CN107209076B - 具有超压保护的压力变送器 - Google Patents

Abstract

提供一种过程流体压力变送器。该过程流体压力变送器包括压力传感器，压力传感器具有响应于压力传感器的变形而改变的电特性，该压力传感器响应于压力而变形。测量电路被联接到压力传感器并且被构造为提供电特性的指示。隔离膜片被构造为接触过程流体并且响应于过程流体压力而变形。基本不可压缩的填充流体使得隔离膜片与压力传感器流体地联接。超压顺应结构被联接到填充流体并且被构造为在比选定阈值低的压力下是基本刚性的，但是响应于比所述选定阈值高的压力而变形。

Description

具有超压保护的压力变送器

背景技术

工业过程控制系统被用于监测和控制生产或传输诸如过程流体等的材料的工业过程。在此种系统中，典型地，测量诸如温度、压力、流量和其他的过程变量是重要的。过程控制变送器被用于测量此种过程变量并且将与所测量的过程变量相关的信息传输回诸如中心控制室的中心位置。

一种类型的过程变量变送器是压力变送器，该压力变送器测量过程流体的一种或多种压力(诸如，表压或绝对压力)，并且提供与所测量的压力相关的输出。压力变送器被构造为典型地经由有线过程通信回路将压力信息传输回控制室或其他适当的装置。然而，可以替代地使用或也使用诸如无线通信技术等的其他技术。

过程压力变送器一般地使用压力传感器感测压力，该压力传感器被流体地联接到隔离膜片。该隔离膜片将压力传感器与正被感测的过程流体隔开。能够是高腐蚀性和/或高温的过程流体因此被保持为与压力传感器隔开，从而避免对压力传感器的腐蚀或损坏。使用诸如硅油等的基本上不可压缩、惰性填充流体将压力从隔离膜片传送到压力传感器。压力传感器自身具有诸如感测膜片的物理结构，该感测膜片诸如通过变形对压力作出反应。压力传感器也包括电结构，诸如对物理变形作出反应的应变计或电容板或电极。例如，一些已知的压力传感器具有可偏转膜片，该可偏转膜片承载电容板或电极，使得膜的偏转产生传感器的电容的改变。另外其他的压力传感器采用电阻式应变计结构，该结构被设置在易碎的可变形硅基板上。随着硅基板响应于压力而变形，应变计的电阻改变。

现有的压力变送器的限制中的一个是其对超高压的潜在敏感性。因为，基于隔离器的变送器使用基本上不可压缩的流体将压力感测元件联接到过程流体或气体，该填充流体在超压事件期间将高压传输到感测元件。这能够导致传感器的故障。此外，即使在超压不会立即导致传感器故障的情况下，由于较高超压的重复偏离能够随着时间而劣化压力传感器并且影响其性能。

发明内容

提供一种过程流体压力变送器。该过程流体压力变送器包括压力传感器，其具有响应于压力传感器的变形而改变的电特性，该压力传感器响应于压力而变形。测量电路被联接到压力传感器并且被构造为提供电特性的指示。隔离膜片被构造为接触过程流体并且响应于过程流体压力而变形。基本不可压缩的填充流体将隔离膜片与压力传感器流体地联接。超压顺应结构被联接到填充流体并且被构造为在低压下基本刚性，但是在高压下能够足够变形以使得隔离膜片能够使其自身就坐，或者“从底部回升”，因此防止另外的压力到达压力传感器。

附图说明

图1示出了对于本发明的实施例而言尤其有用的示例性过程流体压力变送器。

图2是对于本发明的实施例而言尤其有用的示例性压力变送器的方框图。

图3是根据现有技术的压力传感器模块的示意图。

图4是根据本发明的实施例的压力传感器模块的剖视图。

图5是根据本发明的实施例的具有对超压事件的提高弹性的压力传感器模块的示意性剖视图。

图6A和6B分别是示出根据本发明的实施例的填充流体路线通道的、顺应插件的外部部分的示意顶部俯视图和侧视图。

图7A和7B分别是根据本发明的实施例的具有填充流体路线通道的顺应插件的内部视图的顶部俯视图和侧视图。

图8A示出了根据本发明的实施例的在非超压状态下被设置在腔体中的顺应插件。

图8B示出了根据本发明的实施例的在超压状态下被设置在腔体中的顺应插件。

图9A和9B分别示出了根据本发明的实施例的顺应插件在正常操作压力和超压状态下的操作。

具体实施方式

图1示出了对于本发明的实施例而言尤其有用的示例性过程流体压力变送器12。过程控制或测量系统10包括被联接到过程管道14的压力变送器12，该过程管道14承载过程流体16。过程流体16向压力变送器12施加压力P。压力变送器12例如在双线过程控制回路20上向诸如控制室22的远程位置提供输出。过程控制回路20能够根据任何适当的过程通信协议而操作。在一个构造中，过程控制回路20包括双线过程控制回路，在该回路中，模拟电流强度被用于体现与过程压力P有关的“过程变量”。在另一示例实施例中，过程控制回路20承载与过程压力P相关的数字值。此种协议的示例包括可寻址远程传感器高速通道

或FOUNDATIONTM现场总线通信协议。另一示例过程控制回路包括诸如根据IEC62591的无线通信链路。在此种构造中，元件20表示变送器12和过程控制室22之间的无线通信链路。

变送器12包括压力传感器(在该示例中，压力传感器管芯)40，该压力传感器40能够根据任何适当的技术操作。示例性技术包括微机械加工构造，例如，该微机械加工构造具有如下的元件，该元件具有响应于施加的压力而改变的电特性。过程联接件42将变送器12的主体或壳体18联接到过程管道14。这允许过程压力P被施加到变送器12的隔离膜片50。压力P使得膜片50偏转，该偏转通过通路52中的诸如硅油的填充流体传输到压力传感器40。因此，隔离膜片50具有接触过程流体的第一侧和接触填充流体的相反侧。通路52延伸通过压力传感器模块54，该模块也支撑压力传感器40。压力传感器40向测量电路62提供电输出60。测量电路62连接到端子板70，该端子板被联接到过程控制回路20。在一个示例性构造中，过程控制回路20也被用于向变送器12的诸如测量电路62的电路提供电力。

图2是压力变送器12的方框图。压力变送器12包括电力模块150和回路通信器152，电力模块150和回路通信器152中的每一个都被联接到过程控制回路20。在一个实施例中，电力模块150从回路20接收能量，并且将电力提供到压力变送器12的所有部件。回路通信器152被联接到控制器156，从而回路通信器152向控制器156提供数据，该数据指示接收自回路20的过程通信信号。相反地，回路通信器152能够接收来自控制器156的数据并且在回路20上生成适当的过程通信信号。

回路通信器152能够是任何适当的装置，该装置适于根据过程通信工业标准协议在过程通信回路20上生成适当的信号。此种过程工业通信协议的适当示例包括如上所述的那些。另外，至少在一些实施例中，变送器12依靠电力模块150和回路通信模块152之间的协作，能够在与变送器12从其接收电力的通信介质相同的通信介质上通信。根据该应用，回路通信器152可以是或者包括无线收发器，该无线收发器适于根据包括如前所述的任何适当的无线通信协议通信。

控制器156是任何适当的装置，该装置能够执行一系列程序指令以提供控制或监测功能。在一个实施例中，控制器156是微处理器。控制器156被联接到测量电路62，该测量电路62被联接到传感器40。测量电路62包括适当的电路以测量传感器40的一个或多个可变电特性，并且向控制器156提供指示过程流体压力的数据。优选地，测量电路62包括至少一个数模转换器，该数模转换器适于将压力传感器40的电容或电阻转换为被传输到控制器156的数字数据。

图3是根据现有技术的压力传感器模块100的示意图。压力传感器模块100一般地包括主体102，该主体102由诸如不锈钢的金属形成并且具有在其中延伸的填充流体通路52。填充流体通路52流体地联接到腔体106，该腔体106可以填充有基本上不可压缩的填充流体，诸如硅油。因此，在一些环境下，陶瓷盘204被设置在腔体106中。陶瓷盘具有与填充流体和金属主体102的热膨胀系数不同的热膨胀系数。陶瓷盘204和其关联的热膨胀/收缩有助于抵消主体102和填充流体的热膨胀/收缩的改变。以此方式，陶瓷盘204可以用于补偿用于温度效应的压力变送器。压力传感器40被联接到腔体106并且响应于腔体106中的压力而偏转。到压力传感器40的电触点被制作为通过顶盖104，该顶盖104被机械地附接到主体102。如图3所示，压力P被联接到隔离膜片50。因此，作用在隔离膜片50上的压力P生成膜片50的移动，该膜片50通过通路52中的填充流体将关联的压力传输到腔体106。在如图3所示的装置中，当超压状态出现时，由于通过填充流体而传输的超量压力而能够损坏或破坏传感器40。

根据本发明的一个实施例，较刚硬或非挠性的结构被设置，当在选定阈值的压力下或者在低于该阈值的压力下操作时，较刚硬或非挠性的结构保持固定，但是在比选定阈值高时变得挠性。在一个示例中，选定阈值可以比所期望测量的最大压力高25％。因此，当压力变送器在标称设计范围内操作时，结构是基本刚性的。因此，隔离膜片的偏转使得填充流体产生经过通路的相关移动，并且在联接到压力传感器的腔体中产生相关的压力。然而，在过程流体压力超过选定阈值的情况下，本来刚性的结构将变得顺应环境或者偏转，从而填充流体不会逆着相对柔弱的压力传感器传递否则会是损坏流体的移位。本发明的实施例将针对于两个不同的实施例描述，各个实施例提供此种超压顺应结构。在一个实施例中，该顺应结构是较挠性的，直到达到设定的压力阈值，并且在另一实施例中，结构是连续顺应的，但是在较低压力下是足够小的，以不会影响传感器的正常操作。容易看出，能够使用其他适当结构以及这些适当结构的组合来实现本发明的替代实施例。

图4是根据本发明的实施例的压力传感器模块的剖视图。压力传感器模块200分别包括上部分201和下部分202。部分201、201被焊接在一起或者以其他方式适当地被固定到彼此。在如图4所示的实施例中，刚硬的挠性膜片208被安装在第一部分201和第二部分202之间的空间中。虽然术语“刚硬的挠性膜片”似乎自相矛盾，但是事实上是对其功能的非常合适的说明。具体地，对于选定阈值下的压力或者比选定阈值(诸如，压力变送器的范围上限值的1.2倍)低的压力，膜片50基本是刚性的。因此，在此种情况下，隔离膜片50的弯曲将产生填充流体经过通路209并且进入到通路211中的移动，该通路211被联接到通路210并且最终被流体地联接到腔207和压力传感器206。因此，对于选定阈值下的压力或者比选定阈值低的压力，隔离膜片50的特定量的弯曲将产生填充流体经过通路210的相关移动，并且因此被压力传感器206转换或以其他方式测量。

然而，当过程流体压力超过选定阈值(诸如，压力变送器的范围上限值的1.2倍)时，刚硬的挠性膜片208将弯曲并且因此生成更多可用的油体积，从而允许隔离件在不增加传感器上的压力的情况下进一步移位。以此方式，与当不存在超压时填充流体的响应于隔离膜片50的移动而流动的量相比，流过通路210的填充流体的量将是较恒定的。因此，最终施加到压力传感器206的压力被限定，并且因此压力传感器206免受超压事件的影响。因此，压力传感器206将更加容易承受超压事件。在足够高的压力下(例如，范围上限值的2-3倍)，隔离膜片50抵靠第二部分202固定停止(即，从底部回升)，从而另外的压力仅仅增大对入口腔体的冲击，即，隔离膜片50的表面和连接器和壳体202的下部之间的焊接部，因此消除了高超压对触感器206的影响。这有助于维持传感器206可用性和计量特征以及增大变送器的可用时间和可靠性。随着超压事件消退，刚硬的挠性膜片208将恢复到其原始位置，并且因此在遭受来自超压状态的损坏的情况下变送器能够继续提供压力读数。

如图4所示，提供一对流体体积。第一填充流体体积被设置成靠近隔离膜片50，并且通过通路209、211、210和最终的填充腔体207。第一流体体积能够通过通道211被填充，该通道211的端部215然后能够被密封。注意，在如图4所示的实施例中，腔体207也基本上被陶瓷盘204填充，该陶瓷盘204如上所述可以提供温度补偿作用。第二流体体积被设置在刚硬的挠性膜片208的与第一填充流体体积相反的一侧上。第二填充流体通过端口213被填充或以其他方式被提供，该端口213随后被密封或焊接封闭。第二填充流体在膜片208的相反侧被包含在第二腔体中从而允许膜片在超压情况下弯曲。

图5是根据本发明的另一实施例的、示出具有对超压事件的提高弹性的压力传感器模块的另一实施例的示意性剖视图。模块300包括联接到顶盖304的主体302，该顶盖304支撑压力传感器306。在如图5所示的实施例中，压力传感器模块300提供表压力测量，其中作用在隔离膜片50上的压力参照经由通风孔308而提供的大气压力。与参考图4所示的实施例不同，压力传感器模块300不包括刚硬的挠性膜片。替代地，在腔室310中，中空结构312被设置以替代陶瓷插件，诸如插件204(如图4所示)。顺应插件312能够被放置在现有技术的压力传感器模块的适当的腔体中，由此允许此种传统装置利用本发明的实施例。另外或替代地，顺应插件312也能够被设置在如图4所示的实施例的腔室207中，从而提供进一步的超压顺应弹性。因为顺应插件312替代现有技术陶瓷盘204，所以重要的是在一些实施例中，顺应插件312具有与被替代的陶瓷盘的热膨胀特性相同或类似的热膨胀特性。满足此种需求的金属的适当示例包括铁镍合金，诸如NiSpan-C合金902，可从康乃迪克州的纽黑文市的Ulbrich Stainless Steels and Special Metals，Inc.购得。另外，虽然本发明的一些实施例提供作为中空金属罐的顺应插件312，但是只要此结构具有足够的压缩性，则在使用适当的顺应固体结构的情况下能够实施实施例。事实上，在顺应插件312由诸如聚合物或泡沫陶瓷等的非金属材料制成的情况下，能够实施实施例。

在正常的操作压力下有限地变形的情况下，顺应插件312能够响应于压力而弹性地变形。基于材料选择、壁厚和内部压力，顺应插件312在高压下将充分地变形，从而增大用于填充流体的可用体积，由此允许隔离膜片50从底部回升以抵靠主体302。一旦从底部回升，压力的进一步增大将不能创建额外的填充流体压缩，由此防止过大的压力到达更加脆性的压力传感器306。由于顺应插件312在压力的作用下的变形而引起的有效填充流体体积的增大，足以允许隔离膜片50在比压力传感器306的最大额定值低的压力下从底部回升。然而，由于顺应插件的变形而引起的有效填充流体体积的增大不应当太大以使得隔离膜片在传感器306的最低温度和最大工作压力下从底部回升。进一步地，顺应插件312中的最大应力应当被保持为比形成顺应插件312的材料在导致隔离件从底部回升的最大压力下的弯曲水平更低。以此方式，顺应插件312将不能响应于超压事件而维持塑性变形，而是替代地一旦超压事件结束则将恢复到其原始形状和体积。

图6A和6B分别是根据本发明的实施例的顺应插件312的外部部分的示例顶部俯视图和侧视图。如图所示，顺应插件312一般地具有圆形外直径314和在中心318和外直径314之间延伸的油道316。如图5B所示，油道316一般地不能经过顺应插件312，而是替代地在顺应插件312的外表面周围行进。因为顺应插件312可以尺寸规定为基本填充腔体310，所以油道312是有用的。当发生此种事件时，油道318提供从填充流体通路320到腔体310的靠近压力传感器306的一部分的路径。

图7A和7B分别是顺应插件312的内部视图的顶部俯视图和侧试图。图7A、7B以及图6A、6B之间的主要不同是内部体积322的描述。该内部体积322被密封。因此，顺应插件312一般地被制作为具有特定的内部压力。然而，该特定的内部压力按照需要能够是真空或者适当的低压。顺应插件312的壁厚以及材料选择和顺应插件312的内部压力和施加的外部压力之间的差压将导致顺应插件312的可选择的变形量。

图8A示出了非超压条件下的顺应插件312。当压力增加到变送器的最大操作压力之上时，顺应插件312经受足够的变形以增大腔体310中的用于填充流体的可用体积。图8B示出了该条件。此外，图9A和9B分别示出了在隔离件没有从底部回升的正常操作压力期间以及顺应插件已经充分地变形从而隔离件已经完全从底部回升的超压事件期间，顺应插件的操作。

本文中说明的本发明的实施例一般地提供用于压力变送器的增大的超压弹性。此种实施例能够被用于压力变送器，该压力变送器提供绝对压力测量、表压测量、差压测量或它们的任何组合。另外，虽然已经说明了两种不同的实施例，但是通过组合不同的实施例以及使用响应于超压事件提供顺应性的其他物理设置，清楚地可以想到额外的实施例。

虽然已经参考优选的实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本发明的精神和范围的基础上可以对形式和细节做出改变。

Claims (18)

1.一种过程流体压力变送器，包括：

压力传感器，所述压力传感器具有响应于压力传感器的变形而改变的电特性，该压力传感器响应于压力而变形；

测量电路，所述测量电路被联接到压力传感器并且被构造为提供电特性的指示；

隔离膜片，所述隔离膜片被构造为接触过程流体并且响应于过程流体压力而变形；

不可压缩的填充流体，所述不可压缩的填充流体将隔离膜片与压力传感器流体地联接；以及

超压顺应结构，所述超压顺应结构被联接到填充流体，使得填充流体从超压顺应结构的一侧流动到超压顺应结构的相反侧并且被构造为在比选定阈值低的压力下是刚性的，但是能够响应于比所述选定阈值高的压力而变形，以生成更多可用的填充流体体积，从而在不增加压力传感器上的压力的情况下允许隔离膜片进一步移位。

2.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构包括刚硬的挠性膜片，所述刚硬的挠性膜片被构造为在比选定阈值低的压力下是刚性的，并且响应于比所述选定阈值高的压力而变形。

3.根据权利要求2所述的过程流体压力变送器，其中，

刚硬的挠性膜片具有接触不可压缩的填充流体的第一侧和接触第二流体体积的第二侧。

4.根据权利要求2所述的过程流体压力变送器，其中，

刚硬的挠性膜片被安装在第一压力传感器模块部分和第二压力传感器模块部分之间，并且其中填充流体通路从隔离膜片延伸通过第一压力传感器模块部分和第二压力传感器模块部分以到达压力传感器所联接到的腔体。

5.根据权利要求4所述的过程流体压力变送器，其中，

陶瓷盘被设置在所述腔体中。

6.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，

压力传感器由硅片形成。

7.根据权利要求6所述的过程流体压力变送器，其中，

压力传感器是应变计压力传感器。

8.根据权利要求6所述的过程流体压力变送器，其中，

压力传感器是电容式压力传感器。

9.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，

选定阈值比过程流体压力变送器的量程上限高大约20％。

10.一种过程流体变送器，包括：

压力传感器，所述压力传感器具有响应于压力传感器的变形而改变的电特性，该压力传感器响应于压力而变形；

测量电路，所述测量电路被联接到压力传感器并且被构造为提供电特性的指示；

隔离膜片，所述隔离膜片被构造为接触过程流体并且响应于过程流体压力而变形；

不可压缩的填充流体，所述不可压缩的填充流体将隔离膜片与压力传感器流体地联接；

腔体，所述腔体被设置为靠近压力传感器并且流体地联接到所述压力传感器；以及

超压顺应结构，所述超压顺应结构被设置在所述腔体中并且被构造为响应于超压而变形，以产生足够的体积以允许隔离膜片从底部回升。

11.根据权利要求10所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构成形为圆柱形。

12.根据权利要求11所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构包括从圆柱体的第一表面延伸到圆柱体的相对表面的油道。

13.根据权利要求10所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构由中空的金属圆柱体形成。

14.根据权利要求13所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构由NiSpan-C合金902形成。

15.根据权利要求10所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构由聚合物形成。

16.根据权利要求10所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构由泡沫陶瓷形成。

17.根据权利要求10所述的过程流体压力变送器，其中，

选定阈值比过程流体压力变送器的量程上限高大约20％。

18.根据权利要求10所述的过程流体压力变送器，其中，

超压顺应结构被构造为在超压状况过去之后恢复到其原始形状和尺寸。

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