CN107884116A - 温度补偿绝对压力传感器 - Google Patents

Abstract

呈现了被构造成用于提供绝对压力测量的压差变送器。压差传感器包括第一过程流体入口。压差传感器还包括第二过程流体入口。压差传感器还包括可操作地连接到第一过程流体入口和第二过程流体入口的压差传感器。压差传感器还包括连接到第二压力入口的绝对压力帽。帽在膨胀特征部中包括一定体积的气体。所述体积的气体具有基准压力。膨胀特征部被构造成用于允许所述体积的气体响应于温度增加而膨胀，使得所述体积的气体保持基准压力。

Description

温度补偿绝对压力传感器

背景技术

过程变量变送器通常包括换能器或传感器，所述换能器或传感器响应于过程变量-物质的化学或物理状态或能量转换。在过程环境中测量的过程变量的示例包括压力、温度、流量、电导率、酸碱性和其它的相关性质。压力是可以用于得到流量、液位和温度的测量值的基本过程变量。

过程流体压力变送器使用仪器歧管或凸缘连接到过程。过程流体压力变送器是现场装置，现场装置可安装在过程设备中并且通常用于工业过程中以测量和监控各种工业过程流体的压力，工业过程流体诸如为水泥、液体、水汽和化学制品的气体、纸浆、石油、气体、医药品、食物和其它的流体类型的加工工厂。

发明内容

呈现了被构造成用于提供绝对压力测量的压差变送器。压差传感器包括第一过程流体入口。压差传感器还包括第二过程流体入口。压差传感器还包括可操作地连接到第一过程流体入口和第二过程流体入口的压差传感器。压差传感器还包括连接到第二压力入口的绝对压力帽。帽在膨胀特征部中包括一定体积的气体。所述体积的气体具有基准压力。膨胀特征部被构造成用于允许大量气体响应于温度增加而膨胀，使得大量气体保持基准压力。

附图说明

图1A-1C图示现有技术的压力变送器的一个示例的多个视图。

图2图示了根据本发明的实施例的绝对压力传感器。

图3A和3B图示了根据本发明的另一第二个实施例的绝对压力传感器。

具体实施方式

压差变送器通常包括可操作地连接到压差传感器的第一过程压力流体输入和第二过程压力流体输入，压差传感器定位在变送器中，变送器被构造成用于对两个输入之间的检测压差作出响应。压差变送器通常地包括可操作地连接到一对隔离膜片的压差传感器，每个隔离膜片都定位在过程流体入口中的一个处。隔离膜片用于隔离压差传感器与过程流体。通过大致不能压缩的填充流体，压力从过程流体传送到压差传感器，大致不能压缩的填充流体被携带在从每个隔离膜片延伸到压差传感器的通路中。

一个压差传感器构造包括仪器歧管，仪器歧管在一对大致共面端口中具有过程流体压力入口。该歧管的一个示例在可从明尼苏达州的昌哈森的Rosemount公司获得的商业指定型号375 Coplanar^TM下售卖。

在至少一些情况中，有利的是具有如下的压力变送器，所述压力变送器被构造成用于为绝对压力提供基准压力读数以取代压差测量值。有利的可以是能够将压差传感器转换成为绝对压力传感器。然而，绝对压力传感器必须能够在各种环境中在一系列环境压力和温度中提供精确压力读数。

图1A-1C提供现有技术的压力变送器的多个视图。变送器100使用被构造成用于输出绝对压力读数的压差传感器。压力变送器100包括被构造成用于容纳电子电路的壳体101。压力变送器还包括容纳隔离膜片的压力传感器模块壳体102，和相关联的传感器电路。压力传感器模块壳体102通过一个或多个螺栓105栓固到压力凸缘104。螺栓105还穿过凸缘适配器管套118。凸缘适配器管套118可以具有连接到螺纹过程管道(未示出)的螺纹入口。压力凸缘104被构造成用于将一个或多个过程流体压力传输到变送器100以用于过程测量。压力变送器100连接到过程环路103，过程环路103激励压力变送器100，并且提供用于过程控制系统中的双向通信。压力传感器模块壳体102包括直接地连接到压力传感器模块壳体102的隔离膜片，压力传感器模块壳体102包括围绕每个隔离膜片定位的螺纹螺栓孔。

通过转换差动式变送器，绝对压力变送器可以被产生，如图1B更清楚地所示。通过将密封基准压力连接到压差传感器的低压侧过程连接部，该转换被实现。密封参考通常通过将绝对压力(AP)帽焊接到变送器低压侧上的焊接环而产生。

图1B图示了具有绝对压力帽150的压力变送器100的视图。绝对压力帽150例如焊接到变送器100的低压输入端上的焊接环160，使得压差传感器报告连接到过程流体的高压侧和绝对压力帽中的压力之间的差值。在安装时，当绝对压力帽150焊接到焊接环160时，例如通过向管152施加真空压力并且然后密封管152，从而具有特定压力值的诸如空气或氮的气体被密封到绝对压力帽150中。帽150内侧的压力值建立用于压差传感器的已知参考。帽150内侧的压力不一定设置成0压力，或精确的真空，在隔离器下方的油填充系统中，这可以存在废气处理的危险。因此，帽150内侧的真空水平经常被设置在高于0的已知压力值下(例如1PSIA-5PSIA)，以减少废气处理的危险。例如，在安装时，校准步骤可以被使用以考虑绝对压力帽中的基准压力。假设帽150中的压力在变送器100的操作寿命中不显著地改变，帽150中的已知气体压力可以允许在校准之后，变送器给出精确的绝对压力输出。

图1C图示了绝对压力传感器100的剖视图。尽管绝对压力帽150提供稳定的基准压力，但是绝对压力帽150内侧的捕获气体160可以影响过程环境中的变送器性能，过程环境经历环境温度和压力的改变。随着温度改变，捕获气体160根据理想气体定律的下文方程1而响应：

PV＝nRT 方程1

其中P是在体积V中在温度T下的数量为n的气体经历的压力。R是理想气体常数。随着气体数量n在绝对压力帽的恒定体积V中保持恒定，绝对压力帽的压力P和改变的环境温度T之间的关系可以由Amonton定律描述。具体地，Amonton定律表示对于不变体积中的气体的恒定摩尔数，绝对压力与绝对温度成正比例，如下文的方程2所示：

P1和T1表示在安装过程中绝对压力帽150中的初始压力和温度。P2和T2表示捕获气体160的随后状态。因此，如果温度从20℃(293K)增加到93℃(366K)，则绝对压力帽150中的压力将增加1.25的因数或额外的25％。在该情况下，变送器输出将被压力改变直接地影响，经历与温度增加关联的误差。

由于许多该传感器不在恒温环境中，所以使用上述参考帽，温度改变特别可以影响压差传感器100的输出。随着压力传感器100经历改变的温度，捕获气体160保持在固定体积下，不自由膨胀或收缩。这可以导致绝对压力帽150的改变压力，导致压力偏离在安装过程中设置的‘基准压力’。因此，随着绝对压力帽150中的压力改变，变送器100将经历压力测量值中的随着环境温度改变的误差。因为来自温度波动的误差可以构成校准压力范围的大部分，所以对于针对低压范围校准的压力变送器尤其如此。在高压范围，当变送器100暴露给较大温度改变时，帽150也可以产生较大误差。因此，需要绝对压力传感器的被转换的压差，尽管环境遭受环境温度的改变，但是被转换的压差可以保持恒定精度。

图2图示了根据本发明的实施例的绝对压力传感器。防止由于环境温度改变而导致的压力测量误差的一个方式是，以充分补偿环境温度改变的方式来允许或促使基准压力帽中的体积改变。如上关于理想气体定律所述，压力和温度可以与体积改变关联。因此，提供气体的体积自由膨胀或收缩的环境，随着环境温度改变，绝对压力帽中的压力更不易于经历基于温度的误差。

可以提供该解决方案的压差变送器设计的一个示例呈现在图2中。图2图示了被构造成用于提供绝对压力测量值的压差变送器200的部分。在一个实施例中，压力变送器200包括腔210，腔210被构造成用于与大气250连通。膨胀元件220设置在腔210中。在一个实施例中，膨胀元件220包括波纹管，波纹管被构造成用于随着气体的体积膨胀和收缩，部分地打开和部分地闭合。在一个实施例中，波纹管220包括大致不能压缩的材料，使得操作体积的改变大致地仅由于波纹管220的机械致动，而不由于任何材料膨胀。

波纹管220包括初始体积的捕获气体，捕获气体响应于温度改变，导致波纹管220响应于温度改变而膨胀或收缩。在一个实施例中，波纹管220包括大致不能压缩的材料，使得体积改变大致地仅由于，随着波纹管220中的气体响应于温度增加和减少而膨胀和收缩，从而波纹管220伸展和折叠，而不由于波纹管220的壁厚度的任何改变。在一个实施例中，波纹管220被构造成用于可逆地膨胀和收缩，使得捕获气体的压力被保持。

在一个实施例中，波纹管220直接地焊接到刚性帽230。波纹管220可以被构造成用于，在波纹管220的材料厚度没有足够改变的情况下，响应于经历的环境温度改变而打开或闭合。包括波纹管220的材料可以被选择以确保响应于温度增加的、在过程凸缘的密封隔间中的适当量的行进或位移。在一个实施例中，波纹管220包括如下材料，所述材料是足够刚性的以保持在安装时的初始体积，但是也是足够可塑的以响应于温度增加而机械地展开。在一个实施例中，波纹管220被构造成用于返回到安装位置，并且可以甚至响应于随后的温度降低而进一步地闭合。在一个实施例中，波纹管220包括如下材料，所述材料不响应于温度改变而经历较大的厚度改变，使得体积仅随着波纹管打开和闭合而改变。因而，波纹管220响应于温度改变而致动，使得波纹管220的体积改变大致地仅被捕获在波纹管220中的气体的膨胀或收缩的改变而导致。

在一个实施例中，腔210保持通向大气250，使得波纹管220自由地膨胀和收缩，而未经历来自腔210中的气体的膨胀或收缩反作用力。然而，在另一实施例中，腔210可以与大气250隔绝。该构造可以用于如下应用中，即其中变送器的低压侧暴露给环境大气压力的较大增加。因此，对于环境压力250遭受极大改变的应用，在腔210与大气250密封的情况下，压力变送器200可以提供更精确的结果。然而，对于大部分应用，由大气250中的波动环境压力所引起的误差的大小显著地小于由大气250的改变温度所引起的误差。在一个实施例中，过程腔210垂直于不遭受较大压力改变的已知参考物或位置。

图3A和3B图示了根据本发明的另一个实施例的绝对压力传感器。在图示的实施例中，绝对压力变送器300包括被转换的压差变送器，被转换的压差变送器被构造成用于提供绝对压力测量值以作为输出。通过使用绝对压力活塞310，压差变送器300被转换成绝对压力变送器。在一个实施例中，活塞310定位在绝对压力帽302中，在压差变送器的低压侧，绝对压力帽302定位在腔304中。在一个实施例中，压差变送器的低压侧与高压侧306是共面的，高压侧被构造成用于暴露给和测量过程流体压力。

在一个实施例中，第一区域320和第二区域330设置在帽302中。在一个实施例中，活塞310被构造成用于响应于环境温度改变而在帽302中移动，使得区域330中的气体体积可以在绝对压力帽302中膨胀或收缩。在一个实施例中，第一区域320被设计成小于第二区域330，使得活塞310的任一侧的压差被适应。然而，在其它的实施例中，区域320和330可以是大致地类似的，或区域320可以大于区域330。在一个实施例中，应用于活塞310的每侧的力等于经历的压力乘以活塞310的暴露区域322和332。在一个实施例中，活塞310被构造成用于使得活塞区域322和332的比率与大气压力和帽302中的初始密封基准压力的比率关联。在一个实施例中，当帽302首先被排空到规定的真空水平时，压力变送器300的构造可以产生力的平衡。尽管图3A图示了帽302的剖视图，为了示出活塞310的工作，应该注意，在安装环境中，区域322和332指示活塞310上的全部表面区域。弹簧可以附接到活塞310，以在力和活塞位移之间提供规定关系。

在一个实施例中，通过一个或多个O型环密封件340和342，活塞310被密封在帽304中。在一个实施例中，O型环密封件340和342被构造成用于密封绝对压力帽304的区域330中的捕获气体。在一个实施例中，变送器300包括第一O型环密封件340和第二O型环密封件342，第一O型环密封件340被构造成用于密封活塞区域320与活塞区域330，并且第二O型环密封件342被构造成用于密封活塞区域320与大气380。

图3B图示了类似于图3A示出的绝对压力帽的另一视图，其中类似的特征部被类似地编号。在一个实施例中，如图3B所示，绝对压力帽354的第一体积362与腔352连通，腔352与大气380连通。尽管在图3B的实施例中图示O型环密封件390，但是在其它的实施例中，也可以使用允许活塞360在绝对压力帽354中移动的其它适当的密封机构。在一个实施例中，绝对压力帽354被构造成用于使得绝对压力帽354包括活塞360，活塞360被构造成用于，随着参考气体的捕获体积膨胀和收缩，沿着箭头370指示的方向移动。在一个实施例中，箭头370表示活塞360沿着移动的膨胀轴线。活塞360分离第一体积362与第二体积364。第一体积362中的大气压力与第二体积364中的参考气体的压力相互作用以移动活塞360。一旦压力变送器300的组装完成，则活塞360被构造成用于随着温度改变而自由地移动，使得通过在温度增加时膨胀并且在温度降低时收缩的气体，基准压力被大致地保持。

在一个实施例中，止动件392被包括在压力帽354中，以例如在较大环境温度状态下，防止气体在体积364中的过度收缩。止动件392可以被构造成用于使得如果低压侧暴露给大气，则在某些温度偏离过程中，过大的大气压力增加的作用可以被防止，同时仍然获得改进的变送器性能的益处。在一个实施例中，止动件392包括沿着焊接环的内圆周的突出部，使得活塞360的移动被限制在箭头370指示的向下方向上。

在一个实施例中，如图3B所示，一个或多个O形环390被设置为活塞360和帽352之间的密封件。第一O型环390被构造成用于分离体积362与体积364，并且第二O型环390被构造成用于分离体积362与腔354。

使用本文中呈现的任何实施例可以允许使用压差变送器以提供绝对压力测量值。本文中提供的至少一些实施例相对于现有技术的绝对压力帽在环境温度和压力改变方面具有极大的改进。本文中描述的实施例允许在绝对压力帽中利用更高的基准压力操作，减少废气处理的危险，同时更好减轻大气中的温度作用。因为能够减轻温度作用，所以提出的设计可以允许绝对压力被设计成用于之前不可用于转换压差传感器的低压范围。例如，固定帽的绝对压力设计，诸如图1的那些设计，当前仅可用于具有大于1000水柱英寸数的范围上限的范围。

本文中所述的实施例也可以为压力的突变提供一些阻尼。另外地，本文中提供的实施例允许绝对压力帽不依赖于绝对压力帽的材料改变而膨胀和收缩。在一个实施例中，绝对压力帽是足够刚性的，使得绝对压力帽不响应于温度作用而经历较大的体积改变。

虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。

Claims (24)

1.一种被构造成用于提供绝对压力测量值的压差变送器，所述压差变送器包括：

第一过程流体入口；

第二过程流体入口；和

以可操作方式连接到第一过程流体入口和第二过程流体入口的压差传感器；

连接到第二压力入口的绝对压力帽，所述帽在膨胀特征部中包括一定体积的气体，其中所述体积的气体具有基准压力，其中膨胀特征部被构造成用于允许所述体积的气体响应于温度增加而膨胀，使得所述体积的气体保持基准压力。

2.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

所述绝对压力帽由大致不能压缩的材料形成，使得所述体积的气体的膨胀大致地仅由膨胀特征部的机械致动引起。

3.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

所述膨胀特征部被构造成用于允许所述体积的气体响应于温度降低而收缩。

4.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

所述膨胀特征部包括波纹管，所述波纹管被构造成用于响应于温度增加而至少部分地膨胀，并且被构造成用于响应于温度降低而至少部分地收缩。

5.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

所述膨胀特征部包括被构造成用于沿着膨胀轴线移动的活塞。

6.根据权利要求5所述的压差变送器，其中：

活塞使绝对压力帽中的第一体积与第二体积分离。

7.根据权利要求5所述的压差变送器，并且进一步地包括：

止动件，所述止动件被构造成用于限制活塞通过止动点的收缩。

8.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

绝对压力帽定位在被构造成与大气连通的腔中。

9.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

第一过程流体入口包括高压过程流体入口。

10.根据权利要求9所述的压差变送器，其中：

高压过程流体入口通过隔离膜片连接到过程流体。

11.根据权利要求1所述的压差变送器，其中：

第二过程流体入口是被构造成连接到过程流体的低压过程流体入口。

12.一种绝对压力感测系统，包括：

被构造成连接到过程流体的第一压力入口；

连接到基准压力帽的第二压力入口，其中基准压力帽包括处于基准压力的一些气体；和

压差传感器，所述压差传感器连接到第一压力入口和第二压力入口，并且被构造成用于测量第一压力入口和第二压力入口之间的压差。

13.根据权利要求12所述的绝对压力感测系统，其中：

基准压力帽由大致不能压缩的材料形成，并且被构造成用于响应于经历的环境温度改变而机械地致动，使得基准压力被保持，其中机械地致动导致所述一些气体的体积改变。

14.根据权利要求12所述的绝对压力感测系统，其中：

基准压力帽包括波纹管，并且其中改变所述一些气体的体积包括波纹管响应于温度增加而至少部分地膨胀并且响应于温度降低而至少部分地收缩。

15.根据权利要求12所述的绝对压力感测系统，其中：

基准压力帽包括活塞，并且其中改变所述一些气体的体积包括活塞响应于经历的环境温度改变而沿着轴线移动。

16.根据权利要求15所述的绝对压力感测系统，并且进一步地包括：

位于轴线的端部处的止动件，其中止动特征部被构造成用于防止活塞的过度收缩。

17.根据权利要求12所述的绝对压力感测系统，其中：

基准压力帽被焊接到第二压力入口。

18.一种被构造成用于连接到压差变送器的转换机构，所述转换机构包括：

膨胀特征部；

连接特征部，所述连接特征部被构造成用于将转换机构连接到压差传感器的低压入口；和

其中，当连接到压差传感器时，膨胀特征部被构造成用于包含处于基准压力的已知体积的气体，并且其中膨胀特征部被构造成用于在机械致动时，响应于环境温度的改变，将构造从第一构造可逆地改变成第二构造，使得基准压力被保持。

19.根据权利要求18所述的转换机构，其中：

膨胀特征部由大致不能压缩的材料形成，使得基准压力大致地仅通过膨胀特征部的机械致动来保持。

20.根据权利要求19所述的转换机构，其中：

膨胀特征部包括波纹管。

21.根据权利要求19所述的转换机构，其中：

膨胀特征部包括活塞。

22.根据权利要求21所述的转换机构，并且进一步地包括：

止动特征部，所述止动特征部被构造成用于限制活塞的移动。

23.根据权利要求21所述的转换机构，并且进一步地包括：

O型环，所述O型环被构造成用于在活塞和转换机构的内壁之间提供密封。

24.根据权利要求18所述的转换机构，其中：

连接特征部包括焊接环。