CN104949794A - 针对隔膜压力传感器的跨度线压效应补偿 - Google Patents

Abstract

一种用于感测过程流体的差压的差压传感器，包括：传感器主体，其中形成有具有空腔轮廓的传感器空腔。所述传感器空腔中的隔膜响应于所施加的差压而弯曲。所述隔膜具有隔膜轮廓。在所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓之间形成的间隙根据所述差压而改变。所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓中至少一个根据线压而改变，以补偿由于源于所述线压的所述传感器主体的形变而造成的所述间隙的改变。

Description

针对隔膜压力传感器的跨度线压效应补偿

技术领域

本发明涉及用于测量过程流体的压力的类型的压力传感器。更具体地，本发明涉及补偿由于线压造成的差压测量中的不准确。

背景技术

在过程监视和控制系统中使用变送器，以测量工业过程的各种过程变量。一种类型的变送器测量过程中的过程流体的压力。在这种变送器中使用的压力传感器中已采用了各种技术。一个众所周知的电容式测量技术是使用可弯曲隔膜。在隔膜形成电容器的电容板之一且通常连接到传感器主体的另一固定电极形成第二电容器板的情况下，测量两个相对面之间的电容。随着隔膜由于所施加的压力而弯曲，测量到的电容发生改变。在这种配置下，存在导致压力测量中不准确性的大量来源。

在2011年10月2日向Frick等人授权的题为“PROCESSPRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERRORCOMPENSATION”的美国专利No.6,295,875中阐述了解决这些不准确性的一种技术，该专利以全文引用的方式并入本文中。该专利描述了用于降低测量不准确性的包括附加电极在内的差压传感器。然而，在一些实例中，对压力传感器施加的线压可以在所测量的差压中引入不准确性。

发明内容

一种用于感测过程流体的差压的差压传感器，包括传感器主体，其中形成有具有空腔轮廓的传感器空腔。所述传感器空腔中的隔膜响应于所施加的差压而弯曲。所述隔膜具有隔膜轮廓。在所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓之间形成的间隙根据所述差压而改变。所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓中至少一个根据线压而改变，以补偿由于源于所述线压的所述传感器主体的形变而造成的所述间隙的改变。

附图说明

图1示出了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的变送器的示意图。

图3示出了图1的过程变送器的一部分的横截面图。

图4A、4B和4C是隔膜和传感器间隙的侧横截面图，其示出了差压的施加和平行板位移(图4C)。

图5是示出了线压对压力传感器主体的效应的横截面图。

图6和8是示出了在施加的线压的情况下隔膜的表面改变的图。

图7是示出了在施加的线压的情况下压力传感器的空腔轮廓中的改变的图。

图9是示出了在施加的线压的情况下隔膜表面改变和空腔形状改变的组合效应的图。

图10是示出了包括具有内部空腔的隔膜在内的压力传感器的侧横截面图。

图11是图10的隔膜的放大横截面图。

图12是图10的隔膜的顶部平面视图。

图13A和13B示出了线压的施加及其对隔膜形状的效应。

图14是示出了在具有线压的情况下空腔形状改变的组合效应的图。

图15是在传感器主体中包括空腔的压力传感器的另一实施例的侧横截面图。

图16A和16B是示出了所施加的线压对传感器半单元(half cell)的形状的效应的压力传感器的半单元的横截面图。

具体实施方式

如背景技术节中讨论的，用于测量差压的一种技术是测量隔膜的弯曲。在压力传感器主体中承载隔膜。然而，对传感器主体所施加的绝压(absolute pressure)或表压(gauge pressure)(本文中称为“线压(line pressure)”)可以引起传感器主体的形变，并导致所测量的差压的不准确。本发明提供了传感器配置，该传感器配置对传感器主体的形状的这些改变进行补偿，以由此减低这种线压不准确性。

图1总体上示出了过程测量系统32的环境。图1示出了包含处于压力下的流体的过程管线30，其耦合到用于测量过程压力的过程测量系统32。过程测量系统32包括连接到管线30的引压管线34。引压管线34连接到过程压力变送器36。初级元件33(例如，孔板、文氏管、流量喷嘴等)在引压管线34的管道之间的过程管线30中的位置上接触过程流体。随着流体经过初级元件33，初级元件33在流体中引起压力改变。

变送器36是通过引压管线34接收过程压力的过程测量设备。变送器36感测过程差压并将其转换为取决于过程压力的标准化传输信号。

过程控制环路38既从控制室40向变送器36提供功率信号，也提供双向通信，且过程控制环路38可以根据多种过程通信协议来构造。在所示示例中，过程环路38是两线环路。两线环路用于使用4～20mA信号在正常操作期间发送全部功率并与变送器36双向通信。计算机42或通过网络接口44的其它信息处理系统用于与变送器36通信。远程电压电源46向变送器36供电。除了上述环路配置之外，过程控制环路38还可以包括任何恰当的过程控制环路。示例包括通信协议(在通信协议中，将数字信息调制到4～20mA电流上)、基金会现场总线(Foundation Fieldbus)或Profibus通信协议等。过程控制环路18还可以使用无线通信技术来实现。无线通信技术的一个示例是符合IEC 62591的Wireless通信协议。还可以使用其他技术，包括那些使用以太网或光纤实现的技术。

图2是压力变送器36的简化框图。压力变送器36包括通过数据总线66耦合在一起的传感器模块52和电子装置板72。传感器模块电子装置60耦合到压力传感器56，压力传感器56接收所施加的差压54。数据连接58将传感器56耦合到模数转换器62。可选的温度传感器63也连同传感器模块存储器64一起示出。电子装置板72包括微计算机系统74、电子装置存储器模块76、数模信号转换78和数字通信块80。根据在Frick等人的美国专利No.6,295,875中阐述的技术，压力变送器36测量差压。然而，本发明不限于这种配置。

图3是示出了压力传感器56的传感器模块52的一个实施例的简化横截面图。压力传感器56通过隔离隔膜90耦合到过程流体，隔离隔膜90将过程流体与空腔92相隔离。空腔92通过引压管线94耦合到压力传感器模块56。实质上不可压缩的填充流体填充了空腔92和引压管线94。当向隔膜90施加来自过程流体的压力时，该压力转移到压力传感器56。

压力传感器56是由两个压力传感器半部分114和116形成的，并优选地填充有易碎的、实质上不可压缩且电子绝缘的材料105。在传感器56中形成的空腔132、134中悬挂隔膜106。空腔132、134的外壁承载电极146、144、148和150。一般可以将它们称为初级电极或主电极144和148以及次级电极146和150。这些电极相对于可移动隔膜106形成了电容器。同样，可以将这些电容器称为初级电容器或主电容器和次级电容器或环电容器。

如图3所示，传感器56中的各电极通过电连接103、104、108和110耦合到模数转换器62。此外，可弯曲隔膜106通过连接109耦合到模数转换器62。如美国专利N.6,295,875中讨论的，可以使用电极144～150来测量对传感器56施加的差压。如本文所使用的，由传感器半部分114、116来形成“传感器主体”。由区域132和134来形成“传感器空腔”。术语“空腔轮廓”指的是空腔132或134的形状。在图3所示的具体配置中，在空腔轮廓上承载电极144、146、148和150。术语“隔膜轮廓”指的是隔膜106的形状。术语“间隙”指的是在隔膜轮廓上的点和在空腔轮廓上的点之间的距离。注意到：由于空腔轮廓的曲率、隔膜106的任何弯曲、以及由于传感器主体114、116的形变所引起的空腔轮廓的形状的任何形变，该间隙的大小沿径向改变。

在基于电容的压力传感器中，由于空腔在施加线压时膨胀，因此出现跨度线压不准确性。空腔大小的该增加降低了传感器的有效跨度，产生线压不准确性。作为后果，基于电容的传感器，特别是那些并入了自由边缘隔膜的传感器，承受了无补偿的跨度线压效应。

为了理解在自由边缘隔膜电容传感器中可以如何校正跨度线压不准确性，以下讨论简要地回顾图3所示的传感器(并入了环电极)在各种压力情况下如何工作。考虑具有与所施加的差压(DP)成比例的输出的转移函数(表示为T_f)，该差压(DP)取决于在主电极所处的空腔中心处的间隙改变(δX_main)和在环电极所处的外半径处的间隙改变(δX_ring)之间的差。图4A和4B示出了主间隙和环间隙如何随施加的DP而变化。注意到：只要单元空腔曲率与在DP下的隔膜曲率服从相同形状，则在环间隙和主间隙中的分数改变(fractional change)将缩放，即它们相等。然而，它们的绝对值是不同的，这就是如何进行DP测量。

更详细地，考虑图4A，其示出了在没有施加压力的情况下的隔膜。由于环弯曲和主弯曲为零，转移函数也将为零。接下来，考虑图4B所示的情况，其中，对隔膜施加差压。此处，隔膜以抛物线形状发生弯曲。由于在主位置和环位置处的绝对弯曲不同，转移函数输出将为非零，且具有与所施加的DP压力成正比的值。

现在考虑图4C所示的情况，其中，隔膜具有在电容感测区域上的平坦偏移，使得在中心位置和环位置上测量的间隙位移相同。因此，对于上面讨论的转移函数，输出将不改变。换言之，只要间隙位移在主电极和环电极上相同，转移函数T_f就是不变的。截至目前为止，该类型的弯曲将被称为“平行板”位移。

可以证明由公式1定义的以下转移具有上述转移函数T_f的期望属性，即，其对差压进行响应，但是其对于相等的环间隙位移和主间隙位移是不变的。关于电容值，其如下定义：

$T_f\≡\frac{(C_{\mathrm{main}}^L-A_L{C}_{\mathrm{ring}}^L)-(C_{\mathrm{main}}^H-A_H{C}_{\mathrm{ring}}^H)}{(C_{\mathrm{main}}^L-A_L{C}_{\mathrm{ring}}^L)+(C_{\mathrm{main}}^H-A_H{C}_{\mathrm{ring}}^H)}$         公式1

在公式1中，L和H分别指代低压力侧和高压力侧，且A是被选择满足上述期望的不变属性的增益因子。即，只要主电极位置和环电极位置上的间隙改变具有相同的量值，其量值被选择为使得主有效电容改变等于环电容改变乘以固定的增益因子A。对于基于电容的传感器设计，问题在于空腔深度随着线压增加而增加，这倾向于降低跨度。特别在高线压时，该效应变得有问题。在数学上，取决于半径(r)的空腔深度遵循抛物线定律，

$X_{\mathrm{Cell}}\left(r\right)\≈X_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})$           公式2

其中，R_h是外空腔(铰点)半径且X₀是中心处的空腔深度。在中心处(半径＝0)，我们将用△X_o来表示随LP改变的空腔改变。然后可以如下描述取决于半径和LP的净空腔深度：

$X_{\mathrm{Cell}}(r,\mathrm{LP})\≈X_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})+\mathrm{\Δ}{X}_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})$               公式3

接下来，我们将用δ^c _LP来表示随半径和LP改变的间隙改变，并如下定义：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^C(r,\mathrm{LP})\≡\mathrm{\Δ}{X}_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})$           公式4

使得，可以将公式3改写为：

$X_{\mathrm{Cell}}(r,\mathrm{LP})\≈x_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^C(r,\mathrm{LP})$            公式5

对于正确设计的传感器单元主体，由δ^c _LP表示的空腔改变也将大致类似于抛物线来变化，且取决于r和LP。由于δ^c _LP的半径依赖性是抛物线，由线压所引起的空腔改变将表现为类似于DP改变。因此，转移函数不能将该LP改变与实际的DP改变相区分，且因此LP效应将引起输出中的不准确性。

现在将这点与由“平行板”偏移δ引起的空腔改变相对比，即

$X_{\mathrm{Cell}}\left(r\right)\≈X_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})+\mathrm{\δ}$           公式6

注意到：δ独立于r。从而，有可能从公式5中减去新的项，以消除δ^c _LP中的径向依赖性，使得净位移项独立于r；然而，其依然可以随LP变化而变化。

用8^c _LP来表示该期望函数，使得公式5变为：

$X_{\mathrm{Cell}}(r,\mathrm{LP})\≈X_0(1-\frac{r^2}{R_h^2})+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^C(r,\mathrm{LP})-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^D(r,\mathrm{LP})$       公式7

因此，我们寻找的恒等式具有以下形式：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^C(r,\mathrm{LP})-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^D(r,\mathrm{LP})\≡{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}\left(\mathrm{LP}\right)$          公式8

其中，δ_LP仅依赖于LP，且不依赖于半径r。

通过验证：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{LP}}^D(r,\mathrm{LP})=-\mathrm{\Δ}{X}_0{\left(\frac{r}{R_h}\right)}^2$          公式9

使得δ_LP简单地变为：

δ_LP(LP)＝ΔX₀             公式10

其满足期望要求(即，独立于r)。

以图形方式表示，如图6所示，δ^D _LP随半径r变化而变化。将8^D _LP从δ^C _LP中减去的组合效应产生了独立于半径的间隙有效改变，其仅随着LP的变化而变化。这在图7、8和9中示出。注意到单元空腔与隔膜中的组合改变如何得到空腔中不随半径变化而变化的净固定偏移。这意味着仅取决于间隙的电容改变将对于空腔内的任何位置都是相同的，且具体地，不管是主电极位置还是环电极位置。因此，修改后的传感器以将对于转移函数来说表现得好像平行板偏移之类的方式随LP的改变而改变，且因此将不改变。从而，这得到了对于LP效应来说不变的传感器。

可以通过任何期望配置来实现上面讨论的间隙轮廓中的期望改变。在特定示例实施例中，通过修改隔膜、传感器主体、或隔膜和传感器主体这二者来实现该改变。图10是根据本发明的一个示例实施例的包括隔膜106在内的传感器主体56的放大横截面图。图11是隔膜106的横截面图且图12是隔膜106的顶面平视图。隔膜106包括图11所示的隔膜形变空腔200。如图12所示，多个通气口202提供了去往隔膜106的隔膜形变空腔200的通气。通常这些通气口202被通气为大气压，然而本发明不限于这种配置。在该配置下，隔膜106被配置为随着施加线压而以抛物线方式改变形状。具体地，图13A是在不施加线压的情况下隔膜106的横截面图。然而，如图13B所示，随着施加线压，注意到：如虚线所示，与针对δ^D _LP要求的一样，在感测区域(即，主和环)上的弯曲如何符合期望抛物线形状。当将该隔膜与单位半部分组合时，空腔深度的组合改变将独立于半径，且将仅取决于环感测位置和主感测位置上的线压。这在图14中示出。因此，该修改后的隔膜106得到了在环电极位置和主电极位置处的相等的间隙改变。因此，如果与上面讨论的转移函数一起使用，则输出将变得独立于线压。

图15示出了本发明的另一示例实施例。在图15中，传感器56的主体114、116包括其中形成的传感器主体形变空腔210。它们通过通风口212耦合到外部压力。该压力可以例如是大气压，然而，本发明不限于该配置。在图15中，将隔膜106示出为标准自由边缘隔膜。

图16A示出了在不施加线压时传感器56的半单元114。如图16B所示，当施加线压时，传感器主体形变空腔210发生形变，使得随线压改变的间隙改变独立于半径。

上述配置允许大幅度降低差压测量中由于所施加的线压所引起的跨度不准确性。例如，在100psi的线压的情况下，增强的准确性可以容易地超过因子10。

传感器主体114、116和/或隔膜106的制作可以符合任何期望技术。一种特定制作技术包括使用3D打印技术，其包括对金属或绝缘材料的打印。3D打印技术允许根据需要来制作金属或绝缘结构中的空腔。

尽管已参考优选实施例来描述了本发明，本领域技术人员将认识到：可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。尽管特定空腔配置被示出为在隔膜和传感器主体中，也可以使用其他配置。空腔可以包括发生形变或以其他方式改变形状的材料，或可以包括气体或空气。可以采用任何数目的空腔或空腔配置。可以仅在传感器主体中、仅在隔膜中、或在传感器主体和隔膜这二者中使用空腔配置。尽管上面讨论了空腔，本发明包括以下传感器主体和/或隔膜：在该传感器主体和/或隔膜中，传感器主体/隔膜的刚性相对于半径以实现间隙轮廓相对独立于所施加的线压的方式变化。如本文所使用的，术语“空腔”包括这种配置。在各个方案中，本发明提供了具有沿径向变化的表面轮廓的隔膜，且在一个特定实施例中，以抛物线形状沿径向变化。在一个配置中，隔膜和/或传感器中的内部形变空腔一般沿径向方向放大。可以用金属、陶瓷、组合或其他材料来制作隔膜。一种特定制作技术包括使用3D打印技术。在另一方案中，本发明提供了其中形成有空腔的传感器主体。传感器主体的空腔轮廓沿径向变化，且在一个特定实施例中，以抛物线形状变化。在一个配置中，形变空腔的大小沿径向方向增加。传感器主体可以用金属、绝缘体、其组合或其他材料来形成。在特定配置中，使用3D打印技术来制作传感器主体。

Claims (21)

1.一种用于感测过程流体的差压的差压传感器，包括：

传感器主体，其中形成有具有空腔轮廓的传感器空腔；以及

所述传感器空腔中的隔膜，被配置为响应于所施加的差压而弯曲，所述隔膜具有隔膜轮廓，其中，在所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓之间形成的间隙根据所述差压而改变；

其中，所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓中至少一个根据线压而改变，以补偿由于所述线压而导致的所述传感器主体的形变所导致的所述间隙的改变。

2.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述传感器主体包括响应于所述线压而发生形变的传感器主体形变空腔。

3.根据权利要求2所述的差压传感器，包括：耦合到所述传感器主体形变空腔的至少一个通气口。

4.根据权利要求2所述的差压传感器，其中，所述传感器主体形变空腔是环形的。

5.根据权利要求2所述的差压传感器，包括：第二传感器主体形变空腔。

6.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述隔膜包括响应于所述线压发生形变的隔膜形变空腔。

7.根据权利要求6所述的差压传感器，其中，所述隔膜形变空腔是环形的。

8.根据权利要求6所述的差压传感器，包括：耦合到所述隔膜形变空腔的至少一个通气口。

9.根据权利要求1所述的差压传感器，包括：在所述空腔轮廓上承载的至少一个电容器电极。

10.根据权利要求9所述的差压传感器，包括：基于在至少一个电容器电极和所述隔膜之间形成的电容来测量所述差压。

11.根据权利要求1所述的差压传感器，包括：在所述传感器主体轮廓上承载的至少两个环形电容器板状电极。

12.根据权利要求2所述的差压传感器，其中，所述传感器主体形变空腔沿径向方向更大。

13.根据权利要求6所述的差压传感器，其中，所述隔膜空腔沿径向方向更大。

14.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述隔膜由金属制成。

15.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述隔膜由陶瓷制成。

16.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述传感器主体由金属制成。

17.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述传感器主体由绝缘体制成。

18.根据权利要求1所述的差压传感器，其中，所述传感器主体由金属和绝缘体制成。

19.一种感测过程流体的差压的方法，包括：

对传感器主体施加第一过程压力和第二过程压力，所述传感器主体中形成有具有空腔轮廓的传感器空腔；

将隔膜置于所述传感器主体的传感器空腔中，所述隔膜被配置为响应于在施加的所述第一过程压力和施加的所述第二过程压力之间的压力差而弯曲，所述隔膜具有隔膜轮廓，所述隔膜轮廓在所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓之间形成了间隙，以及其中，所述隔膜的弯曲引起所述间隙根据所述压力差而改变；

通过根据对所述传感器主体施加的线压来改变所述空腔轮廓和所述隔膜轮廓中至少一个，来补偿由于所述线压而导致的差压测量不准确性；以及

基于所述传感器主体内所述隔膜的弯曲来测量差压。

20.根据权利要求19所述的方法，包括：在所述传感器主体中形成传感器主体形变空腔。

21.根据权利要求19所述的方法，包括：在所述隔膜中形成隔膜形变空腔。