CN103512630B - 具有压力传感器的压差变送器 - Google Patents

具有压力传感器的压差变送器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，包括：被配置为连接到第一过程压力的第一入口和被配置为连接到第二过程压力的第二入口。压差传感器连接到第一和第二入口并且提供与第一和第二过程压力之间的压差相关的输出。第一压力传感器连接到第一入口并且提供与第一过程压力相关的输出。变送器电路基于来自压差传感器的输出提供变送器输出，并且基于来自第一压力传感器的输出进一步地提供增强的功能性。

Description

具有压力传感器的压差变送器
技术领域
本发明涉及在工业生产过程中的过程流体的压力的测量。更具体地说，本发明涉及在压差变送器中测量管线压力。
背景技术
工业过程用在很多类型的材料的制造和运输中。在这种系统中，往往需要测量过程内的不同类型的压力。经常测量的一类压力是差压，其是在过程中的一个点与过程中的另一个点之间的压力差。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速相关。压差也可以例如用来测量槽或其它容器中的过程流体的高度。
在这样的工业过程中，压力传感器通常包含在压力变送器中或连接到压力变送器，压力变送器位于远程位置并且将压力相关的信息向回传递到诸如控制室的中央位置。所述传递经常在过程控制回路上进行。例如，经常使用二线式过程控制回路，其中两条线用来载送信息以及功率到变送器。也可以使用无线通信技术。
变送器技术的进步已经增加可以由变送器产生的信息量。特别地，变送器器可以配备有多种传感器，以测量多个过程变量输入或单个过程变量的更广范围。例如，变送器可以设置有多个压力传感器，如Broden等的美国专利No.5,495,769、Rud，Jr.的美国专利No.6,047,244和Schulte等的美国专利No.7,467,555中描述的那样，所有这些专利都被转让给明尼苏达州Chanhassen市的罗斯蒙德公司。
在许多过程装置中，除了测量压差，还期望测量过程的绝对压力或表压(也简称为“管线压力”)。该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的变化而提供更精确的流量测量。可以使用单独的压力传感器进行额外的压力测量。
发明内容
本发明公开一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，包括：被配置为连接到第一过程压力的第一入口和被配置为连接到第二过程压力的第二入口。压差传感器连接到第一入口和第二入口并且提供与第一过程压力和第二过程压力之间的压差相关的输出。第一压力传感器连接到第一入口并且提供与第一过程压力相关的输出。变送器电路基于来自压差传感器的输出提供变送器输出，并且基于来自第一压力传感器的输出进一步地提供增强的功能性。
附图说明
图1显示具有根据本发明构造的过程变送器的过程测量系统。
图2是图1的过程变送器的简化框图。
图3A是图1的过程变送器的示意侧视图，和图3B是旋转90度的传感器模块的侧视剖视图。
图4是管线压力传感器的剖视图。
图5是图3的压力传感器模块的底部平面图。
图6是被配置为连接到图5的压力传感器模块的法兰的顶部平面图。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明提供用于使用至少一个管线压力传感器提供增强功能到压差测量变送器的装置和方法。更具体地说，在一个方面中，本发明包括管线压力传感器，管线压力传感器直接地连接到过程压力，用于进行诊断或提供其它功能。压力传感器通过连接到过程流体的直接连接通道直接地连接到过程流体。该通道可以位于用来连接压力变送器到过程流体的法兰中，或者可替换地，该通道可以形成在压力变送器本身中。
图1大体显示过程测量系统32的环境。图1显示包括加压流体的过程管道30。过程测量系统32包括脉冲管道34，脉冲管道34将过程管道30连接到过程压力变送器36。诸如孔板、文丘里管、流动喷嘴等之类的主元件33在脉冲管道34的管道之间的过程管道30中的位置处接触过程流体。在流体流动通过主元件33时，主元件33引起流体压力变化，该压力变化由变送器36检测并且与流速相关。
过程控制回路38可以从控制室40提供电力到变送器36和提供双向通信，并且可以按照过程通信协议操作。在图示的示例中，过程环路38是二线式回路。在使用4-20mA信号的正常操作期间，二线式回路用于传输全部电力和所有通信到变送器36，和传输来自变送器36的所有通信。控制室40包括电源46和串联电阻44。在另一个示例配置中，回路38是无线连接，其中可以在点到点配置、网状网络或其中变送器36具有其自已的电源的其它配置中无线地传输和/或接收数据。
图2是说明压力变送器36的简化框图。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包括压差传感器56，压差传感器56接收过程流体的压力P1和P2，并且提供与压差有关的输出58到模数转换器62。还图示的是可选温度传感器63以及传感器模块存储器64。电子元件板72包括微计算机系统或微处理器74、电子模块存储器76、数模信号转换器78和数字通信装置80。
还在图2中显示的是用于将压差传感器56连接(couple)到过程流体54的毛细管或“填充”管93和94。隔离膜片90接收来自过程流体的压力P1和P2，压力P1和P2响应地施加至在毛细管93和94中运载的填充流体。通过这种填充流体，过程流体的压力施加至压差传感器56。
根据图示的实施例，管线压力传感器304A和304B直接地、分别连接到压力P1和P2，并且提供与压力相关的输出至模数转换电路62。微处理器系统74可以监测管线压力P1和P2。压力传感器304A和304B可以根据已知技术操作，这些已知技术包括压力测量技术，其中在传感器304A和304B的电容变化、电阻变化、共振频率变化等。下文将详细讨论一个具体的配置。
图3A示意地显示具有传感器模块52和变送器电子模块136的压力变送器36的一个实施例。传感器模块52包括壳体54，设置在壳体54中的是电子元件60、压差传感器56、隔离或填充管93和94以及隔离膜片90。传感器模块52还包括管线压力传感器304A和304B(未在图3A中显示)。变送器电子模块136包括壳体164、输出接口170和电子元件板72。
在图示的实施例中，传感器56是基于电容的压差传感器，该压差传感器具有设置在一对电极板之间的传感膜片。使用隔离管93和94通过基底54将传感器56连接到压力P1和P2，在隔离管93和94中设置液压填充流体。隔离膜片90将隔离管93和94内的填充流体与过程流体隔离，但是在其间传递压力P1和P2。过程流体的压力P1和P2的变化由传感器56检测为压差AP。本发明不仅限于这种压差测量配置。
根据此实施例，传感器模块52包括管线压力传感器304A，管线压力传感器304A被支承在模块52的主体内。此外，图3B是关于图3A旋转90°的传感器模块52的剖视图。在图3B中，两个传感器304A和304B都是可见的。在图3A中，传感器304A被支承在模块52中的腔中，该腔由次级压力密封件300密封。还显示了压力馈通装置(pressure feed through)302。压力馈通装置302将传感器304A支撑在腔中。在图3A和3B的配置中，压力传感器304A和304B被配置为通过直接联接器或端口296、298直接地暴露到过程流体。在一些配置中，第二压力传感器304B被设置为用于连接到第二压力。压力传感器304A、304B连接到变送器的电子电路60。
图3A还显示用于将变送器36连接到过程流体的法兰380。以下关于图6更详细地描述法兰380，法兰380包括多个压力入口386，压力入口386被定位为通过主压力(或压差)出口387将过程压力P1和P2施加到多个膜片90。此外，法兰380包括次级压力出口396和398(参见图6)，次级压力出口396和398用于分别地通过直接连接通道400和402将压力P1和P2直接地连接到传感器304A和304B。
在所描述的实施例中，管线压力传感器304A和304B是基于电容的绝对压力传感器。在一个配置中，传感器304A和304B如在Sittler等的美国专利No.6,484,585和一系列相关的专利(全部让与明尼苏达州Chanhassen市的罗斯蒙德公司)中描述那样进行操作。这种传感器包括使用具有较高的压缩强度的脆性传感材料的技术。一种合适的脆性材料是蓝宝石。为提供增强功能到变送器，由压力传感器304A和304B检测的压力P1和P2可以相互比较以产生表示压差ΔP的信号，该压差ΔP的信号可以用于代替由传感器56检测到的压差ΔP或者用于与由传感器56检测到的压差ΔP进行。来自传感器304A和304B的输出之间的差异也可以用来确定大的压差、执行诊断、为传感器56提供校准或者提供其它功能。传感器56、304A和304B因此可以用在各种各样的场景以检测管线压力和压差，并且提供增强功能到变送器。
图4是管线压力传感器304的一个示例的侧剖视图。在图4的示例中，管线压力传感器304由两个蓝宝石基板220和222形成，两个蓝宝石基板220和222粘合在一起并且在其间形成真空腔224。真空腔224包括两个电容板(未显示)，两个电容板连接到电连接导线226。电连接导线226连接到传感器板156中的电路。提供铜焊带230并且铜焊带230用于将传感器304连接到壳体。
返回参考图2，来自压力传感器56、304A和304B的传感器信号由变送器36中电路接收。该电路包括，例如，在传感器模块52中或在电子元件板72上的电路。例如，微处理器电路74可以处理管线压力信号以提供增强的功能性到变送器36。这种增强的功能性包括诊断、扩展的测量范围、冗余的传感器测量、校准、诸如质量流量比之类的附加过程变量的计算等。
附加的压力传感器304A、304B可以用于延伸设备能够检测压力的范围。例如，管线压力传感器304A和304B可以用于在当压差超过压力传感器56的上限范围限时的情况中确定过程流体的压差。虽然这种配置可能使压差测量的精确度降低，但在某些情况下，为了提供增加的测量范围，这种折衷是可以接受的。
传感器304A、304B可以用来使得能够进行用于提供传感器诊断的冗余压差测量。使用管线压力传感器304A和304B测量的压差可以与使用压差传感器56测量的压差进行比较。微处理器74利用这两种测量之间的差来确定故障传感器。
在一个配置中，如果压差传感器56已经出现故障或正在提供不准确的测量，压力传感器304A和304B用来提供压差测量。这种配置允许变送器36以精度降低的受限(或“跛行”)模式运行，直到故障的设备可以被修理或更换。如果微处理器系统74检测到传感器56已经出现故障，则微处理器74可以基于来自传感器304A和304B的输出计算压差。因为传感器304A、304B直接地连接到过程流体，因此即使隔离膜片90或管93、94中的一个出现故障，传感器304A、304B也可以继续操作。还可以提供诊断信息，如指示由于变送器正以“跛行”模式运行使得所传输的过程变量具有降低的精度的信息。这种配置允许工业过程继续运行，或许以降低的能力运行，直到可以进行维修。
在另一个配置中，由微处理器系统74基于由压差传感器56测得的压差对传感器304A、304B进行诊断。在正常操作期间，由压力传感器304A、304B中的一个测量的压力应该大致等于由其它管线压力传感器304A、304B测量的压力和由压差传感器56测量的压差之间的总和或者差异。同样地，传感器304A，304B可用于识别脉冲管道的堵塞或故障的主元件。
在描述的实施例中，两种不同类型的传感器的使用也可以用来提供具有不同频率响应的传感器。例如，用在压差传感器56中的金属膜片作为低通滤波器操作，该低通滤波器往往过滤出施加到传感器56的压力中的较高频率的过程噪声。另一方面，基于蓝宝石的管线压力传感器304A、304B具有较高的频率响应，并且能够提供更快的测量。这种高的频率响应可以用于测量在压差传感器56的两侧的噪声信号。这可以用来提供增强的过程统计或诊断，如确定在这个过程中的堵塞的脉冲管道或其它故障部件。管线压力信号也可用于校准压差传感器56，以及用来补偿压差测量值的由高的管线压力引起的任何变化。例如，上面所述的压力传感器304A和304B的配置在延长的时间周期内提供相对稳定的测量。由于传感器304A和304B相对稳定，它们的测量结果可用于校准由压力传感器56所提供的测量的偏差。因此，可以由微处理器74进行校准。在另一个示例中，由管线压力传感器304A和304B提供的附加的压力测量可以通过微处理器74提供管线压力补偿到压差传感器56的压力测量值。在一个配置中，两个绝对或管线压力传感器测量的使用可以用于更准确地补偿压差测量的变化。可以基于存储在图2中的存储器76中的校准信息在微处理器74中执行补偿算法。
在一个配置中，管线压力传感器304A和304B具有约5000psi的上限范围。由于在此描述的管线压力传感器304A、304B基于电容变化操作，测量系统的各种操作和组成部件可以与压差传感器56共享，如在图2中显示的温度传感器63，温度传感器63也可以基于电容变化操作。在一个实施例中，温度传感器(未显示)设置在传感器304A和/或304B内。这可以用来补偿在压力测量中的温度变化。此外，参考电容器(未显示)可以被实现在传感器304A和/或304B中，以进一步提高绝对压力测量的精度。
图5是传感器模块52的底部平面图，并且图示直接压力联接器(directpressurecoupling)或端口296和298。直接压力联接器或端口296、298连接到模块52中的多个腔，所述多个腔承载传感器304A、304B并且包括O型环或其他类型的密封件。压力模块52的底面包括螺栓孔320，螺栓孔320被构造为连接到法兰380(如图6所示)。附加的螺纹孔322图示用于连接到法兰。联接器296和298用于连接到压力P1和P2。
根据一个实施例，图6是法兰380的顶部平面图，法兰380被配置为安装到在图5中显示的传感器模块52的底面。法兰380包括螺栓孔382，螺栓孔382被构造为安装到在图5中显示的螺栓孔320。同样地，孔384定位为与在图5中显示的螺纹孔322安装在一起。压力入口386被定位为施加过程压力到在图5中显示的膜片90。此外，法兰380包括压力次级出口396和398，压力次级出口396和398被构造为连接至在图5中显示的直接压力联接器296和298。内部直接连接通道400和402将出口396和398分别地连接到压力端口296、298。
在本发明中，绝对压力传感器被布置为直接地测量过程压力，而没有中间膜片或填充流体。因此，如果膜片出现故障，绝对压力传感器也能够继续操作。在上面的示例中，直接连接通道形成在法兰中。然而，在另一个示例配置中，直接连接通道形成在传感器模块52中，并且从靠近膜片90的位置延伸到承载传感器304A和304B的腔。
虽然已经参照优选实施例描述本发明，本领域技术人员将认识到，在没有背离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上可以有改变。管线压力传感器可以以任何适当的方式连接到P1和P2，并不仅限于在此显示的配置。上述各种功能可以使用任何适当的电路实现，并且这些功能性的实现可以在部件之间分享，并且使用相同或单独的电路实现。如在本文中使用的那样，“变送器电路”是指变送器36内的任何电路。如在本文中使用的那样，“增强的功能性”包括系统诊断、部件诊断、过程诊断、变送器诊断、传感器诊断、扩展的操作范围、部件的校准、统计过程测量和在部件发生故障的情况下的受限的设备操作。采用本发明，至少一个绝对压力传感器连接到压力变送器中的过程压力。附加的压力传感器通过开口直接地连接到过程压力，该开口用于将压差传感器连接到过程流体。在一个配置中设置有膜片，通过将隔离流体密封在将过程流体压力传递到压差传感器的该膜片的一侧上，该膜片将过程流体与压差传感器隔开。在这种配置中，附加的压力传感器可以直接地连接到在隔离膜片的暴露到过程流体的一侧的过程流体。在这样的配置，附加的传感器连接至该膜片的过程流体侧的过程流体。在此配置中，附加的传感器直接地暴露到过程流体。

Claims (19)

1.一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，包括：
被配置为连接到第一过程压力的第一通道的第一入口和被配置为连接到第二过程压力的第二通道的第二入口；
连接到第一入口和第二入口的压差传感器，该压差传感器具有与第一过程压力和第二过程压力之间的压差相关的输出；
连接到第一入口的第一压力传感器，第一压力传感器具有与第一过程压力相关的输出，其中第一压力传感器直接地连接到过程流体；和
变送器电路，该变送器电路被配置为基于来自压差传感器的输出提供变送器输出，并且基于来自第一压力传感器的输出进一步地提供增强的功能性，和
第一隔离膜片和第二隔离膜片，所述第一隔离膜片和第二隔离膜片将在第一入口和第二入口处的过程流体与压差传感器隔开，由此过程流体和所述第一压力传感器位于第一通道中的所述隔离膜片的第一侧，并且填充流体位于所述隔离膜片的第二侧，并且填充流体将第一过程压力和第二过程压力传递到压差传感器。
2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：第一压力传感器包括脆性材料，该脆性材料具有形成在该脆性材料中的腔，并且其中，来自第一压力传感器的输出与所述腔的变形相关。
3.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：该过程变量变送器被配置为基于来自第一压力传感器的输出计算压差。
4.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中第一压力传感器具有大于压差传感器的频率响应的频率响应。
5.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：所述增强的功能性包括检测堵塞的脉冲管道。
6.根据权利要求1所述的过程变量变送器，该过程变量变送器还包括第二压力传感器，该第二压力传感器连接到第二入口并且具有与第二过程压力相关的输出，其中，所述第二压力传感器直接连接到过程流体，并且其中第二压力传感器具有不同于压差传感器的频率响应的频率响应。
7.根据权利要求6所述的过程变量变送器，其中：所述增强的功能性包括基于来自第一压力传感器和第二压力传感器的输出校准压差传感器的操作。
8.根据权利要求6所述的过程变量变送器，其中：所述增强的功能性包括基于来自第一压力传感器和第二压力传感器的输出诊断压差传感器的操作。
9.根据权利要求1所述的过程变量变送器，该过程变量变送器还包括法兰，其中该法兰包括第一入口和第二入口的至少一部分并且还包括将第一压力传感器连接到第一入口的直接连接通道。
10.根据权利要求1所述的过程变量变送器，该过程变量变送器还包括位于该过程变量变送器的主体内的、在第一压力传感器和第一入口之间的直接连接通道。
11.一种在过程变量变送器中测量过程流体的压力的方法，包括下述步骤：
将包括第一隔离膜片的第一通道连接到第一过程压力；
将包括第二隔离膜片的第二通道连接到第二过程压力；
使用过程变量变送器中的连接至第一通道和第二通道的压差传感器检测第一过程压力和第二过程压力之间的压差；
使用直接地连接到第一通道中的过程流体的第一压力传感器检测第一过程压力；
提供与由压差传感器检测的压差相关的变送器输出；以及
基于来自第一压力传感器的输出为过程变量变送器提供增强的功能性，
其中所述第一隔离膜片和第二隔离膜片将在第一通道和第二通道处的过程流体与压差传感器隔开，由此过程流体和所述第一压力传感器位于第一通道中的所述隔离膜片的第一侧，并且填充流体位于所述隔离膜片的第二侧，并且填充流体将第一过程压力和第二过程压力传递到压差传感器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：第一压力传感器包括脆性材料，该脆性材料具有形成在该脆性材料中的腔，并且其中，来自第一压力传感器的输出与所述腔的变形相关。
13.根据权利要求11所述的方法，包括下述步骤：使用第二压力传感器检测第二过程压力，以及基于来自第一压力传感器和第二压力传感器的输出计算压差，其中，所述第二压力传感器直接连接到过程流体，并且其中第二压力传感器具有不同于压差传感器的频率响应的频率响应。
14.根据权利要求11所述的方法，包括基于检测到的第一过程压力检测管线堵塞的步骤。
15.根据权利要求11所述的方法，包括基于检测到的第一过程压力诊断压差传感器的操作的步骤。
16.根据权利要求11所述的方法，包括基于检测到的第一过程压力校准压差传感器的步骤。
17.根据权利要求11所述的方法，其中第一通道和第二通道形成在法兰中。
18.一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，包括：
被配置为连接到第一过程压力的第一隔离膜片和被配置为连接到第二过程压力的第二隔离膜片；
压差传感器，该压差传感器通过填充流体连接到第一隔离膜片和第二隔离膜片，该压差传感器具有与第一过程压力和第二过程压力之间的压差相关的输出；
第一压力传感器，该第一压力传感器直接地连接到过程流体，具有与第一过程压力相关的输出；
变送器电路，该变送器电路被配置为基于来自压差传感器的输出和来自第一压力传感器的输出提供变送器输出；和
法兰，该法兰具有第一入口和第二入口，所述第一入口将第一过程压力连接到第一隔离膜片，并且所述第二入口将第二过程压力连接到第二隔离膜片，该法兰还包括将第一入口连接到第一压力传感器的第一内部通道，
其中第一压力传感器包括脆性材料，该脆性材料具有形成在该脆性材料中的腔，并且其中，来自第一压力传感器的输出与所述腔的变形相关，并且
其中所述第一隔离膜片和第二隔离膜片将在第一入口和第二入口处的过程流体与压差传感器隔开，由此过程流体和所述第一压力传感器位于第一通道中的所述隔离膜片的第一侧，并且填充流体位于所述隔离膜片的第二侧，并且填充流体将第一过程压力和第二过程压力传递到压差传感器。
19.根据权利要求18所述的过程变量变送器，其中所述法兰包括将第二入口连接到设置在过程变量变送器内的第二压力传感器的第二内部通道，其中，所述第二压力传感器直接连接到过程流体，并且其中第二压力传感器具有不同于压差传感器的频率响应的频率响应。
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