CN103148976A - 用于压力变送器的改进的铁磁流体填充流体 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量过程流体的压力的压力变送器，包括：变送器壳体、压力传感器、液压中继系统、铁磁流体和变送器电子元件。基于电容的压力传感器感测过程流体的压力和被布置在壳体内。液压中继系统包括定位在变送器壳体的外部的隔离膜片，和从压力传感器延伸到第一隔离膜片的第一隔离管。铁磁流体定位在第一隔离管中，以传送在第一隔离膜片处的过程流体的压力的变化到传感器。变送器电子元件定位在壳体内，并且被配置为接收和调节来自压力传感器的压力信号。

Description

用于压力变送器的改进的铁磁流体填充流体

本发明一般地涉及用于工业过程控制系统中的过程仪器。更具体地说，本发明涉及油填充过程变送器，诸如具有电容式压力传感器的压力变送器。

背景技术

过程仪器用于监控在工业生产过程中所用的过程流体的诸如压力、温度、流量和水平的过程参数。例如，过程变送器通常在多个位置处应用在工业制造设施中以沿着各种生产线监控各种过程参数。过程变送器包括响应于过程参数中的物理变化产生电输出的传感器。例如，压力变送器包括电容式压力传感器，产生作为诸如水管线、化学罐或类似物的过程流体的压力的函数的电输出。每个过程变送器还包括变送器电子元件，用于接收和处理传感器的电输出，使变送器和过程参数可以在本地或远程监测。本地监测的变送器包括显示器，诸如LCD屏幕，显示在过程变送器现场的电输出。远程监测的变送器包括电子元件，在控制回路或网络上传送电输出到诸如控制室的中央监控位置。如此配置，过程参数可以通过包括自动开关、阀门、泵和其它相似元件在控制回路中从控制室调节。

使用在压力变送器中的典型的电容式压力传感器包括固定的电极板和可动电极板，其通常包括柔性传感膜片。传感膜片通过连通过程流体压力到传感器的简单液压系统连接到过程流体。该液压系统包括密封的通道，传感膜片在密封的通道中被定位在第一端处，并且柔性隔离膜片定位在第二端处以接合过程流体。密封通道填充有精确数量的液压流体，在过程流体影响隔离膜片时，液压流体调整传感膜片的位置。在过程流体的压力变化时，传感膜片的位置变化，导致压力传感器的电容变化。该压力传感器的电输出与电容相关，并且因而在过程流体压力变化时改变。

压力传感器的电容由三个主要因素控制：电极板的表面面积、电极板之间的距离和电极板之间物质，典型地，液压流体，的介电常数的大小。通常期望生产尽可能小的压力传感器，使得它们可以在更多应用中使用。电极之间的间距的下限由电容器适当作用的能力限制。板的表面面积的下限取决于压力传感器产生具有与变送器电子元件兼容的最小强度的信号的所需。间距和表面积参数也限于制造公差。板之间物质的介电常数由与液压系统是兼容的填充流体的类型限制。因此，需要具有更高电容的电容式压力传感器。

发明内容

用于测量过程流体的压力的压力变送器，包括：变送器壳体、压力传感器、液压中继系统、铁磁流体和变送器电子元件。基于电容的压力传感器感测过程流体的压力和被布置在壳体内。液压中继系统包括定位在变送器壳体的外部的隔离膜片，和从压力传感器延伸到第一隔离膜片的第一隔离管。铁磁流体定位在第一隔离管中，以传送在第一隔离膜片处的过程流体的压力的变化到传感器。变送器电子元件定位在壳体内，并且被配置为接收和调节来自压力传感器的压力信号。

附图说明

图1示出包括压力变送器的过程控制系统，其中使用本发明的改进的铁磁流体填充流体。

图2是图1的压力变送器的示意性侧视图，包括配置用于压差测量的电容式压力传感器。

图3是图2的压力变送器使用的压差模块的透视图。

图4示出图3的压差模块的隔离管，具有包裹在磁屏蔽中的电磁铁。

图5示出施加磁场到具有改进的铁磁流体填充流体的压力传感器与压力传感器的电容和由压力传感器产生的信号的关联的曲线图。

具体实施方式

图1示出其中使用本发明的过程变送器12的过程控制系统10。过程控制系统10包括过程变送器12、管道14、控制室16和控制回路18。控制室16包括通信系统20和电源22。在本实施例中，过程变送器12通过过程法兰24和歧管26与管道14连接，过程流体在管道14中流动。过程变送器12包括过程传感器和用于基于过程流体的检测到的压力产生电信号的变送器电路。过程变送器12还包括其他电器元件，用于在控制回路18上传输电信号到控制室16或诸如LCD屏幕的本地显示器，或两者。

在一个实施例中，过程变送器12是用于在4-20mA回路上操作的两线式变送器。在这样一个实施例中，控制回路18包括一对导线，用于从电源22供给能量到过程变送器12。控制回路18还能够使控制室16利用通信系统20传送数据到过程变送器12和从过程变送器12接收数据。典型地，4毫安直流电流提供足够用于操作过程变送器12的传感器和变送器电路和任何本地显示器的能量。在其它实施例中，过程变送器12与控制室16在无线网络上通信。变送器12包括填充有铁磁流体的液压系统，如参照图2所讨论，铁磁流体改变压力传感器内的流体的介电常数以增加传感器的电容。

图2示出包括变送器电子元件28和电容式压力传感器30的压力变送器12，电容式压力传感器30在本发明的一个实施例中包括具有由铁磁流体组成的填充流体的差压传感器。过程变送器12还包括液压隔离管38A和38B、壳体40、模块42、底座44和LCD 45。传感器30感测压差P1-P2的物理变化。传感器30通过电缆46与变送器电路28电子通信。电路28调节传感器30的输出到与控制回路18兼容的格式，从而使输出中继用于在连接到电子设备28的LCD 45处本地监测，或通过控制回路18连接到控制室16（图1）。在其它实施例中，变送器电路28通过无线网络进行通信。在另一些实施例中，传感器30的被调节的输出通过手持式装置可读，手持式装置与压力变送器12有线或无线链接。可以理解，本发明可以在使用填充流体以隔离压力传感器的各种压力传感器中实现。

隔离管38A和38B允许压力传感器30与变送器12的外部接触。隔离管38A和38B连接传感器30到隔离膜片52A和52B。隔离膜片52A和52B被安装到底座44的平坦外表面，与过程法兰24（图1）连接。在一个实施例中，过程法兰24包括COPLANAR^TM过程法兰。传感器30响应于压差P1-P2产生电子信号的换能器。在本实施例中，传感器30包括差分式基于电容的压力电池，包括传感膜片58、第一电极板60A和第二电极板60B。传感器30通过在定位在模块42内的隔离管38A和38B内的填充流体A液压耦合到底座44上的膜片52A和52B。隔离膜片52A和52B的液压耦合到过程流体压力P1和P2。与压力P1和P2相关的作用力通过填充流体A从隔离膜片52A和52B传送到传感膜片58，使得在隔离管38A和38B中的压力分别与压力P1和P2相同。由此，通过填充流体A在传感器30的传感膜片58上产生压差P1-P2。填充流体A填充传感器30以围绕传感膜片58，并且占据传感膜片58与电极板60A和60B之间的空间。因此，压力传感器30的电容直接地关系到填充流体A的介电常数。填充流体A是一种胶体混合物，包括具有悬浮的铁磁颗粒的载体流体。铁磁颗粒允许变送器12的诊断测试。此外，铁磁颗粒增强传感器元件30的性能和介电特性。

在本实施例中，传感膜片58典型地包括在电极板60A和60B之间设置的圆形的、不锈钢盘，电极板60A和60B典型地包括圆形、金属涂层，涂层沉积在传感器30的内部的弯曲表面上以与膜片58相对。传感膜片58夹紧在弯曲表面的外周之间，使得传感膜片58能够在电极板60A和60B之间弯曲。因此，传感器30包括三个电隔离金属板，布置为两个电容器串联，形成具有宽度和直径的大致圆柱形传感器。在膜片58的曲率由于通过填充流体A呈现的压力P1和P2中的变化而改变时，膜片58和第一电极板60A之间的电容以及膜片58和第二电极板60B之间的电容变化。膜片58与电极板60A或60B的一个之间的电容将增加，而另一个将降低。由于压力变化引起的每个电容器的电容的变化由变送器电路28测量，作为压力P1和P2之间的压差的大小的变化的指示。

一般来说，电容器的电容指示存储在包括电容器的电极板上的能量的数量。如等式（1）中所示，电容C与电极板的面积A_P以及在电极板之间的材料的介电常数ε成正比，并且与电极板之间的距离X成反比：

C=εA_P/X                   等式（1）

对于电容式压力传感器中，由压力传感器产生的信号的输出强度由存储在电容器上的电荷确定。在传感器30中，第一电容器由传感膜片58和第一电极板60A形成，第二电容器由传感膜片58和第二电极板60B形成。必须有足够的电荷存储在第一和第二电容器上，使得传感器30能够解析非常小的压力变化。典型地，电容式压力传感器具有约60皮法（pF）的满标度（fullscale）电容。介电材料的介电常数ε由所选择的填充流体固定。第一和第二电容器的尺寸也固定用于给定设计，约束传感器30的板的区域A_P。

典型地，由于填充流体所需的力学性能要求，填充流体的介电常数ε已经被限制成小量级。例如，填充流体必须大致不可压缩，使得填充流体能够有效和准确地传递压力。例如，在传感器30中，填充流体A必须是能够在偏转没有被压缩填充流体A完全吸收的情况下，将膜片52A的非常小的偏转传送至传感膜片58。填充流体也必须是稳定的并且大致是惰性的，以防止与其他传感器元件反应。例如，在传感器30中，填补流体A必须不能与传感膜片58和电极板60A反应。填充流体也必须在宽的温度范围内发挥作用，并且具有理想的毒性和可燃性特性。

满足这些要求的填充流体典型地包括硅氧烷油液压流体，诸如DC

或Syl therm

硅氧烷油，如在商业上可从Dow CorningCorporation，Midland，MI，USA获得。在其它实施例中，类似的液压流体可以使用，诸如来自Halocarbon Products Corporation，River Edge，NJ，USA的

或者来自Stepan Company，Northfield，IL，USA的

在其它实施例中，填充流体A可以补充有额外的添加剂。例如，在需要的时候，泄漏检测和预防添加剂可以包含在填充流体组合物中。

在本发明中，填充流体包括铁磁流体。铁磁流体包括载体流体，具有纳米级铁磁颗粒的胶体混合物，铁磁颗粒赋予载体流体顺磁性，同时增加在磁化和非磁化状态两者中的载体流体的介电常数。铁磁颗粒不会沉淀出载体流体以及沿着铁磁颗粒被散布的通道和毛细血管堆积。铁磁颗粒足够小，使得布朗运动保持颗粒悬浮在载体流体中。典型的铁磁颗粒的直径在约100埃（10纳米）级别或更小。铁磁颗粒可以是任何磁性颗粒，诸如铁或铁合金。铁磁流体中使用的典型的颗粒涂覆有分散剂，或表面活性剂，如在是本领域中已知的，例如油酸。表面活性剂可以防止颗粒在载体流体内的附聚或凝结。表面活性剂保持颗粒间隔距离比可以由范德华力或吸引力克服的距离更大。表面活性剂附加地在颗粒和载体流体之间提供屏障，从而防止不希望的反应。

此外，铁磁颗粒是惰性的，从而铁磁颗粒将不会与载体流体反应，并且将不会以不希望的方式改变载体流体的属性。然而，铁磁颗粒对填充流体的整体性能做出贡献，在量上与载体流体和铁磁颗粒体积的体积分布成比例。也就是说，具有50％（体积）的载体流体和50％（体积）铁磁颗粒的填充流体将具有的电子和机械性能（例如介电常数和热膨胀系数）是载体流体和铁磁颗粒的平均的电子和机械性能。然而，为了保持填充流体的压力传递的能力，优选地，铁磁颗粒包括从约5%至约20％的填充流体。

在第一实施例中，载体流体包括传统的填充流体，如上述的液压流体或有机的化合物的流体，并且简单混合有铁磁颗粒。在第二实施例中，传统的填充流体通过预配制的铁磁流体代替，预配制的铁磁流体具有混入专门选择用于铁磁颗粒的载体流体的铁磁颗粒。受让给FerrotecCorporation的美国专利No.7,063,802公开铁磁流体，包括烃基或硅基载体流体，使用各种不同的铁磁颗粒，诸如磁铁矿，其为铁素体，和磁赤铁矿，其为氧化铁。受让给Ferrotec Corporation的美国专利No.4,356,098公开铁磁流体包括聚硅氧烷油载体和铁磁颗粒，诸如磁铁矿、Fe₃O₄和αFe₂O₃。这种铁磁流体适合用于本发明。

具有高介电常数的铁磁颗粒用来增加传感器30的信号。大量铁磁颗粒悬浮在填充流体A中以增加压力膜片58和电容器板60A和60B之间的材料的介电常数。因此，可用于存储在传感器30中的电荷量随着介电常数增大而增加。如果包括传感器的电容器能够存储更多的能量，传感器30能够产生更明显的信号用于较小的压力变化。因此，具有高介电常数的铁磁颗粒可以被添加到填充流体A以增加传感器30的灵敏度。此外，从设计的角度来看，形成传感器30的电容极板的尺寸可以减少，以保持压力传感器30的剩余电容信号。

通过将磁场施加到填充流体A，传感器30的电容进一步增加。磁流体的胶体混合物保持不受磁场的施加的影响。这就是说，尽管存在磁场，铁磁颗粒保持悬浮在载体流体中。然而，磁场聚集铁磁颗粒以增加流体的介电常数。然而，载体流体被在磁场中的铁磁颗粒的存在影响，并且在磁场的影响下改变属性。磁场增加载体流体的粘度到成为粘弹性固体的点。磁场的施加和作为结果的载体流体的属性变化以形成粘弹性固体也可以潜在地用于诊断诸如由隔离膜片52A、隔离管38A和传感膜片58和传感器30形成的液压系统的性能。

图3示出使用在图2的差压变送器12内的压力传感器30和模块42的一个实施例的透视图。压力传感器30被布置在变送器12的模块42内的底座44上。压力传感器30包括隔离管38A、隔离管38B、传感膜片58、第一电极板60A、第二电极板60B、第一电磁铁61A、第二电磁铁61B、第一单元半部62A、第二单元半部62B、第一绝缘体64A、第二绝缘体64B、第一传感器引线66A和第二传感器引线66B。电磁铁61A和61B供电以磁化包括填充的流体A的铁磁流体以增加传感器30的电容。

模块42和底部44典型地铸造和加工成整块，模块42主要地包括用于保持传感器30的中空腔。模块42和底座44一起提供框架，该框架允许膜片52A和52B通过隔离管38A和38B与传感器30进行通信。底座44包括孔68，使得变送器12可以连接到法兰47或一些其他过程连接。模块42包括螺纹70，用于与变送器12中的壳体40连接。底座44还包括埋头孔，连同隔离膜片52A和52B分别地形成隔离室72A和72B。隔离室72A和72B分别由设置在底座44中的孔74A和74B与隔离管38A和38B连接。隔离管38A和38B典型地包括焊接到基座44和单元半部62A和62B的不锈钢管段。隔离管38A和38B分别地连接有绝缘件64A和64B，绝缘件64A和64B分别地设置在传感器单元半部62A和62B内的孔76A和76B中。绝缘件64A和64B包括电极60A和60B分别地沉积在其上的杯形平台。在单元半部62A和62B被装配以形成在传感器30内的内部腔室78时，杯形平台配合。绝缘件64A和64B由任何合适的绝缘材料组成，例如玻璃或陶瓷。绝缘件64A和64B包括孔，该孔延伸通过到内部空腔78，使得隔离管38A和38B连接隔离室72A和72B与内部腔体78。传感膜片58设置在内部腔室78内的单元半部62A和62B之间，使得膜片58与电极60A和60B相对。典型地，膜片58和电极板60A和60B包括耐腐蚀材料。电极60A和60B分别地连接到引线66A和66B，引线66A和66B分别地延伸穿过绝缘体64A和64B，并且在开口80A和80B处退出单元半部62A和62B。引线66A和66B被连接到电路板82，电路板82包括各种传感器电子元件84。电路板82通过带状电缆46连接到壳体40内的变送器电子元件28。传感膜片58在焊缝85处接合到的单元半部62A和单元半部62B。

这样配置，传感膜片58和电极60A和60B包括传感器30内的第一和第二电容器。当压力P1和P2作用在传感膜片58时，每个电容器产生电信号。压力传感器30因此产生双电容信号，这有助于减少由传感器30产生的错误。填充流体A，在包括上述铁磁流体时，增加填充流体A的介电常数ε在常规填充流体的介电常数之上。传统的液压流体具有约2的介电常数ε。磁流体以类似的方式增加填充流体的极化率和偶极矩，如其他填充流体添加剂（诸如洗涤剂和抗氧化剂）所做，其增加电介质常数ε到约6至约10。增加的介电常数的特定幅度的变化取决于悬浮在胶体混合物中的铁磁颗粒的比例。在本发明的各种实施例中，不同的电介质常数的铁磁流体可以使用在每个隔离管38A和38B来区分从各电极60A和60B到压力传感器信号的贡献。铁磁流体从而增加传感器30的电容超过使用标准1.25英寸直径压力传感器实现的典型的约60pF到300pF。电磁铁61A和61B被用于进一步增加传感器30的电容。例如，来自变送器电路28或电路板82的电力通过如图4所示的适当的配线被传递到在电磁铁61A和61B内的磁性线圈。

图4示出图3的电磁铁61A的一个实施例。电磁铁装置61A包括围绕隔离管38A同心地缠绕的线圈绕组86、屏蔽套88和芯套筒90。引线92A和92B连接线圈绕组86到电路板82（图3）。屏蔽套88在图4中剖视显示，以显示芯套筒90和线圈绕组86。如图3中所示，电磁铁61A延伸只跨过隔离管38A的一部分。然而，在其他实施例中，芯套筒90、线圈绕组86和屏蔽套88可以延伸跨过隔离管38A的整个长度，或沿着单元半部62A和底座44之间的隔离管38A的长度。在其它实施例中，电磁铁被定位在壳体40内的任何位置中，只要电磁铁磁靠近填充流体。也就是说，电磁铁必须被定位，以使其能够以磁性地影响填充流体。而在本发明的其他实施例中，具有已知的磁场强度的永磁体可以施加到壳体40的外部以激活铁磁颗粒。

在本发明的一个实施例中，隔离管38A包括0.065英寸（约0.165厘米）直径不锈钢管。线圈绕组86可以包括作为市售任何合适的金属丝。在一个实施例中，绕组86包括通常用于生产电磁铁的铜线。芯套筒90包括诸如软铁的铁磁材料层，其具有高的磁导率μ。在其它实施例中，隔离管38A作为芯或没有使用芯。屏蔽套88围绕线圈绕组86以及芯套筒90定位以防止外界磁场影响线圈绕组86。此外，需要磁屏蔽以防止外界与在隔离管38A内的铁磁流体干扰。在一个实施例中，屏蔽套88包括金属材料的网状套筒。因此，屏蔽套筒88提供对外部磁场的屏障，但允许由线圈绕组86所产生的磁场穿透隔离管38A。在本发明的其他实施例中，变送器壳体40提供足够的屏蔽给线圈绕组86。壳体40提供由磁材料组成的封闭容器，磁材料具有足够高的磁导率，以抑制与外部磁场的干扰。特别地，壳体40由铸件316不锈钢制成，这导致钢有某种程度的保留的铁素体。保留的铁素体的磁性吸引外部的磁场以提供磁通路径，该磁通路径与隔离管38A内的填充流体通路不相交。

根据本实施例，引线92A和92B从电路板82获得电能。通过导线92A和92B的电流的流动产生磁场。磁场由于芯套筒90的存在而增强。产生的电磁场激励在载体流体中的铁磁颗粒，引起铁磁颗粒形成聚集。聚集的粒子增加隔离管38A内的填充流体A的介电常数ε。使用矿物油和Fe₃O₄的铁磁颗粒的载体流体，测试已经表明，相比于在没有磁场时，被施加到铁磁流体时所施加的磁场形成约2至约3微米长的聚集，增加介电常数ε约20％。

介电常数增加20％将产生在传感器30的输出信号中20％的增长。这种公知的比例可以用于诊断传感器30的性能。施加磁场以填充流体会产生压力传感器的信号的阶跃增加，独立于传感器的压力范围，阶跃增加可以根据所施加的磁场强度变化。如果所施加的磁场强度和信号强度的相应阶跃增加提前已知，关系可以被用来作为诊断工具，以评估传感器30的可操作性。关系也可以用来作为校准检查。

图5示出曲线图，使到具有铁磁流体作为填充流体A的压力传感器30的磁场H施加与压力传感器30的电容C和由压力传感器30产生的信号S相关联。如图所示，在曲线图的左手侧，在零时间时磁场为零。若干秒后在时刻t处，磁场H施加到压力传感器30，使得磁场H经受增加的高斯，ΔG。相应地，在时间t处，传感器30的电容C增大到C+X，其中X等于以皮法表示的某一增加，ΔpF，且传感器30的信号S增加到S+Y，其中Y等于信号的某一增加ΔI。电容C表示传感器30比传统的填充流体改进的电容，使得C=C₀+ΔC_铁磁流体，其中C₀是常规的液压流体的电容而ΔC_铁磁流体是电容由于强磁性纳米粒子的存在的增加。电容X中的增加和信号Y中的增加保持一段时间Z，其中Z等于几秒Δs的某一增加，在该点处的电容C和信号S返回预磁化水平。电容X的增加和信号Y的增加可以通过简单地重新施加相同的磁场H而再生。X和Y的大小可以在不同的时间间隔处或在相同的时间间隔之内通过改变磁场强度而变化。

电容C的增加几乎瞬间发生，并且只要施加磁场H，在增加的水平C+X保持恒定。当磁场H终止，电容C几乎是瞬间返回到其在时间零处的水平。同样地，信号S几乎在磁场H的施加和终止的情况下分别瞬间增大和减小。然而，信号S在时间t经历进一步的、瞬时增加，该进一步的、瞬时增加由由于从铁磁流体中的铁磁颗粒的磁化所产生的压力增加ΔP的铁磁流体的形状改变特性所引起。图5还示出标记为ΔP的这种效果，类似于通过压电材料的形状改变属性产生压力脉冲。因此使用铁磁流体作为填充流体导致三种效果：1）由于增加流体的介电常数，固定增加电容信号，2）由于通过施加磁场增加流体的介电常数，电容信号可控增加，和3）在磁场施加时的瞬间压力脉冲ΔP。介电常数和瞬时压力脉冲的可控增加可以被用于评估和诊断传感器30的操作。

由磁场H产生的压力ΔP被施加到悬浮在填充流体中的铁磁颗粒可以用于分析压力传感器30、变送器12和过程控制系统10的其他情况。信号的增加S+Y和压力ΔP的形状和磁场H的已知强度可以是预先确定并且存储在用于变送器12的设置配置的变送器电子元件28中。来自磁场H的施加的压力的被感测变化可以与压力ΔP存储值进行比较以诊断系统条件。例如，检测到的压力的大小可能大于压力ΔP的大小，表示过程连接堵塞，其中膜片52A被抑制移动使得传感膜片58被偏转比预期更大的量。检测到的压力的大小可以小于压力ΔP的大小，表示传感膜片58破裂，从而在填充流体内的压力不产生或很少变化。有时，填充流体有可能泄漏出感测系统。如此，传感膜片将不会移动或检测压力ΔP的变化。同样地，如果液压系统被不正确地填充以及空气密封在传感器系统内，空气将在压力ΔP下压缩。因此，响应于到电磁铁装置的脉冲功率输入的平坦线压力输出，可以指示液压系统有泄漏（低的填充流体水平）、过程连接断开或空气存在。这种平坦线压力输出也可以指示过程连接断开，其中，过程流体的压力变化导致压力信号没有可见的变化。这种关系是已知的，并且在美国专利7,918,134和美国专利申请公开号2010/0083731中描述，以上两个专利受让给罗斯蒙特股份有限公司。另外，可以在利用诸如液位指示器的液压系统的其他类型工业过程变送器中进行类似的诊断程序。

变送器电路28可以使用变化的磁场强度来校准传感器30的输出。例如，使用进入电磁铁装置61A的一系列功率输入以在压力信号输出中产生一组相应的阶跃增加。功率脉冲产生不同强度的磁场，不同强度的磁场增加填充流体的介电常数到不同的水平，介电常数不同水平的增加增加传感器30的电容到不同水平。不同水平的电容相应地产生压力传感器信号输出的电流上的增加。由于功率输入、磁场强度、介电常数和电容之间已知的关系，最终得到的传感器信号输出的大小的变化应该对应于输入功率的大小的变化。压力信号输出的大小的变化随着电容的大小的变化线性地变化。磁场强度的大小基于线圈和铁心的尺寸已知。因此，通过使用已知的功率脉冲引起系列磁场，产生的压力信号响应可以与预期的压力响应曲线进行比较，以验证该压力传感器被正确地校准。如果压力信号响应不符合预期的关系或曲线，表明压力传感器没有校准。预期压力响应数据被存储在连接到变送器电路28或电路板82的存储器中。

在本发明的其他实施例中，代替提供功率输入到电磁铁，具有已知磁场强度的永磁体可以施加到壳体40上的基准位置，以引起传感器30的电容的增加。在这样的配置中，有利的，在每个隔离管38A和38B中提供不同浓度的铁磁流体以方便磁场的施加。例如，其中一个隔离管可以位于进一步远离壳体的壁的壳体40内，使之更难以被施加永磁体的磁场。从永磁体到每一个隔离管的距离差可以通过改变在每个隔离管中的铁磁颗粒的量偏置。如在先前描述的实施例的情况，施加具有已知磁场强度的永磁体应在健康的、正常运转的压力传感器和变送器中产生已知的预定的响应。

增加的电容允许更多的可调范围和更好的信号噪声比。例如，典型的变送器可以从测量0in/H₂O到1000in/H₂O（约250千帕）降至0in/H₂O到100in/H₂O（约25千帕）范围。在于100in/H₂O处，仍然有足够的信号以提供足够性能。然而，在本发明的增加的电容的情况下，由于可用的额外信号，变送器可以范围下降到例如50in/H₂O（约12.5千帕）。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变，并且等同物可以代替其元件。此外，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导，而没有脱离其实质范围。因此，期望本发明不局限于披露的特定的实施例，而是本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (34)

1.一种用于测量过程流体的压力的压力变送器，所述压力变送器包括：

变送器壳体；

压力传感器，用于感测过程流体的压力，所述压力传感器设置在所述变送器壳体内；

液压中继系统，包括：

第一隔离膜片，定位在变送器壳体的外部；和

第一隔离管，从压力传感器延伸到第一隔离膜片；

第一铁磁流体，定位在第一隔离管中，用于将第一隔离膜片处的过程流体的压力的变化传送到传感器；以及

变送器电子元件，定位在变送器壳体内，变送器电子元件被配置为接收和调节来自压力传感器的压力信号。

2.根据权利要求1所述的压力变送器，其中：第一铁磁流体包括：

载体流体；和

第一体积的铁磁颗粒，悬浮在载体流体内，用于改变压力传感器填充流体的属性。

3.根据权利要求2所述的压力变送器，其中：铁磁颗粒涂覆有表面活性剂以防止结块。

4.根据权利要求2所述的压力变送器，其中：载体流体选自矿物油和硅酮油组成的组中。

5.根据权利要求2所述的压力变送器，其中：铁磁颗粒选自Fe₃O₄、αFe₂O₃、磁铁矿和磁赤铁矿组成的组中。

6.根据权利要求2所述的压力变送器，其中：铁磁颗粒增加载体流体的介电常数。

7.根据权利要求2所述的压力变送器，其中：所述铁磁流体包括悬浮在载体流体内从而形成顺磁流体的铁磁颗粒的胶体溶液。

8.根据权利要求1所述的压力变送器，其中：液压中继系统进一步包括：

第二隔离膜片，定位在变送器壳体的外部；

第二隔离管，从压力传感器延伸到所述第二隔离膜片；以及

第二铁磁流体，设置在第二隔离管内，第二铁磁流体具有与第一铁磁流体不同的铁磁颗粒浓度。

9.根据权利要求1所述的压力变送器，进一步包括：

电磁铁，在适当位置耦合到压力变送器以便能够施加磁场到液压中继系统。

10.根据权利要求9所述的压力变送器，其中：电磁铁包括：

铁磁性芯，围绕第一隔离管缠绕；和

导电线圈，围绕铁磁性芯缠绕并且电耦合到变送器电路。

11.根据权利要求10所述的压力变送器，进一步包括：

围绕导电线圈缠绕的磁屏蔽。

12.根据权利要求1所述的压力变送器，其中：所述变送器壳体包括铁磁材料，以便对第一铁磁流体提供磁屏蔽。

13.根据权利要求1所述的压力变送器，其中：压力传感器包括基于电容的压力传感器。

14.一种用于诊断在工业过程变送器中压力传感器的性能的方法，所述方法包括步骤：

通过具有铁磁流体的液压系统施加流体压力到压力传感器以产生表示被检测到的压力的压力信号；

施加磁场到铁磁流体，以引起压力传感器的电容变化；

监测压力传感器的压力信号输出响应于磁场的施加的变化；和

基于压力信号输出和磁场诊断工业过程变送器的性能。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括步骤：比较磁场的磁场强度与压力信号输出的阶跃增加的大小。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括步骤：

基于比较磁场强度与压力信号输出的阶跃增加的大小产生诊断信号；以及

在连接到变送器内的电路的控制回路上通信诊断信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：所述诊断信号与存储在变送器中的预定的数据进行比较。

18.根据权利要求14所述的方法，其中：所述的诊断压力传感器的性能的步骤包括：检查压力传感器的校准。

19.根据权利要求14所述的方法，其中：施加磁场到铁磁流体的步骤包括：

靠近铁磁流体放置永磁体。

20.根据权利要求14所述的方法，其中：施加磁场到铁磁流体的步骤包括：

传送来自变送器电子元件的功率输入到耦合到液压系统的电磁铁。

21.根据权利要求20所述的方法，其中：诊断压力传感器的性能的步骤包括：比较功率输入与压力信号输出。

22.根据权利要求14所述的方法，其中：施加磁场到铁磁流体的步骤还包括改变磁场的场强。

23.根据权利要求14所述的方法，其中：施加磁场到铁磁流体的步骤还包括在铁磁流体内产生影响压力信号输出的压力脉冲。

24.根据权利要求23所述的方法，其中：通过比较响应于压力脉冲的压力信号输出的预期变化与压力信号输出的实际响应产生诊断测试结果。

25.根据权利要求24所述的方法，其中：诊断工业过程变送器的性能的步骤包括在磁场不产生压力信号输出的变化或产生能够忽略不计的压力信号输出的变化时，确定在填充流体中存在空气或气体、隔离膜片破裂、填充流体不足或过程连接断开。

26.根据权利要求24所述的方法，其中：所述诊断的工业过程变送器的性能的步骤包括：在压力信号输出的实际响应大于压力信号输出的预期变化时确定过程连接堵塞。

27.根据权利要求24所述的方法，其中：所述诊断工业过程变送器的性能的步骤包括：在压力信号输出的实际响应小于压力信号输出的预期变化时，确定传感器膜片损坏。

28.一种压力传感器，包括：

单元体，所述单元体包括：

内部空腔；

传感膜片，设置在所述内部空腔的内部以将内部空腔划分成第一腔室和第二腔室；

第一内表面，在第一腔室内，面向传感膜片；以及

第二内表面，在第二腔室内，面向传感膜片；

第一电极，设置在第一内表面上，以与传感膜片形成第一电容器；

第二电极，设置在第二内表面上，以与传感膜片形成第二电容器；以及

填充流体，设置在所述第一腔室和第二腔室内，所述填充流体包括：

载体流体；和

一定体积的铁磁颗粒，悬浮在载体流体内，用于改变压力传感器填充流体的属性。

29.根据权利要求28所述的压力传感器，其中：

载体流体选自矿物油和硅酮油组成的组中；

铁磁颗粒选自Fe3O4、αFe2O3、磁铁矿和磁赤铁矿组成的组中；

其中：所述铁磁颗粒涂覆油酸表面活性剂，以防止结块。

30.根据权利要求28所述的压力传感器，进一步包括：

第一引线，从第一电极延伸到单元体的外部；

第二引线，从第二电极延伸到单元体的外部；

第一绝缘体，定位在所述第一腔室内，以包括第一内部表面；

第二绝缘体，定位在所述第二腔室内，以包括第二内部表面；

第一隔离管，具有连接到第一腔室的第一端和打开到单元体的外部的第二端；以及

第二隔离管，具有连接到第二腔室的第一端和打开到单元体的外部的第二端；

其中，填充流体包括：

第一铁磁流体，设置在第一隔离管中；和

第二铁磁流体，设置在第二隔离管中。

31.根据权利要求30所述的压力传感器，其中：所述第二铁磁流体具有与第一铁磁流体不同的介电常数。

32.根据权利要求30所述的压力传感器，还包括：

第一电磁铁，磁靠近第一隔离管；和

第二电磁铁，磁靠近第二隔离管。

33.根据权利要求32所述的压力传感器，其中：第一电磁铁和第二电磁铁每一个都包括：

铁磁芯层，围绕隔离管缠绕；和

导电线圈，围绕铁磁芯层缠绕。

34.根据权利要求32所述的压力传感器，包括：

磁屏蔽，保护第一电磁铁和第二电磁铁免受外部磁场。

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