CN110940449B - 远程密封隔膜系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量过程压力的变送器包括压力传感器和提供输入温度信号的温度传感器。第一远程压敏隔膜通过填充有填充流体的第一毛细管耦合到变送器，该填充流体具有取决于填充流体温度的密度。输入电路至少有效连接到压力传感器并提供至少大体上表示过程压力的中间压力信号。校正电路耦合到温度传感器和输入电路。校正电路通过补偿取决于温度的填充流体密度来处理中间压力信号，并提供更接近地表示过程压力的补偿输出。校正电路还基于在没有向第一隔膜施加压力时所进行的压力测量来执行初始高度确定。

Description

远程密封隔膜系统
技术领域
本发明涉及一种具有远程隔膜的用于测量过程介质的压力的压力变送器。更具体地，本发明涉及提供经校正的变送器输出，以补偿由远程隔膜引起的测量误差。
背景技术
感测诸如差压、表压和过程温度之类的过程变量的变送器是已知的。在过程控制工业安装时，变送器通常安装在待测量的过程介质附近。变送器提供表示所感测到的过程变量的输出。然后，通过双线电流回路或以无线方式向远程控制室传送该输出。
在许多情况下，变送器具有变送器壳体，该变送器壳体包含压力传感器和与该压力传感器流体地耦合(fluidically couple)的一个或两个隔膜。待测量的过程介质接到变送器壳体以接触隔膜，并且隔膜向压力传感器传递过程介质压力。在其他情况下，变送器系统包括通过毛细管与变送器壳体分隔开的远程隔膜，该毛细管通常是柔性的并且其长度可以为几分之一米或长达几十米。过程介质接触远程隔膜，远程隔膜经由填充毛细管的基本上不可压缩的流体向变送器壳体中设置的压力传感器传递所施加的压力。
本发明的主题是利用一个或多个远程隔膜的后一类变送器。已有的远程隔膜受到周围环境温度变化引起的潜在误差的影响。在恒定的过程介质压力下，由于在远程隔膜和所连接的毛细管上的热效应，变送器输出可能随外部环境温度而变化。所产生的误差取决于远程隔膜相对于变送器的垂直位置。(或者，两个远程隔膜之间的垂直距离)。由于远程隔膜与变送器之间的垂直距离是特定于所选安装的，因此难以预先确定热效应。
已知的远程隔膜变送器具有变送器壳体中设置的温度传感器，并且变送器电路使用这种温度传感器的输出来提供相对准确的变送器输出，此变送器输出针对各个变送器组件的热响应进行了校正。某些变送器对特定于安装的远程隔膜系统的温度变化加以校正，在这些远程隔膜系统中，远程隔膜之间存在有净垂直间隔，如于1996年9月6日公布的题为“具有远程密封隔膜的压力变送器及其校正电路(PRESSURE TRANSMITTER WITH REMOTESEAL DIAPHRAGM AND CORRECTION CIRCUIT THEREFOR)”的国际申请PCT/US95/02037所示。(还参见于1999年1月22日发布的题为“隔膜密封型差压测量设备(DIAPHRAGM SEAL TYPEDIFFERENTIAL PRESSURE MEASURING DEVICE)的JPH 1114483A)”。然而，这类系统可能难以试运行(commission)，并且还需要复杂的步骤才能在工业设施中实现正确的安装。
发明内容
一种用于测量过程压力的变送器包括压力传感器和提供输入温度信号的温度传感器。第一远程压敏隔膜通过填充有填充流体的第一毛细管耦合到变送器，该填充流体具有取决于填充流体温度的密度。输入电路至少有效连接到压力传感器并提供至少大体上表示过程压力的中间压力信号。校正电路耦合到温度传感器和输入电路。校正电路通过补偿取决于温度的填充流体密度来处理中间压力信号，并提供更接近地表示过程压力的经补偿的输出。校正电路还基于在没有对第一隔膜施加压力时所进行的压力测量来执行初始高度确定。
提供本发明内容和摘要是为了以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。发明内容和摘要并不旨在明确所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用来帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
图1是在测量过程介质的表压或绝对压力的安装中具有远程隔膜系统的变送器的示意性正视图。
图2是示出了由温度变化引起的压力测量值变化的图表。
图3是取决于温度的填充流体密度效应的图表。
图4是压力和温度相对于时间的图表。
图5是图1的变送器的更详细的示意图，其示出了本发明的第一实施例。
图6是图1的变送器的另一示意性正视图，但该变送器在测量过程介质的差压的安装中具有经改进的远程隔膜系统。
具体实施方式
远程密封毛细管系统可以成功地补偿因为过程及环境温度而引起的流体膨胀所产生的误差。关于此误差的示例，请参见图2。密度随环境温度的任何变化而变化，当安装在室外时，环境温度可以呈现出昼夜(微观)和季节(宏观)变化。
图1示出了典型的变送器11的示例，变送器11具有连接到变送器壳体14的远程隔膜系统12。变送器11测量过程介质(过程流体)16的压力。远程隔膜系统12包括与过程介质16相接触的薄薄的柔性隔膜18。系统12还包括背板19，背板19与隔膜18一起限定了空腔20。毛细管22将空腔20耦合到变送器壳体14中设置的压力传感器27，这种耦合是经由变送器壳体隔膜25以及将隔膜25与传感器27连接的密封流体系统来实现的。密封流体系统以及空腔20和毛细管22填充有合适的流体(未示出)，用于向传感器27传递过程压力。流体可以包括硅油、甘油和水、丙二醇和水或者优选地基本上不可压缩的任何其他合适的流体。
当从过程介质16施加过程压力时，隔膜18通常会发生位移，从而将来自远程隔膜系统12的测量压力通过板19中的通道并通过毛细管22向压力传感器27传递。所产生的向压力传感器27(其可以是基于电容的压力元件)施加的压力使得这种电容发生改变。传感器27还可以在其他已知的感测原理的基础上操作，比如，应变仪技术。变送器壳体14内的电路以电子方式将该电容转换成例如线对30(双线过程控制回路)上指示过程压力的线性4～20mA变送器输出信号。
在一个实施例中，提供了一种远程密封隔膜系统，其中，计算过程连接与压力传感器之间的垂直距离。然后，可以使用计算出的距离来校正由温度变化引起的压力测量误差。变送器壳体14包括在变送器壳体处当地测量温度的温度传感器28。
变送器壳体14包括测量并补偿温度变化的电路(图1中未示出)，并通过线对30提供输出。温度是使用温度传感器28来测量的。输出可以是数字的或模拟的。在一种配置中，借助于通过双线过程控制回路30而接收的电力，完成对变送器11的供电。在另一示例性配置中，连接30表示通向远程位置的RF连接。这种RF连接可以根据诸如
Figure GDA0003264886120000041
之类的工业标准通信技术或者包括实现网状网络的技术在内的其他技术来实现。在这样的配置中，变送器11可以包括一些本地电源，包括电池或电源连接、太阳能电池布置等。
图1还示出了手持校准单元31，手持校准单元31可以包括例如手持通信器，比如，可从明尼苏达州沙科皮市艾默生自动化解决方案公司购得的475现场通信器。这种手持校准单元31可以耦合到过程控制回路30，并且可以在安装期间用于预配置变送器11，如下面更详细地讨论的。另外，在某些配置中，手持校准单元31可以使用包括
Figure GDA0003264886120000042
在内的RF通信技术、其他无线通信技术、
Figure GDA0003264886120000043
等来与过程变量发送器进行通信。也可以采用RFID通信技术以及包括USB连接在内的本地有线技术。
隔膜25与隔膜18之间的垂直距离H导致了填充流体密度效应误差，这种误差取决于H和隔膜25、18之间的填充流体的温度(T)。由变送器11测量的压力可以表示为：
测量到的压力＝PPROCESS+PERROR 等式1
其中：
PERROR＝P(T，H) 等式2
并且
PPROCESS＝实际过程压力 等式3
根据本发明，至少针对填充流体密度效应误差而校正变送器输出。本发明包括一种计算方法，用于1)计算过程连接之间的垂直距离，以及2)使用该值来补偿在垂直安装的远程密封毛细管系统中环境温度变化期间的填充流体密度变化。
环境温度呈现出每日性变化和季节性变化，由此影响过程压力读数以及随后的过程和设备。在图2的图表中示出了这样的误差。这种补偿方法将计算出由该效应产生的压力误差，并从初始传感器读数中减去该误差，从而为用户提供不会随季节及每日温度变化而变化的更准确的测量值。
在图3中示出了填充流体密度效应误差PError(T，H)。已知的是，在安装变送器之后，废除给定温度下的初始压力误差PError，由此通过校准或重新调零变送器11来定义出高度H。然而，相对于上一次校准时的温度的温度变化通过改变填充流体的密度，从而造成了后续压力测量值变化。这种“填充流体密度效应”(也称为“头温度效应”)取决于距离H、填充流体的密度、填充流体的膨胀系数以及温度变化。
填充流体密度效应可以表示为：
PERROR＝(H)(SG)(C)ΔT 等式4
其中，H是图1中所示的距离，SG是毛细管22中填充流体的比重，C是填充流体的热膨胀系数，而ΔT表示填充流体的温度相对于在变送器11的上一次校准时填充流体的温度的差。
如等式4中所示并且在图3中以图形方式说明，填充流体密度效应PError与温度变化成正比。图3的图表的斜率由下式给出：
斜率＝(H)(SG)(C) 等式5
因此，其中，TO是在变送器11的上一次校准时的填充流体的温度，对于任何给定温度T，填充流体密度效应是：
PERROR＝斜率·(T-TO) 等式6
如上所述，远程密封毛细管系统可以成功地补偿因为过程及环境温度而引起的流体膨胀所产生的误差。但是，它们要求系统应针对特定的安装来进行设计和配置。当前执行这种类型的补偿的技术可能要求系统在差压系统中在压力变送器的高压侧和低压侧上以相同的毛细管构造、长度和密封类型/尺寸来实现平衡。此技术还可以在单一远程安装密封安装方式中实现密度误差补偿。当前技术可能依赖于压力变送器内部的温度传感器，而这限制了补偿的准确性。
为了校准系统，变送器收集初始压力读数(即，由垂直毛细管内的填充流体产生的头压)和环境温度读数，以计算出过程连接之间的垂直距离。这种计算可以在安装时作为零位调整功能的一部分而自动执行。在自动表征过程中，在将变送器11安装在工业过程中之后获得初始压力读数。此初始压力读数基本上是来自毛细管22内部的填充流体的头压。该读数是在没有对图1所示的隔膜18施加任何压力的情况下获得的。另外，使用温度传感器28获得温度读数。然后，可以例如作为在安装时零位调整功能的一部分而自动地执行计算。下面的等式7中给出一种示例性计算：
Figure GDA0003264886120000061
在等式7中，Pinstall是在安装时获得的压力，Pfactory是在制造期间获得的零高度下的压力测量值，而SG是在所测量的温度下的填充流体的比重。然后，在操作期间，可以结合实时环境温度读数在来自外部快速响应温度传感器的一些迭代中使用高度值，从而补偿垂直安装的毛细管系统中填充流体密度变化所产生的误差。
在另一示例性实施例中，表征过程可以通过本地操作者界面发起。例如，图1示出了耦合到双线过程控制回路30的手持校准单元31。这可以用来向下面结合图5讨论的计算(校正)电路58发送校准命令。本地操作者界面的另一示例是示出为图5中的元件66。在图5的配置中，本地操作者界面66可以包括例如位于变送器壳体14的显示器上的触敏按钮，或者包括外部启动按钮。例如，可以使磁体靠近变送器14的区域以使内部开关闭合，从而发起对高度H的确定，如上所述。在另一示例性配置中，可以使用RFID标签。在这样的配置中，操作者可以使用变送器中包含的RFID电路来检索特定变送器的标签。在这样的配置中，图5中所示的元件66可以包括RFID电路。例如，在获得了RFID标签信息之后，操作者可以将该信息下载到控制室32中包含的控制设备中。然后，控制设备可以用于向特定变送器发送命令，在此之后，该特定变送器开始试运行过程。
在图4中所示的实验数据中，下虚线是环境温度，下实线是原始压力读数，而上方的线是经补偿的压力读数。需要注意的是，原始压力读数密切随环境温度趋势变化。
等式8详述了如何计算经补偿的压力值P_corrected：
Figure GDA0003264886120000071
在等式8中，P0是原始压力读数，h是过程连接(或过程连接与变送器隔离隔膜)之间的垂直距离(其将在用户进行零位调整功能时自动地进行计算)，SG是远程密封填充流体的比重(在制造过程中固定)，Beta是远程密封填充流体的热膨胀(在制造工厂处固定，或者使用本地操作者界面输入)，T是当前环境温度，而TLZA是在工厂对该单元进行校准时的温度，例如25℃。
在一个实施例中，变送器壳体14在功能上分成传感器模块50和电子模块52，如图5所示。传感器模块50执行与测量和补偿过程变量有关的任务。电子模块52执行必要的计算、数据记录和输出控制功能。压力传感器27的电容被提供给电容至数字专用集成电路(ASIC)54，其将电容信号转换成称为“压力计数”或“pcounts”的中间值。温度传感器28向电阻至数字ASIC 56提供表示变送器壳体内的温度的信号，其中温度信号被转换成称为“tcounts”的中间值。向电子模块52提供pcounts和tcounts，其中，计算电路58补偿填充流体密度效应，并提供表示过程压力的经校正信号。计算电路58可以包括例如微处理器。计算电路58可以根据存储器70中存储的指令进行操作。经校正信号通常在电路60处进行进一步处理，并在电路62和64处分别被转换成适合从变送器壳体14输出的数字信号和模拟信号。传感器28可以位于变送器壳体14中，如图1所示，或者可以沿管22连接，以提供更准确的温度测量值。
如上所述，来自填充流体密度的热效应取决于远程隔膜系统12的垂直位置，而这种垂直位置对于每次安装来说可以是唯一的。根据本发明，表征信息可被存储在存储器70中。
图6示出了连接到两个远程隔膜系统12、12B并且适合于测量过程介质16的差压的变送器壳体14。毛细管22A、22B将相应的远程隔膜连接到变送器壳体14处的隔膜25。在计算特定于安装的系数时，将两个远程隔膜12A和12B的属性、毛细管22A、22B中的填充流体的类型和体积以及高度H1和H2考虑在内。如果毛细管12A、12B基本上相同并填充有相同类型的填充流体，则高度差H1-H2可以用于计算净填充流体密度效应。
当前执行这种类型的补偿的技术通常要求系统在压力变送器的高压侧和低压侧上以相同的毛细管构造、长度和密封类型/尺寸来实现平衡。与之相对的，在本发明中，可以基于已知的系统配置来计算出比例因子，从而能够通过带比例因子的相同的基本计算来补偿不平衡的系统。例如，由于紧密耦合密封的温度效应低得多，因此由紧密耦合密封和远程安装密封组成的且毛细管安装在不同高度的经调整的系统需要减少补偿计算。补偿效果仍将根据之前的等式自动进行计算，但是却可以从工厂就应用比例因子，以减小由模型配置确定的或通过测试确定的效应。比例因子和其他信息(例如β(beta))、填充流体特定生长和热膨胀系数、高度h、压力PO、Pfactory和Pinstall、温度T和TLZA可被存储在存储器70中以供计算电路58使用。存储器70和计算电路58提供了校正电路的一个示例。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出改变。

Claims (21)

1.一种用于测量过程压力的变送器，包括：
压力传感器；
提供输入温度信号的温度传感器；
第一远程压敏隔膜，通过填充有填充流体的第一毛细管耦合到所述变送器，所述填充流体具有取决于填充流体温度的密度；
输入电路，至少有效连接到所述压力传感器，所述输入电路提供至少大体上表示所述过程压力的中间压力信号；以及
校正电路，有效耦合到所述温度传感器和所述输入电路，其中，所述校正电路通过基于补偿函数和所述温度补偿所述填充流体密度来处理所述中间压力信号，以及提供更接近地表示所述过程压力的经补偿的输出，所述补偿函数使用了对所述第一远程压敏隔膜和所述变送器之间的垂直距离的初始高度确定，
其中，所述初始高度确定是在没有向所述第一远程压敏隔膜施加压力时所进行的压力测量和温度测量来执行的。
2.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述第一远程压敏隔膜设置在垂直位置，以及所述校正电路包括：
存储器，适合于存储表示所述垂直位置的至少一个特定于安装的校正系数；以及
处理器，有效耦合到所述存储器，其中，所述处理器访问所述校正系数并向所述输入温度信号应用所述校正系数以获得所述经补偿的输出。
3.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述经补偿的输出适合于从所述变送器以数字方式输出。
4.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述校正电路可以被配置用于所述变送器的所选安装。
5.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述变送器具有变送器壳体，以及所述校正电路的所述补偿函数取决于所述第一远程压敏隔膜相对于所述变送器壳体的高度。
6.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述变送器适合于通过第二毛细管将所述压力传感器流体地耦合到第二远程压敏隔膜，以及所述校正电路的所述补偿函数取决于相对于所述第二远程压敏隔膜的高度的所述第一远程压敏隔膜的高度。
7.根据权利要求6所述的变送器，其中，所述第一毛细管和所述第二毛细管是不平衡的，以及所述补偿函数包括比例因子。
8.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述初始高度确定还基于在所述变送器的制造期间使用所述压力传感器测量到的压力。
9.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述初始高度确定是由所述校正电路响应于本地操作者界面来执行的。
10.根据权利要求9所述的变送器，其中，所述本地操作者界面包括通过过程控制回路连接到所述变送器的设备。
11.根据权利要求10所述的变送器，其中，所述本地操作者界面使用无线连接与所述变送器进行通信。
12.根据权利要求9所述的变送器，其中，所述变送器包括所述本地操作者界面。
13.根据权利要求1所述的变送器，包括用于与远程位置进行通信的通信电路，以及响应于通过所述通信电路接收到的通信，由所述校正电路执行所述初始高度确定。
14.根据权利要求13所述的变送器，包括：RFID标签，用于识别所述变送器，由此向所识别的变送器传送所述初始高度确定。
15.根据权利要求1所述的变送器，其中，所述初始高度确定取决于在所测量温度下所述填充流体的比重。
16.一种校正压力变送器中的压力测量值的方法，所述压力变送器具有压力传感器和通过第一毛细管耦合到所述压力传感器的第一远程压敏隔膜，所述第一毛细管是被流体填充的，所述第一远程压敏隔膜相对于所述压力变送器能够移动，所述压力变送器还具有表征系统，所述表征系统接收来自所述压力传感器的压力信号以及接收温度信号，并提供取决于所述压力信号和所述温度信号的变送器输出，所述方法包括：
测量压力；
基于所测量的压力来确定所述第一远程压敏隔膜的垂直位置；
将所述表征系统编程为所述垂直位置的函数；以及
使用所述函数，基于所述温度信号和所述垂直位置对测量压力值进行校正。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述变送器适合于通过第二毛细管将所述压力传感器流体地耦合到第二远程压敏隔膜，以及确定垂直位置取决于相对于所述第二远程压敏隔膜的高度的所述第一远程压敏隔膜的高度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一毛细管和所述第二毛细管是不平衡的，以及所述函数还包括比例因子。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，确定垂直位置还基于在制造所述变送器期间使用所述压力传感器测量到的压力。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，确定垂直位置是响应于本地操作者界面而执行的。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，确定垂直位置取决于在所测量温度下所述填充流体的比重。
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