CN105181224A - 具有管线压力测量的压差传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器组件，包括：传感器本体，具有空腔以及通向空腔的第一和第二开口，第一和第二开口构造为施加第一和第二压力；位于空腔中的隔膜，响应于压力差将第一开口与第二开口隔开；第一电极，安装在传感器本体的外面，与传感器本体的中部相对并与传感器本体形成第一电容；第二电极，安装在传感器本体的外面，与传感器本体的边缘部相对并与传感器本体形成第二电容，第一电容和第二电容响应于由传感器本体的变形引起的过程流体的管线压力而变化；和测量电路，连接至所述第一电极和所述第二电极，基于第一电容和第二电容测量管线压力；其中，管线压力与传感器本体的中心附近的位移Δd1和边缘附近的位移Δd2的相对测量值相关。

Description

具有管线压力测量的压差传感器

本申请是2011年4月14日递交中国专利局的申请号为201110097585.X的发明名称为“具有管线压力测量的压差传感器”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用了测量过程流体的压力的类型的压力传感器。更具体地，本发明涉及构造为测量过程流体中的压力差以及管线压力二者的压力传感器。

背景技术

变送器用在过程监测和控制系统中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差。这种压力差测量值随后可以用了计算过程流体的流量。多种技术已经用在这种变送器中的压力传感器中。一种公知的技术是采用可偏转隔膜。测量关于隔膜的电容，隔膜形成电容器的电容极板中的一个。由于隔膜由于施加的压力而偏转，因此测量的电容变化。在这种结构中，压力测量存在大量的误差源。

在200年10月2日授权给Frick等人的名称为″PROCESSPRESSUREMEASUREMENTDEVICESWITHIMPROVEDERRORCOMPENSATION(具有改进误差补偿的过程压力测量装置)″的美国专利No.6,295,875中提出了一种解决这些误差的技术，通过引用将该美国专利的全部内容结合于此。该专利描述了压差传感器，其包括用了降低测量误差的附加电极。然而，在一些设备中，期望的是，除了压力差测量，还测量过程流体的管线压力(绝对值或仪表值)。

发明内容

一种用于感测过程流体的压力的压力传感器组件，包括传感器本体，其具有形成在其中的空腔以及通向空腔的第一开口和第二开口，第一开口和第二开口构造为施加第一压力和第二压力。位于空腔中的隔膜将第一开口与第二开口隔开，并构造为响应于第一压力和第二压力之间的压力差变形。基于电容的变形传感器被设置并且构造为响应于施加至传感器本体的管线压力感测传感器本体的变形。

附图说明

图1示出具有根据本发明构造的过程变送器的过程测量系统。

图2为图1的变送器的示意图。

图3示出图1的过程变送器的部分的剖视图。

图4为压力传感器的用于图示本发明的操作的简化剖视图。

图5为包括用来测量管线压力的电极的压力传感器的剖视图。

具体实施方式

本发明提供用于确定用于基于电容的压力传感器的管线压力和压力差的设备和方法。通过计算在多个基于电容的压力传感器中的合适的电容的和的比率(ratioofsum)或比率的和(sumofratio)，可以确定过程流体的压力差。如在背景技术部分中讨论的那样，在一些设备中，除了压力差测量，可能还希望测量管线压力(绝对值或表压值)。在DonaldE.Harasyn等人于2005年5月27日递交的、名称为″LINEPRESSUREMEASUREMENTUSINGDIFFERENTIALPRESSURESENSOR″美国共同未决专利申请11/140,681和与本申请共同转让的DavidA.Broden等人于2005年5月26日递交的、名称为“PRESSURESENSORUSINGCOMPRESSIBLESENSORBODY”的美国专利申请11/138,977中示出并描述了用来测量管线压力的一种这种技术，通过引用将这两个美国专利申请的全部内容结合于此。

图1大体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道30，其连接至用于测量过程压力的过程测量系统32。过程测量系统32包括连接至管道30的导压管道34。导压管道34连接至过程压力变送器36。基本元件33，如孔板、文丘里管、流量喷嘴等等，接触过程管道3中的在导压管道34的管子之间的位置处的过程流体。基本元件33在流体流经基本元件33时在该流体中引起压力变化。这种压力变化(压力差变化)与过程流体的流量相关联。压差传感可以用来测量这种压力差变化，并且测量电路用来提供与过程流体的流量相关的输出。

变送器36为接收通过导压管道34的过程压力的过程测量装置。变送器36感测过程压力差，并将它转化为过程流量的函数的标准传输信号。

过程回路38优选从控制室40向变送器36提供功率信号，并提供双向通信，且可以根据多个过程通信协议进行构建。在图示的实施例中，过程回路38为二线回路。二线回路用来在正常操作期间以4-20mA信号将所有的功率和所有的通信传递至变送器36，或传递来自变送器36的所有的功率和所有的通信。计算机42或其它信息处理系统通过调制解调器44或其它网络接口用于与变送器36通信。远程电压源46向变送器36供电。过程控制回路的另一个例子是无线通信，其中数据或者直接无线传输至中央位置，或者传输至网状网络类型结构，或采用其它技术。

图2为压力变送器36的一种实施方式的简化结构图。压力变送器36包括通过数据线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连接至接收施加的压力差54的压力传感器56。数据连接器58将传感器56连接至模数转换器62。任选的温度传感器63与传感器模块存储器64一起被图示。电子元件板72包括微计算机系统74、电存储器模块76、数模信号转换装置78和数字通信块80。与感测的压力相关的输出在回路38上提供。图2还示意性地图示了基于外部电容的变形传感器59，其位于压力传感器56的本体的外面，并设置为提供电容值。传感器59设置为具有响应于压力传感器56的本体的由施加压力产生的变形而变化的电容值。如图2中示意性地图示的那样，由于施加了压力54，管线压力施加至压力传感器56的本体。

根据在授权给Frick等人的美国专利No.6,295,875中提出的技术，压力变送器36感测压力差。然而，本发明不限于这种结构。

图3为传感器模块52的一种实施方式的简化剖视图，示出了压力传感器56。压力传感器56通过隔膜90连接至过程流体，隔膜90将过程流体与空腔92隔开。空腔92通过毛细管94连接至压力传感器模块56。基本不可压缩填充流体填充空腔92和毛细管94。当来自过程流体的压力施加至隔膜90时，它被传递至压力传感器56。

根据一种实施方式，压力传感器56由两半压力传感器114和116形成，并用诸如玻璃或陶瓷之类的基本不可压缩固体材料105填充。中间隔膜106设置在形成在传感器56内的空腔132、134中。空腔132、134的外壁支撑电极144、146、148和150。这些电极通常称为主电极144和148，以及辅助电极146和150。这些电极形成关于活动隔膜106的电容器。该电容器再次被分别称为主电容器和辅助电容器。

如图3所示，传感器56中的各种电极通过电连接103、104、108和110连接至模数转换器62。此外，可变形隔膜106通过连接109连接至模数转换器62。

如美国专利No.6,295,875中讨论的那样，可以采用电极144、146、148和150测量施加至传感器56的压力差。如下文讨论那样，图3示意性地图示了基于电容的压力差56，下文将对其进行更详细的描述。

在操作中，压力P₁和P₂压在隔膜90上，由此压在填充中间隔膜106和隔膜90之间的空腔的基本不可压缩填充流体上。这引起中间隔膜106变形，导致隔膜106与电极146、144、148和150之间的电容变化。采用熟知的技术，这些电容变化可以被测量并用来确定压力差。

图4为用来图示本发明的操作的传感器56的简化剖视图。图4图示了至电极144、146、148和150的各种电连接。

在压力传感器56的操作期间，通过毛细管94(参见图3)施加至压力传感器的管线压力引起压力传感器56的本体220变形。同时两个压力P₁和P₂都引起传感器变形。传感器将以三种不同的条件为基础：高上游压力和低下游压力、低上游压力和高下游压力、以及伴随高下游压力的高上游压力。传感器将测量如由上游或下游压力中的最大值限定的管线压力。所施加的管线压力在本体220内的压力和压力变送器的内部环境之间产生压力差。这种压力差引起本体220中变形。在图4中示出的例子中，示出了被极大地夸大的变形。具体地，所施加的管线压力使本体220的外壁200和202向外膨胀至在200’和202’处的虚影示出的位置。

本发明提供了用于基于沿着压力传感器56的边缘扭曲或弯曲测量管线压力的技术。这种弯曲由200’和202’标记的虚线图示。靠近传感器56的中间端，位移率图示为Δd1。如图4所示，传感器56中心附近的位移Δd1大于边缘附近的位移Δd2。管线压力与Δd1和Δd2两者相关，也与诸如Δd1-Δd2或Δd1/Δd2之类的相对测量值相关。

图5为传感器56的简化剖视图，图示一种用于测量位移Δd1或Δd2的技术。在图5的示例性实施方式中，通过将环形电容性电极240和242靠近传感器56的一端放置而监测所述位移。电极240、242被支承在由支撑装置248支撑的绝缘背垫板244上。在一种结构中，支撑装置248包括管子或类似物。支撑装置248可以连续地或在一些位置处连接至传感器56和绝缘背垫板244。在另一种示例性结构中，支撑装置248包括多个支撑装置，或具有未连续地沿着传感器56的外圆周延伸的结构。在另一种示例性结构中，绝缘背垫板244采用粘结剂250安装至毛细管94。这种结构可以任选地包括支撑结构248。在这种结构中，绝缘背垫板244可以连接至或不连接至支撑装置248。优选地，背垫板244构造为或者响应于管线压力经历很少的扭曲，或者以有助于Δd1和/或Δd2以从而增加装置的灵敏度的方式扭曲。

电连接提供至电极240和242，并且可以用来测量关于传感器本体220形成的电容C1和C2。

当相对于传感器本体220安装绝缘背垫板244时，可以控制电极240和242与传感器之间的标称距离d0。电极240、242和传感器本体之间的电介体可以为围绕传感器56的环境气体，例如氮。在优选的实施方式中，电容器C1和C2在静止条件下具有相同的值(即，C1＝C2)。在这种结构中，间距d0或气体的介电常数的微小变化不影响C1和C2之间的差异，因为在静止时C1-C2＝0。通过将电容传感器放置在传感器56的两侧，可以获得一定的改进的冗余度。在一种结构中，还提供了温度传感器，并且其用来向管线压力测量值提供温度补偿，因为电容C1，C2存在基于温度的变化。图2中图示的变形传感器59因此由图5中示出的电极形成，所述电极以它们的电容响应于传感器本体的变形而变化的方式安装至传感器本体的外面。

虽然已经参照优选实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面进行改变。例如，传感器本体和绝缘背垫板不需要是圆形的。多种连接技术可以用来降低施加至背电板的应力。如在此使用的那样，“流体”包括液体和气体或可以包括固体的混合物。

Claims (12)

1.一种用于测量过程流体的压力的压力传感器组件，包括：

传感器本体，具有形成在其中的空腔以及通向空腔的第一开口和第二开口，第一开口和第二开口构造为施加第一压力和第二压力；

位于空腔中的隔膜，用于响应于压力差将第一开口与第二开口隔开；

第一电极，安装在传感器本体的外面，设置为与传感器本体的中部相对并与传感器本体形成第一电容，其中第一电容响应于由传感器本体的变形引起的过程流体的管线压力而变化；

第二电极，安装在传感器本体的外面，设置为与传感器本体的边缘部相对并与传感器本体形成第二电容，其中第二电容响应于由传感器本体的变形引起的过程流体的管线压力而变化；和

测量电路，连接至所述第一电极和所述第二电极，设置为基于第一电容和第二电容测量管线压力；

其中，管线压力与传感器本体的中心附近的位移Δd1和边缘附近的位移Δd2的相对测量值相关。

2.根据权利要求1所述的压力传感器组件，包括构造为承载所述电极的绝缘板。

3.根据权利要求2所述的压力传感器组件，其中绝缘板安装至传感器本体。

4.根据权利要求3所述的压力传感器组件，其中绝缘板安装至支撑装置，该支撑装置安装至传感器本体。

5.根据权利要求2所述的压力传感器组件，其中绝缘板安装至毛细管，该毛细管连接至传感器本体。

6.根据权利要求1所述的压力传感器组件，包括与所述隔膜相关联的压差传感器，该压差传感器具有与基于隔膜在空腔内的运动的压力差相关的输出。

7.根据权利要求6所述的压力传感器组件，其中所述输出基于由所述隔膜形成的可变电容。

8.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中管线压力测量值基于温度被补偿。

9.一种用于测量过程流体压力的过程变送器，包括权利要求1的压力传感器。

10.一种用于测量过程流体的压力差和管线压力的方法，包括下述步骤：

将可变形隔膜安装在传感器本体中的空腔中；

将过程流体的第一压力施加至空腔中的可变形隔膜的一侧；

将过程流体的第二压力施加至空腔中的可变形隔膜的另一侧；

基于可变形隔膜的变形确定压力差；

用定位在传感器本体外面并与传感器本体的中部相对的第一电极形成第一电容，第一电容形成在所述第一电极和传感器本体之间，并具有基于传感器本体的由过程流体的管线压力引起的变形而变化的第一电容；

用定位在传感器本体外面并与传感器本体的边缘部相对的第二电极形成第二电容，第二电容形成在所述第二电极和传感器本体之间，并具有基于传感器本体的由过程流体的管线压力引起的变形而变化的第二电容；以及

基于所述第一电容和所述第二电容的变化确定过程流体的管线压力；

管线压力与传感器本体的中心附近的位移Δd1和边缘附近的位移Δd2的相对测量值相关。

11.根据权利要求10所述的方法，包括基于隔膜电容通过在隔膜在空腔内运动时进行测量来确定压力差的步骤。

12.根据权利要求10所述的方法，包括基于温度补偿管线压力测量值的步骤。