.根据权利要求2所述的变送器,还包括:耦接至传感器主体的电子设备外壳,所述传感器电路和变送器电路置于所述电子设备外壳中。
4.根据权利要求1所述的变送器,还包括:置于腔的第二部分中的绝缘体主体,所述至少一个电容性板被部署在绝缘体主体上。
5.根据权利要求4所述的变送器,还包括:置于绝缘体主体和导电的可弯曲隔膜之间的低膨胀垫片,以利于所述导电的可弯曲隔膜在受到过程介质的压力时的弯曲。
6.根据权利要求1所述的变送器,还包括:形成在传感器主体中的排出口,用于排空腔的第二部分。
7.根据权利要求1所述的变送器,还包括:贯穿腔的第一部分并进入腔的第二部分的排出管,以排空腔的第二部分。
8.一种用于工业过程中的现场设备,包括:
电容性表压传感器,被配置为测量过程介质的表压,所述表压传感器包括:
传感器主体,在所述传感器主体中形成有第一腔和第二腔,所述第二腔处于真空状态下,并形成所述表压传感器的真空电介质;
大气参考口,形成在所述传感器主体中,并使所述第一腔与所述现场设备周围的环境大气压力保持平衡;
过程介质入口,被配置为耦接至过程介质的源;
导电的可弯曲隔膜,被部署在所述第二腔和所述过程介质入口之间;以及
电容性板,与所述导电的可弯曲隔膜相隔开地被部署在所述第二腔中,从而所述导电的可弯曲隔膜的弯曲产生电容改变,其中所述电容指示过程介质的表压;
传感器电路,电耦接至所述表压传感器,并被配置为产生传感器信号,所述传感器信号指示过程介质的表压;以及
变送器电路,耦接至所述传感器电路,以通过过程通信环发送与传感器信号有关的信息。
9.根据权利要求8所述的现场设备,还包括:
置于所述传感器主体中的绝缘体主体,所述电容性板被部署在所述绝缘体主体上;以及
薄环形隔膜,以物理方式耦接在所述绝缘体主体和所述传感器主体之间,其中,所述绝缘体主体和所述薄环形隔膜将环境大气压力下的第一腔与提供真空电介质的第二腔分开。
10.根据权利要求9所述的现场设备,还包括:置于绝缘体主体和导电的可弯曲隔膜之间的低膨胀垫片,以利于所述导电的可弯曲隔膜在受到过程介质的压力时的弯曲。
11.根据权利要求8所述的现场设备,还包括:耦接至传感器主体的电子设备外壳,所述传感器电路和变送器电路置于所述电子设备外壳中。
12.根据权利要求8所述的现场设备,还包括:形成在所述传感器主体中的排出口,用于排空所述第二腔以形成真空电介质。
13.根据权利要求8所述的现场设备,还包括:贯穿所述第一腔并进入所述第二腔的排出管,用于排空所述第二腔以形成真空电介质。
14.一种电容性表压变送器,包括:
电容性表压传感器,被配置为测量过程介质的表压,所述表压传感器包括:
传感器主体,在所述传感器主体中形成有第一腔和第二腔,所述第二腔处于真空状态下,并形成表压传感器的真空电介质;
大气参考口,形成在传感器主体中,并使所述第一腔与所述现场设备周围的环境大气压力保持相关;
过程介质入口,被配置为耦接至过程介质的源;
导电的可弯曲隔膜,被部署在所述第二腔和所述过程介质入口之间;以及
金属电极,与所述导电的可弯曲隔膜相关地被部署在所述第二腔中,从而所述导电的可弯曲隔膜的弯曲产生在所述金属电极和所述导电的可弯曲隔膜之间的电容的改变,所述电容指示过程介质的表压;
传感器电路,电耦接至所述表压传感器,并被配置为基于所述金属电极和所述导电的可弯曲隔膜间的电容来产生传感器信号;以及
变送器电路,耦接至所述传感器电路,以通过过程通信环发送与传感器信号有关的信息。
15.根据权利要求14所述的变送器,还包括:
置于所述传感器主体中的绝缘体,所述金属电极被部署在所述绝缘体上;以及
以物理方式耦接在所述绝缘体和所述传感器主体之间的薄环形隔膜,其中,所述绝缘体和所述薄环形隔膜将所述第一腔与第二腔分开。
16.根据权利要求15所述的变送器,还包括:耦接至传感器主体的电子设备外壳,所述传感器电路和变送器电路置于所述电子设备外壳中。
17.根据权利要求16所述的变送器,还包括:置于所述绝缘体和导电的可弯曲隔膜之间的低膨胀垫片,以利于所述导电的可弯曲隔膜在受到过程介质的压力时的弯曲。
18.根据权利要求17所述的变送器,还包括:形成在所述传感器主体中的排出口,用于排空所述第二腔以形成真空电介质。
19.根据权利要求17所述的变送器,还包括:贯穿所述第一腔并进入所述第二腔的排出管,用于排空所述第二腔以形成真空电介质。
20.根据权利要求17所述的变送器,还包括:配件,用于将所述过程介质入口耦接至过程介质的源。
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