CN106546377A - 具有过载保护的压差换能器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于传感器的压力过载保护器，其包括：可填充以流体或气体的压力填充通道系统；定位在打开位置中的第一过载止动件；在第一过载止动件的未定位端的第一隔膜；定位在打开位置中的第二过载止动件；在第二过载止动件的未定位端处的第二隔膜；连接到流体通道的传感器；以及第三过载止动件与第四过载止动件，其通过通道连接到传感器的流体通道并且在流体出口处终止。过载保护器对传感器提供了双向过压与欠压保护。

Description

具有过载保护的压差换能器组件

技术领域

本装置涉及具有过载保护的压差换能器组件。

背景技术

压差传感器利用压电或半导体传感器将压力波动转换成电信号。早期传感器是机械的并且可以处理较高压力波动但不那么准确并且不会输出数字数据。现代传感器更加脆弱并且需要过压保护。

过压保护与欠压频繁地发生在于压力下的输入/输出系统或液压系统中。尤其在不可压缩流体中，压力波动可以非常快速地改变。这些快速且重复的压力波动要求耐用且响应的保护系统。

怀特海德的美国4,072,058的公开提供了包括两对室与两对隔膜的压力传感器保护器。在保护装置的入口端与出口端上的前两个隔膜在过压或欠压条件下变形以便切断到内室的流量。由于这些变形可能是缓慢的，因此保护装置包括第二对内部隔膜。第一隔膜限定第一对室，并且第二隔膜限定第二中心室，每个室都设有通过填充流体将压力从一侧传送到下一侧的流体通道。

在过压情形中，入口侧隔膜将压紧第一室的壁并且切断流量。然而，此变形增加了室中的压力并且迫使内部隔膜变形。这使压力均衡，并且理想地防止压力骤增。此装置还在室之间提供压差旁通以加速均衡。在属于赫尔歇的美国4,329,877中公开了具有流体旁通通道的类似的流体填充过压保护器。

然而，填充流体(通常不可压缩流体)存在几个弊端与挑战。首先，离开的填充流体可能污染较大系统或者形成爆炸危害。其次，填充流体随着温度膨胀与收缩，使得单元可以保持校准的温度范围是限定的。第三，填充流体的可压缩性还限定了此单元可以操作的最大线压。

在流体填充设计中，即使在接合过载保护以后，过载压力的一部分也将继续通过传感器看到。这是由于内部部件从增加的过载情形的不期望的变形。由于它们对微小体积改变敏感因此当传感器是低容量的微型硅压阻或硅电容式时这是最严重的。

此外，流体填充设计可能不利于允许渗透小的诸如氢气的分子，这影响传感器的校准与准确性。此外，流体填充设计关于建造是固然更加昂贵的并且需要广泛措施来脱气与适当地填充。由此，它们还需要较高技术等级来装配与调节性能。

亚当斯的US4,668,889的公开公布了非流体填充设计，其在内室中使用偏压弹簧来替换填充流体。此布置允许装置比其它设计进一步缩小同时保持耐久性。然而，此公开的设计将要求流体流量限制器以便允许此系统能够足够快速地反应。这些流量限制器还限制传感元件的频率响应并且将不防止较大流速。相应地，这里公开的装置解决了在过压与欠压保护系统中提供可测量的、快速动作过剩的问题。

发明内容

本发明的一些示例性实施方式涉及压力过载保护器。过压保护器包括：本体；在定位于打开位置中的在第一压力端口上的第一过载阀；在第一过载止动阀的未定位端的第一隔膜；定位在与第一过载止动阀相对的打开位置中的第二过载止动阀；彼此相对的第三过载止动阀与第四过载止动阀；在第三过载止动阀与第四过载止动阀之间的第二隔膜；以及压力传感器。

根据示例性实施方式，压差测量系统包括两级传感器保护器，以通过防止传感器过压峰值或者压降来避免具有与施加介质直接作用的两个压力端口的压差换能器的任何损坏或故障或者准确性偏差。因此，每个通道压力端口都具有通过防止传感器打开或关闭换能器系统内的通道的过载止动阀设置的过载保护和压降保护。

此设计尤其制成为没有任何流量限制器，以允许以同样在高频率峰值下的高的响应时间响应于非常快速的压力峰值。由此，每个压力端口都以通过防止传感器打开或关闭换能器系统内的通道的阀的过载保护与压降保护进行保护。

加压流体通过第一过载止动阀流入到第一压力端口，通过本体中的第一通道到第三过载阀，然后通过第二通道到压力传感器。在加压流体达到压力传感器以后，加压流体通过第四过载阀流入到第三通道中，通过第二过载阀流入到第四通道中，并且离开第二压力端口。

当前设计实际上消除了一旦过载止动阀接合就将任何额外压力传送到传感器。实际上，当外部压力增加时，内部压力略微地减小。过载止动阀包括O形环，所述O形环在过大压力情形中在阀芯部与换能器本体之间提供密封。当过载止动阀的O形环随着增加的压力压缩时，隔膜以增加内部体积的此种方式移动，并且由此降低了内部压力。

与使用盘簧相比，使用隔膜也是有利的，以防止快速压力改变。当隔膜偏转以闭合进入压力端口时，其还增加了高压侧腔体的内部体积。增加的体积具有压力降低效应以补偿任何突然的压力峰值。这允许换能器在操作范围内保持非常高的频率响应，但是仍提供了对抗高频过载的保护。可以通过改变隔膜面积、厚度、与褶积轮廓调谐此响应参数。

本装置设计是对现有设计在成本、可靠性与频率响应上的改进。此外，此设计克服了存在于要求填充流体作为过载保护方案的一部分的单元中的限制。

通过下文提供的详细描述使得本发明的其它应用范围将会变得显而易见。然而，应该理解的是详细的描述与特定的实例，尽管表示本发明的优选实施方式，但仅通过说明的方式提供，因为通过此详细的描述，在本发明精神和范围内的多种改变与修改对于本领域中的这些技术人员将变得显而易见。

附图说明

通过下文提供的详细描述与仅通过说明方式提供并且由此不限定本发明的附图将会更充分地理解本发明，并且在附图中：

图1是根据本发明的示例性实施方式的过压保护装置与压力传感器的横截面；

图2是根据本发明的示例性实施方式的过压保护装置与压力传感器的横截面；

图3是公开装置的较大系统应用的视图，以及

图4是公开装置的示例性应用。

具体实施方式

图1的装置提供了防止压力增加与减小的两个隔膜机构。例如，过载止动阀26和27防止增大的压力，并且过载止动阀28和29防止突然压力释放。共同地，两个阀28和29对压差传感器30提供了过压保护。

每个过载止动阀26、27、28或29都定位在与隔膜元件21或22基本上垂直的打开与未偏置位置中。每个过载止动阀26、27、28或29都包括定位在第一压力端口的唇部与保护装置的主体之间的宽端或头部。每个过载止动阀还包括延伸直到隔膜元件21或22的短端。例如，隔膜元件21或22可以由金属或合金制成，并且可以是平坦的或者制成为具有波浪结构的。然而，可有使用允许并且优化偏转的任何其它结构。

在正常操作过程中，此装置具有围绕隔膜元件21和22的两个隔离体积的气体或液体。在示例性实施方式中，通过密封件55、56保持气体或液体的分离。同样地，密封件57保持压力传感器与外部压力隔离。然而，通过密封件提供的此分离，还可以通过O形环、弹性密封件、粘结剂、焊接、或者金属压紧机构提供。

可以通过利用不同的压力传感元件30改变给定气体或液体的相容性。如示出的传感元件30可以安装在装置内部。还可以外部地安装并且经由软管或管子连接。将要通过此装置测量的外部压力通过端口50和51与内部液体或气体体积连通。

在正常操作条件下，压力改变在端口50处发生并且在过载止动阀26周围传送。压力改变通过通道60、在过载止动阀28周围、并且通过流体通道58和59继续。在此点处通过压力传感元件30传感到压力改变。图1中示出的示例性实施方式与通过在端口51处开始的传感器的另一侧上的通道58'的类似流动路径对称。

压力流量、阀或压力过载响应的动态特征可以以多种方式改变，包括：改变通道直径与长度、改变过载止动件26、27、28或29的头部直径、改变隔膜22和21的直径、或者改变过载止动阀26、27、28和29的质量。此外，可以非对称地实施这些特征改变。此改变允许此设计适于在全部可能的压力过载处以及用于在全部可能的持续期间提供保护。这既保护了传感器30并且还允许装置将每个压力信号的幅度与持续时间准确地传送到传感器30。

当一个压力端口的压力相对于其它端口具有显著更高压力时，过载止动阀26或27将以较低的相对压力朝向端口移动。当在过载止动件26或27中的O形环36或37与本体53或54接合时，O形环将使具有高的相对压力的内室与具有较高的相对压力的端口隔离。当过载止动阀26或27移动并且O形环接合时，隔膜22的移动或变形通过较高的相对压力增加了腔体内的体积。还可以通过产生同样效果的基于弹簧的阀等替换隔膜22。

增加的体积将起作用以降低此腔体中的压力。当O形环变形时此效果将继续直到此力与外部压力平衡。在快速压力增加过程中此效果是有利的，过载止动阀26或27单独将不会足够快移动以防止压力峰值。尽管在本实施方式中示出了O形环，还可以使用其它已知的密封方法。例如，垫圈或球或锥形到表面密封方法。

图1的装置还防止了从任一个端口51或50的突然降压。由于非常高压力的两个区域之间的略微差别对于待测量的非常低范围压力来说是不常见的。例如，当用于测量高压流量时或者当在加压箱中进行高度测量时。在没有保护的情况下，当在一侧上压力突然下降时，传感器将被损坏。过载止动阀28和29与隔膜21利用O形环防止这些类型的事件。隔膜21(或22的弹性功能还可以通过结合一个或两个弹簧的固体壁替换以形成基于弹簧的阀。另外的以基于弹簧的阀可以增加到通道中以产生相同效果。

当一个压力端口相对于另一个端口经历压降时，过载止动阀28或29以较低的相对压力朝向此侧面移动。在过载止动阀28或29上的O形环接合并且密封压力腔体，以闭合到传感器的通道。这以较低的相对压力防止了在一侧上的压力的进一步减小。密封件的质量将确定此保护可以维持多久。

此外，在此条件下的隔膜21的偏转致使在具有较高相对压力的一侧上的体积增加。由此，当压降在一侧上停止时，在具有较高相对压力的一侧上的压力同时地减小。此结合的效果提供了在快速压力减小下(诸如当压力线断裂时)的保护。

过载止动阀26和27还容易适于无压差单元。通过移除元件21、27、28和29，过载保护不再是双向的并且适于单压力端口传感器。图1的装置示出了低成本传感器模块30；然而，几乎任意应变计、压阻或电容为基础的压力传感器都可以并入到此设计中。此传感器可以电连接到计算机或者其它测量记录装置。

图2的装置公开了对压差传感器提供了过载保护的第二设计。过载止动阀组件23、24和25与上面描述其操作的图1的过载止动阀组件22、26和27类似。对于当一个压力端口相对于另一个端口接收显著压降的情形来说，压力释放(旁通)阀40与41通过使具有较高相对压力的一侧通风而提供了保护以使具有较低相对压力的一侧旁通传感器来提供保护。压力释放阀40与41通过弹簧43和43'或其它推动构件在闭合位置中偏转。此实施方式优于图1的示例性实施方式的一个优点是此保护可以持续不确定的时间期间。压力释放阀40与41可以是圆柱形柱塞阀。

图2的示例性实施方式通过结合由隔膜22与弹簧压力释放阀40和41提供的高压保护来提供过载保护。由于包括密封件20，因此此设计改进了可靠性。此外，通过包括隔膜23与过载止动阀24和25，此装置现在可以在不依赖流量限制器的情况下防止高流速或快速压力改变。与图1的示例性实施方式相比，每个过载止动阀24或25经由引入到柱塞的孔中的销钉48、49与隔膜23接触。关于调节或微调，可以在不触碰柱塞自身的情况下容易地调节销钉的长度。除了销钉以外，还可应用螺钉或其它间隔件以允许调节压在隔膜上的阀。

与过载止动阀24、25(未示出)类似，每个过载止动阀40和41都可以在一个高度上同轴地布置在本体内。此布置可以降低由本体部分53和54所需的本体的高度。然而，可能需要更多孔以在一个高度处将阀与流体通道连接。

当使用那些诸如亚当斯的释放阀时，它们损坏了单元的可靠性。为了对低范围压力传感器提供保护，释放阀必须设有相对低的弹簧力。这继而允许即使在正常的操作条件下在侧面之间的少量泄露。这导致压力测量的不准确性。此外，在一些系统中流体的泄露可能是不可接受的。在本申请的图1中示出的设计完全地消除了在正常条件与过载条件下在侧面之间的泄露。

通过依赖压力释放阀，现有技术不仅损害了在正常操作条件下的可靠性，还使得在过载条件下不太可靠。图1的过载保护未在正常操作条件下预张紧并且与弹簧不同，在弯曲隔膜中不随着时间经过经受松弛。如可能通过亚当斯的止动件看到的其不那么容易受到电化学腐蚀。长期来看腐蚀可以防止其在过载情形期间打开或者允许在正常条件下泄露。

然而，有时，存在安全阀的优点超过弊端。例如，在一些应用中其可以降低成本。图2的装置通过将由隔膜提供的高压保护与弹簧压力安全阀结合提供了过载保护。由于包括O形环密封件，因此此设计改进了可靠性。此外，通过包括隔膜与过载止动阀，此装置现在可以在不依靠亚当斯的流量限制器的情况下防止高流速或快速压力改变。因此，传感器能够对在其正常操作范围内的压力改变保持高的响应。

图3公布了公开装置的示例性应用，其示出了由两个部分53、54连同螺栓22装配在一起的换能器1。具有信号输出线31的传感元件30可以由连接器或保护头部32覆盖，所述连接器或保护头部32由适配在头部32的凹部44中的螺栓3连接的虚线示出。头部32可以包括电子电路，其将传感器30及其的连接销钉的信号变换到可以经由线45发送到目标装置或处理开关室的工业标准信号。换能器的压力端口51和50经由流体线11和12从端部配件10(其它端部配件未示出)连接到容器15的端口13和14。通过差动传感器，可以在不受容器的内部压力P的影响的情况下测量在容器中的流体的高度的静态压力。此外可以将压力传感器30装配在头部30中或者其外部，并且经由流体管例如经由通过螺钉3闭合的内部流体路径的外部端口连接到过载保护器。

换能器制成为操作500m巴满刻度，选择性地其还可在10”h20以下到200PSI以上可适用。阀通常设计为在全刻度范围以上并且在传感器的耐受压力以下打开。例如，打开压力可以设为大约10psi。这与大约0.006英寸厚，直径1.050英寸的隔膜相应，并且行进(在密封件55或56与密封表面之间的距离)大约0.015英寸。容器15的高度与体积与压力P的变化基本上成比例。

图4公布了公开装置的示例性应用，其示出了由两个部分53、54与头部32装配在一起的换能器1，其输出供给到模拟或HART或任何其它域总线的4-20mA标准电压的传感器信号。利用压差传感器和过载保护器，可以通过获取在端口76处的正常压力与在下游位置74处的端口75的压力的差值来测量在72和73处结合的管子71和70中的流体流量。

由此描述了本发明，将会显而易见的是本发明可以以多种方式改变。此变化不视为偏离本发明的精神与范围，并且对本领域中的技术人员显而易见的是全部此修改都将包括在下面权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种压力过载保护器，其包括：

本体；

第一过载阀，其在第一压力端口上；

第二过载阀，其在第二压力端口上；

第一隔膜，其中所述第一过载阀与所述第二过载阀布置在所述第一隔膜的相反两侧上；

第三过载阀，其布置在所述压力过载保护器内部；

第四过载阀，其布置在所述压力过载保护器内部；

第二隔膜，其中所述第三过载阀与所述第四过载阀布置在所述第二隔膜的相反两侧上。

2.根据权利要求1所述的压力过载保护器，还包括在所述第一隔膜与所述压力过载保护器的所述本体之间提供密封的至少一个密封件，以及在所述第二隔膜与所述压力过载保护器的所述本体之间提供密封的至少另一个密封件。

3.根据权利要求1所述的压力过载保护器，其中，所述第一过载阀、所述第二过载阀、所述第三过载阀与所述第四过载阀各自都是圆柱形柱塞阀。

4.根据权利要求3所述的压力过载保护器，其中，每个圆柱形柱塞阀都包括宽端与窄端。

5.根据权利要求4所述的压力过载保护器，其中，所述第一过载阀的所述宽端定位在所述第一压力端口内的突出部与所述本体之间，并且

其中，所述第二过载阀的所述宽端定位在所述第二压力端口内的突出部与所述本体之间。

6.根据权利要求1所述的压力过载保护器，其中，所述第一过载阀与所述第二过载阀保护所述传感器免受来源于所述第一压力端口或所述第二压力端口的过大压力，并且所述第一隔膜增加了在所述过大压力的一侧上的体积。

7.根据权利要求1所述的压力过载保护器，其中，所述第三过载阀与所述第四过载阀防止所述传感器免受来源于所述第一压力端口或所述第二压力端口的过度降压，并且所述第二隔膜减小在所述过度降压的一侧上的体积。

8.根据权利要求1所述的压力过载保护器，其中，加压流体通过所述第一过载阀流入到所述第一压力端口中，通过所述本体中的第一通道到所述第三过载阀，并且然后通过第二通道到所述压力传感器。

9.根据权利要求1所述的压力过载保护器，其中，还包括插入于在所述第一压力端口和所述第二压力端口之间的通道中的压力传感器，并且其中所述过载保护器的本体由两个基本对称的相同部分构成。

10.根据权利要求1所述的压力过载保护器，其中，所述压力传感器是微型硅压阻或硅电容式传感器。

11.根据权利要求1所述的压力过载保护器，还包括从所述第一隔膜的相反侧密封所述第一隔膜的一侧的至少一个密封件。

12.根据权利要求1所述的压力过载保护器，还包括从所述第二隔膜的相反侧密封所述第二隔膜的一侧的至少一个密封件。

13.一种压力过载保护器，其包括：

本体；

第一过载阀，其在第一压力端口上；

第二过载阀，其在第二压力端口上；

第一隔膜，其中所述第一过载阀与所述第二过载阀布置在所述第一隔膜的相反两侧上；

第一流体旁通阀；

第二流体旁通阀；以及

压力传感器。

14.根据权利要求13所述的压力过载保护器，还包括至少一个密封件，所述密封件提供在所述第一隔膜与所述本体之间的密封。

15.根据权利要求13所述的压力过载保护器，其中，所述第一流体旁通阀与所述第二流体旁通阀包括提供偏压力的弹簧。

16.一种压差测量系统，其包括：

两个流体通道，它们连接到第一压力端口和第二压力端口；以及

压力传感器，其在两侧上连接到所述两个流体通道，

两个流体通道中的每个都包括：

第一过载止动阀，其在高频压力增大的情况下闭合；

第二过载止动阀，其在高频压力下降的情况下闭合。

17.根据权利要求16所述的压差测量系统，还包括通过隔膜分成两个密封室的至少一个大室，其中每个密封室都与所述两个流体通道中的一个连接。

18.根据权利要求16所述的压差测量系统，还包括两个大室，每个大室都由隔膜分离成两个密封室，

其中，每个通道中的所述第一过载止动阀和所述第二过载止动阀各自都包括柱塞，并且每个柱塞都布置在邻近所述两个隔膜中的一个的一侧的密封室中。

19.根据权利要求17所述的压差测量系统，还包括两个对称的相同本体，每个本体都包括所述两个流体通道中的一个与第一或第二压力端口，每个本体还包括用于容纳所述压力传感器的狭槽，其中所述压力传感器和/或所述隔膜布置在所述两个本体之间。

20.根据权利要求18所述的压差测量系统，还包括在每个流体通道的所述第一过载止动阀和第二过载止动阀上的至少一个O形环，其中每个柱塞都与所述大室中的相应隔膜相连接，其中如果相等压力存在于两个流体通道上，那么每个柱塞都运行流体流动通过所述流体通道，并且其中如果在两个流体通道之间存在压差，那么在所述两个流体通道中的一个的所述第一过载止动阀或所述第二过载止动阀中的一个将闭合。