CN103017969A - 传感器和传感器电子元件分离的过程流体压力变送器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有远程压力传感器的过程流体压力变送器。所述变送器包括电子元件壳体和设置在电子元件壳体中并且被配置为按照过程通信协议进行通信回路通信装置。控制器，设置在电子元件壳体内并且连接到回路通信装置。传感器测量电路设置在电子元件壳体内并且连接到控制器。远程压力传感器壳体被配置为直接连接至过程并且与电子元件壳体分离。压力传感器设置在远程压力传感器壳体内。压力传感器形成具有随着过程流体压力变化的电特性的至少一个电子部件。所述电子部件的多个部分直接地连接到多芯电缆，多芯电缆将压力传感器可操作地连接到传感器测量电路。

Description

传感器和传感器电子元件分离的过程流体压力变送器
背景技术
过程监测和控制系统用来监测和控制工业过程的操作。工业过程在生产中用来制造各种产品，如成品油、医药、纸张、食品等等。在大规模生产中，这些过程必须被监测和控制，以在所需参数范围内操作。
“变送器”已成为一个术语，其用来描述连接到过程装置并且用于检测过程变量的装置。过程变量的示例包括压力、温度、流量等。通常情况下，变送器位于远程位置(即在“现场”中)，并且将感测到的过程变量传送回到位于中央的控制室。使用各种技术用于传输过程变量，包括有线和无线通信两者。一种常见的有线通信技术采用所谓的二线式过程控制回路，其中单一的一对电线用来同时传送信息以及提供电力到变送器。用于传递信息的一种已为大家接受的技术是通过将通过过程控制回路的电流水平控制在4mA和20mA之间。4-20mA范围内的电流值可以被映射到过程变量的相应值。其他通信协议包括：HART
Figure BDA0000124754220000011
通信协议，其中除4-20mA通信电流模拟信号之外，对数字信号进行调制；FOUNDATIONTM现场总线(Fieldbus)协议，其中所有通信都是数字化地进行的；无线协议，诸如无线HART(IEC62591)等等。
变送器的一种类型是压力变送器。在一般情况下，压力变送器是测量过程的流体的压力的任何类型的变送器。(术语流体包括气体和液体以及它们的组合。)压力变送器可以用于直接测量压力，包括压差、绝对压力或表压。此外，使用已知的技术，压力变送器可以用来基于在两个位置之间的过程流体中的压差测量过程流体的流量。
通常情况下，压力变送器包括压力传感器，压力传感器通过隔离系统连接到过程流体的压力。隔离系统可以包括例如物理接触过程流体的隔离膜片和以及在隔离膜片和压力传感器之间延伸的隔离填充流体。填充流体一般地包括诸如油之类的基本不可压缩的流体。在过程流体施加压力在隔离膜片上时，所施加的压力的变化在隔离膜片上传递，通过隔离流体并且传递到压力传感器。这种隔离系统防止压力传感器的精密部件直接地暴露到过程流体。
大量市售的过程流体压力变送器可用于有效地测量过程流体压力。这些装置通常凭借隔离系统或填充有过程流体的长管将压力带到变送器。这种结构的示例显示在图1A-1D。
图1A显示典型蒸汽流装置。由于高温，过程流体压力变送器10远离过程12安装。一对压力脉冲管线14、16与多个连接件一起使用，并提供开口以将过程压力带到变送器10。
图1B图示高温压力变送器。由于高温，通过使用用于传递压力的辅助油填充系统，压力变送器20远离过程安装，。
图1C是典型的远程密封系统30。在这种情况中，压力通过油填充的辅助系统34被传送回到变送器32。
图1D是流量计40的图解视图，其中主元件42产生压差。压差由管44内的两个脉冲管线或引压管(impulse line)向上传递到共面变送器接口46。
关于图1A-1D图示的结构已经是成功的并且提供许多优点。模块化变送器设计已经能够实现大批量生产和高度受控的过程，以提高性能。标准共面接口允许分配效率，并允许用于校准和更换的分离点(separationpoint)。然而，这些结构确实存在某些限制。举例来说，将压力带到变送器是昂贵的，因为它需要大量的金属和辅助加压系统。结构可能会受到潜在的泄漏点、插塞式管线和其他脉冲管线问题的影响。此外，这些结构也可能易受到机械振动的影响。
提供可以测量在其源头上的压力而无需将这个压力传送到正常过程压力范围以外的结构将推进过程流体压力测量和控制技术。
发明内容
一种过程流体压力变送器，具有远程压力传感器。所述变送器包括电子元件壳体和设置在电子元件壳体中并且被配置为按照过程通信协议进行通信的回路通信装置。控制器，设置在电子元件壳体内并且连接到回路通信装置。传感器测量电路，设置在电子元件壳体内并且连接到控制器。远程压力传感器壳体被配置为直接地连接至过程并且与电子元件壳体分离。压力传感器设置在远程压力传感器壳体内。压力传感器形成具有随着过程流体压力变化的电特性的至少一个电子部件。所述电子部件的多个部分直接地连接到多芯电缆，多芯电缆将压力传感器可操作地连接到传感器测量电路。
附图说明
图1A-1D说明本发明的实施例在其中特别有用的示例结构。
图2和3是根据本发明实施例的远程安装的压力传感器系统的图解视图。
图4是根据本发明的实施例的连接到单个电子元件壳体的多个远程压力传感器的图解视图。
图5是根据本发明实施例的连接至远程密封件或嵌入远程密封件内的远程传感器的图解视图。
图6是用于本发明实施例的柔性膜片、基于电容的差压传感器的剖视图。
图7是根据本发明实施例的远程压力测量系统的系统框图。
具体实施方式
本发明的实施例大致源自压力传感器本身与传感器电子元件的物理分离。因此，接近过程的唯一电子部件是压力传感器。虽然在过去已经尝试将压力传感器与检测电子元件分离，但这些尝试一般地要求至少一些电子电路，如二极管，被连接到压力传感器并靠近压力传感器安装。因此，在过程流体温度非常高的应用中，这些种技术将受限于电子部件的工作温度范围。参见，例如，Dahlke的美国专利4,250,490。根据本发明的各个实施例，接近过程的唯一电子部件是压力传感器本身。在一些实施例中，温度传感元件可以设置为压力传感器的一部分或作为独立的传感器。因此，在本发明实施例中唯一的热限制是由压力传感器和/或可选温度传感器的结构所引起的。
将压力传感器与传感器电子部件分离在高性能系统中是有悖常理的。一般来说，传感器是相当高阻抗、低信号装置。分离增加了增加错误到信号的机会。为了适应这种物理分离，本发明实施例主要包括传感器电子元件，其帮助减少错误，同时使得能够实现远程传感器系统的优势。
图2和3是远程安装的压力传感器系统的图解视图。图2说明连接到主元件102的远程壳体100。远程壳体100包括差压传感器204(见图6)和用于补偿的温度传感器(未显示)。传感器204的每个压力相关元件，如每个电容板(capacitive plate)，直接连接到多芯电缆106中的各个单独的导体。不像现有技术中的尝试，没有电子部件(如二极管)插入壳体100内的电容板和电缆106的每个导体之间。电缆106优选使用屏蔽电缆将电子元件壳体104连接到远程传感器100。对比图2与图1D，优势是明显的，其中包括，节约成本、减少潜在泄漏路径。优选地，远程壳体100完全与主元件102集成在一起。在另一个实施例中，可以采用模块化设计，其将具有螺栓连接到主元件102的远程壳体100。同样可以采用其他选择，包括排气阀/排水阀和利用集合管。此外，该结构还可以适应多变量应用。在一个实施例中，远程壳体102通过刚性支架连接到电子元件壳体104，刚性支架有助于保护其中的电互连。
图3是连接过程流体管道108的远程传感器100的图解视图。凭借其直接连接，壳体100内的压力传感器直接测量在管道108内流动或以其他方式存在的过程流体压力，并且提供与过程流体压力有关的电特性，如电压、电阻、电容、电感等等。壳体104内的传感器电路测量电特性并将该电特性的数字指示提供到壳体104内的处理器电路。
已经发现本发明的实施例采用基于电容的压力传感器提供了令人满意的远程性能，压力传感器和传感器电子元件之间的物理间距大约为两米。因此，电缆106可以至少两米长并且仍然提供令人满意的性能。信号错误和关于物理分离涉及的问题包括分辨率降低、温度影响、稳定性、安装效果、抗噪声以及电子互换性。虽然在传感器附近增加最小电子元件，诸如二极管桥，可以显著增加分离距离，但这种部件将最高工作温度限制到这种电子元件的工作范围。如果温度传感元件包括在远程传感器中，则它必须能够承受用于这种应用的极高温度。在优选的实施例中，压力传感器本身提供传感器温度的测量，从而不需要能够经受住高温的单独的温度传感器。
通过使用屏蔽传感器电线并协调传感器电路内的电路细节以与新的电路动态向匹配而实现性能优化。例如，增加较长的传感器电缆到电容式传感器将增加电容。由于不足的偏置电流和稳定时间，现有电子元件可能表现不佳。优化或至少调整偏置电流和稳定时间被认为是解决这种性能问题的。
根据本发明的各种实施例，多个远程传感器可以连接到单组远程电子元件，如远程过程密封应用。图4是通过多芯电缆106、122分别地连接到单个电子元件壳体104的多个远程压力传感器100、120的图解视图。这种布置可以提供的独特的优势在于最大限度地减少在多传感器系统中的延迟效应。另外选择是在单个壳体104内提供多个测量电路。
本发明的实施例可以产生一些独特的安全认可问题。对此类问题的一个解决方案是将远程传感器100安装在防爆壳体中并且控制远程传感器100的壳体和电子元件104之间的电缆连接。虽然这种方法可以实现必要的安全认可，但其将增加成本并降低安装灵活性。代替地，优选地，类似于使用市售的旋涡流量计当前所做的那样，本质安全屏障(intrinsic safetybarrier)被增加到电子元件104。远程传感器100现在变成本质安全系统，其允许在电缆106的选择和设计方面具有明显灵活性。此外，远程传感器100不需要被包封在防爆壳体中，这将降低壳体成本和复杂性，这种复杂性包括需要使用电火花加工机床(EDM)孔。
图5是远程传感器100的图解视图，远程传感器100连接到远程密封件110或嵌入在远程密封件110中。如先前实施例，传感器100通过多连接器屏蔽电缆106连接到电子元件壳体104。因此与关于图1C图示的具有延伸长度的毛细管34的装置不同，远程密封件110凭借电缆106连接到其电子元件壳体104。
本发明的实施例大体上降低了需要有效地测量过程流体压力的流体连接件的数量。此外，使用本发明的实施例基本上省却了流体填充的管道，如脉冲管线和毛细管。本发明实施例的另一个优点是，可以减少伴热(heattracing)装置的使用或需要。对于诸如这些在图1A中描述的应用，脉冲管道填充有气体或液体，这些气体或液体可能冻结，或以其他方式产生固相材料，固相材料可能堵塞管道和损害过程压力的测量。终端用户通常围绕脉冲管道安装伴热装置，以防止这种情况的发生。因此，本发明的实施例能够完全消除脉冲管道，并且因而也消除伴热装置的需要。
虽然本发明的实施例大体上是关于差压传感器描述的，但也可以关于任何类型压力传感器实践多个实施例，包括绝对压力和表压力传感器。此外，虽然本发明的实施例大体上是关于电容式柔性膜片压力传感器描述的，但也可以关于通过改变电特性对压力作出反应的任何结构实践本发明的实施例。因此，本发明的实施例包括电阻应变仪型传感器、压电式压力传感器、压阻式压力传感器、电磁压力传感器、谐振传感器等等。
在图2-6中显示的实施例中在传感器和电子元件之间使用柔性电缆。可选的实施例将使用硬支架连接。例如，可以通过管道或支架物理地连接传感器和电子元件。这将使安装更加容易，并保护电缆免受电噪声和物理伤害。
图6是用于本发明的实施例的柔性膜片式、基于电容的差压传感器204的剖视图。虽然压力传感器204的实际结构可以采取任何适当的形式，但本发明的一个具体实施例如图6所示使用填充流体。关于差压传感器204的进一步细节可以在已经授权本发明的受让人的美国专利6901803中发现。压力传感器模块200包括压力传感器204和流体隔离部件206、208以及从压力传感器204延伸到流体隔离部件206、208的管210、212。过程流体进入管213、214中的一个或两者，并且分别地对隔离部件206、208施加压力。每个隔离部件206、208包括将过程流体与管210、212内的填充流体物理地分离的隔离膜片。因此虽然阻止过程流体物理地接触压力传感器204，但过程流体的压力分别地通过管210、212从管213、214传递到传感器204。在一个实施例中，每个管213、214直接地连接到主元件的对应的高压侧和低压侧，如在图2中图示。
对于典型应用，远程压力传感器能够实现多种优势，包括节约成本、节省安装、提高了安全性和可靠性。对于这些应用，传感器可以利用现有的设计理念。在一个实施例中，优选地是用标准硅油对传感器204进行油填充的，并使用合适的灌装材料在壳体中隔离传感器204。如果远程传感器是模块化的，则共面接口可以使用标准聚四氟乙烯的O型圈(O-ring)，或适合金属的O型圈。
图7是根据本发明实施例的远程压力测量系统的系统块图。远程电子模块104通过电缆106可操作地连接至远程压力传感器100。远程压力传感器100可以包括任何合适的压力传感器，并操作地连接到过程流体压力的源。传感器电子元件104包括可操作地连接到多个接线端302的回路通信装置模块300，接线端302用于将电子元件104连接到合适的过程通信回路。过程通信回路的示例包括已知的4-20mA模拟信号回路、HART
Figure BDA0000124754220000071
信令、FOUNDATIONTM现场总线技术以及其他合适的过程通信回路或程序段。回路通信装置300可操作地连接到控制器304，在一个实施例中，控制器304优选地是微处理器。控制器304进而连接到能够通过电缆106可操作地连接到压力传感器100的测量电路306。在一些实施例中，本质安全屏障308在电学上插入测量电路306和压力传感器100之间。虽然图7图示测量电路306作为单独的模块存在，但事实上其可以包括多个这样的模块，以便连接到多个远程压力传感器。此外，在一些实施例，可以使用开关或适合的多路复用器，以基本上按顺序地或有选择地将多个压力传感器连接到单个测量电路模块306。
相比用于测量过程流体压力的现有技术，本发明的实施例，提供了许多优点。远程传感器提供了用在诸如高温的严峻应用中的能力。随着过程温度增加，非金属材料的局限性必须加以考虑。要求随着过程的温度和压力升高而变化。以下是图示本发明的实施例的特别用于说明性的蒸汽应用的示例。高温压力传感器不仅限于蒸汽应用，而且其他应用将不会超过400℉。
当前市售的采用共面压力测量的过程流体压力测量系统通常限于250℉的温度。本发明的实施例被认为对于高压、高温是有用的，并且被认为能够在高达400℉的温度下运行，包括一些海底应用。在一个实施例中，压力传感器可以是基于电容的压力传感器，如关于图6所示，其中填充油是单组分有机硅扩散泵用流体，如可从Midland MI的Dow Corning公司获得的Xiameter品牌有机硅流体。此外，优选地，传感器204安装在灌注材料中，并且由于高压而没有使用O型圈。400℉极限也将为差压流动应用提供许多优势。较低压力下的应用可以利用模块化结构，其中远程压力传感器可以被螺栓连接到主元件。在这种较低压力应用中，O型圈可以为金属或聚四氟乙烯，其被列出是具有高达400℉的工作温度。许多过程阀门和密封设计使用聚四氟乙烯，因此传感器现在能够在聚四氟乙烯工作的相同温度处工作。
目前测量的蒸汽应用的大部分都达到或低于900#ANSI压力等级。用于该等级的最大压力随着温度变化。用于100℉的最大压力是3350PSI，用于400℉的最大压力是1900PSI，用于750℉的最大压力是1510PSI。
过程密封设计变化包括使用用于较低温度(低于400℉)和小于约6000PSI压力的标准聚四氟乙烯O型圈。对于更为苛刻的应用，可以使用金属O形圈，这允许在较高温度和压力处工作。也可以提供用全焊接系统消除过程密封。注填充设计变化包括用可以承受较高温度的油代替硅油。通过使用合适的油能够将极限提高到500℉或600℉。
用于非常高的温度和用于紧凑设计的一个优选实施例是使用没有隔离膜片的无油传感器。在这样的系统中，使过程流体或介质直接地与可偏转膜片接触。这些应用要求过程流体与传感器材料兼容。在这些应用中，其他类型的压力传感器可能更有用。用于这种应用的一种示例性压力传感器在授权给本发明的受让人的美国专利6508129中提出。
将差压传感器集成到远程密封膜片中产生类似的好处。省却了充填充毛细管系统，并且还减少了流体连接件的数量，降低了填充流体泄漏的可能性，也有利于减少或消除由远程密封件的毛细管内的填充流体提供的任何热效应。
虽然上文已经列出关于本发明的实施例的许多优点，但本领域技术人员将会认识到也提供许多额外的好处。
虽然已经参照优选实施例描述本发明，但本领域技术人员将会认识到，在没有背离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上进行改变。

Claims (22)

1.一种具有远程压力传感器的过程流体压力变送器，所述变送器包括：
电子元件壳体；
回路通信装置，设置在电子元件壳体中并且被配置为按照过程通信协议进行通信；
控制器，设置在电子元件壳体内并且连接到回路通信装置；
传感器测量电路，设置在电子元件壳体内并且连接到控制器；
远程压力传感器壳体，被配置为邻近过程连接并且与电子元件壳体分离；
压力传感器，设置在远程压力传感器壳体内，压力传感器形成具有随着过程流体压力变化的电特性的至少一个电子部件；和
其中所述电子部件的多个部分直接地连接到多芯电缆，多芯电缆将压力传感器可操作地连接到传感器测量电路。
2.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中所述电子部件包括至少一个电容器，并且其中所述电子部件的每个部分是电容板。
3.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体包含至少一个隔离膜片，所述至少一个隔离膜片将过程流体与压力传感器隔离但将过程流体压力传递到压力传感器。
4.根据权利要求3所述的过程流体压力变送器，其中，过程流体压力通过基本不可压缩的填充流体传递。
5.根据权利要求4所述的过程流体压力变送器，其中，填充流体是单组分有机硅扩散泵用流体。
6.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，压力传感器被设置以直接地接触过程流体。
7.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，压力传感器壳体和电子元件壳体用刚性支架连接在一起。
8.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，多芯电缆是屏蔽多芯电缆。
9.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，还包括温度传感器，该温度传感器设置在远程压力传感器壳体中，并且被配置以测量过程流体温度并且通过多芯电缆将过程流体温度的指示提供至传感器电路。
10.根据权利要求9所述的过程流体压力变送器，其中控制器被配置以补偿热效应。
11.根据权利要求9所述的过程流体压力变送器，其中压力传感器和温度传感器构成压力传感器壳体内的仅有的电子部件。
12.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体填充有灌注混合物。
13.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，进一步包括：
第二远程压力传感器壳体，配置为直接地连接到过程；
第二压力传感器，设置在第二远程压力传感器壳体内，第二个压力传感器形成具有随着过程流体压力变化的电特性的至少一个电子部件；并且
其中所述电子部件的多个部分直接地连接到多芯电缆，该多芯电缆将第二压力传感器可操作地连接到传感器测量电路。
14.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中压力传感器构成压力传感器壳体内的唯一的电子部件。
15.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中变送器被配置以测量过程流体差压、过程流体表压和过程流体绝对压力中的一种。
16.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体集成在过程流动主元件中。
17.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体集成在远程过程密封件中。
18.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体集成在过程容器中。
19.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体集成在流量测量装置中。
20.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体以共面图案连接到过程。
21.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中远程压力传感器壳体是模块化的。
22.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，进一步包括设置在电子元件壳体内并且在电学上插入传感器电子电路和多芯电缆之间的本质安全屏障。
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