CN1111729C

CN1111729C - 带远处膜片及其校正电路的压力变送器

Info

Publication number: CN1111729C
Application number: CN 95197732
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·A·居乔
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: CN1177398A

Abstract

一种压力或流量变送器(11)，变送器腔(14)内设有一压力传感器(27)。压力变送器(11)包括压力传感器远处的膜片(18)。膜片(18)通过内含液体的毛细管(22)与压力传感器(27)连接。膜片(18)设置在与变送器腔(14)相对垂直的位置(H)处。变送器(11)包括有电路(58、60、62、64)，它提供随压力输出变化的变送器输出。电路(58、60、62、64)随膜片(18)的相对垂直位置(H)的变化调节变送器的输出。

Description

带远处膜片及其校正电路的压力变送器

技术领域

本发明涉及一种用于测量工艺介质压力现场安装的带远处膜片的压力变送器。更具体地说，本发明涉及为校正由远处膜片引起的误差提供校正的变送器输出。

背景技术

用变送器测量诸如压力差、吃水压力和加工温度之类的工艺变量是人们共知的事。在工艺控制的工业装备中，通常将变送器安装在被测工艺介质的附近。变送器提供一表示所测工艺变量的输出。然后这个输出通过一对双线电流回路传送到一远处室。

在许多情况中，变送器有一变送器腔，它容纳一压力传感器和与压力传感器液态耦合的一片或两片膜片。将要被测量的工艺介质下垂于变送器腔以接触膜片，膜片向压力传感器传递工艺介质的压力。在另外一些情况中，变送器包括经一毛细管与变送器腔分开的远处膜片，毛细管通常是柔性可弯曲的并可以具有小于1米或长至数十米的长度。工艺介质接触远处膜片，膜片通过注入毛细管的实际上不可压缩的液体向设置在变送器腔内的压力传感器传递承受的压力。

后一种情况的使用一片或多片远处膜片的变送器，是本发明的主题。现有的远处膜片易受环境温度变化的影响产生误差。在恒定的工艺介质压力下，由于远处膜片和连接的毛细管的热效应，变送器的输出能随外界环境温度而变化。产生的误差取决于远处膜片相对于变送器的垂直位置。由于远处膜片和变送器之间的垂直距离是由所选用的装备特定，很难预定热效应。

已有的远处膜片变送器在其变送器腔内配置一温度传感器，并通过变换器的电路利用这种温度传感器的输出提供一个比较准确的变送器输出，以校正各种变送器元件的热响应。然而，这种已有的变送器对于在远处膜片之间有净垂直间距的由装备特定的远处膜片系统不能作温度变化的校正。

因此，就需要一种能校正由远处膜片变送器的热效应引起的测量不准确性的装置。为了得到最高的精确度，这样的装置应当尽可能按装备专用一也就是要考虑到变送器所需求的专用装备的几何结构，以及供使用特定类型不可压缩充填液体的毛细管的长度等等。另外，这种装置应当易于安装且与许多现有的变送器相容以降低实施成本。

发明的概要

一种用于测量工艺介质压力的变送器，它有一个压力传感器、一个提供一输入温度信号的温度传感器和一个第一远处膜片，所述膜片通过一个充填具有作为充填液体温度函数的密度的充填液体的第一毛细管与压力传感器耦接，所述变送器的特征在于：

一个输入电路，它至少与压力传感器可运行地相连，所述输入电路提供至少粗略表示工艺介质压力的一中间压力信号；以及

一个校正电路，它与温度传感器和所述输入电路可运行地耦接，其中所述校正电路通过校正随温度而变的充填液体的密度处理中间压力信号并提供更接近工艺介质压力表示值的补偿的输出。

附图的简要描述

图1是在一个装备中带一远处膜片系统的变送器的立视示意图，在装备中测量工艺介质的吃水压力或绝对压力。

图2是膜片的刚性效应随温度变化的曲线。

图3中充填液体的密度效应随温度变化的曲线。

图4示出图2和图3的组合效应随温度变化的曲线。

图5是图1所示本发明第一实施例的变送器更详细的示意图。

图6是本发明第一实施例的一种方式的流程图。

图7是图1所示本发明第一实施例的变送器的另一个更详细的示意图。

图8是本发明第一实施例的一种方式的流程图。

图9是本发明第二实施例的另一种方式的流程图。

图10是变送器远处膜片系统的另一示意立体图。

图11是图1的变送器的另一示意立体图，但在装备中有改进的远处膜片系统，对其中工艺介质的压差进行了测量。

最佳实施例的详细描述

图1示出具有与变送器腔14相连的远处膜片系统12的一个典型变送器11。变送器11测量工艺介质16的压力。远处膜片系统12包括与工艺介质接触的薄的、柔性膜片18。系统12还包含与膜片18在一起确定一腔体20的后背板19。毛细管22使腔体20和设置在变送器腔14中的压力传感器27相耦合，这种耦合是通过变送器腔膜片25和使膜片25与传感器27相连的密闭液体系统进行的。密闭的液体系统以及腔体20和毛细管22，流入合适的液体(未示出)将工艺压力传递至传感器27。液体可以包含硅油，甘油和水，丙烯乙二醇和水，或任何其它最好基本上是不可压缩的合适液体。

当由工艺介质16施加工艺压力时，膜片18通常被移位，这就将所测的压力从远处膜片系统通过板19中的通道以及通过管道22传递至压力传感器27。产生的压力施加于可能是电容型压力单元的压力传感器27引起这种电容的变化。传感器27也可按其它如应变仪技术之类的已知测量原理工作。变送器腔14内的电路用电子学方法将电容线性转换成在一对电线30上的4-20mA变送器输出信号，指示工艺压力。变送器腔14安装一温度传感器28以测量变送器腔内的温度。

变送器腔14包含有测量和校正温度和压力的电路(图1中未示出)，它在电线对30上提供一个输出。这个输出可以是数字的或是模拟的。

膜片25和膜片18之间的垂直距离H造成了充填液体的密度效应误差，误差随着H以及膜片25、18之间充填液体的温度两者而变化。由变送器11测量的压力可以表示为：

测量的压力＝P_工艺+P_误差1+P_误差2 式1

其中：

P_误差1＝P₁(T)＝膜片刚性效应式2

P_误差2＝P₂(T，H)＝充填液体密度效式3

和

P_工艺＝工艺压力式4按照本发明，变送器输出至少要为充填液体密度效应误差作出校正。

当工艺或环境温度发生变化时，作为热膨胀的结果会引起系统的液体体积的变化，就出现膜片的刚性效应。由于温度的变化引起充填液体体积的变化由下式给出：

ΔV＝(Vc+V_T)(C)/ΔT 式5

其中ΔV是充填液体体积的变化，Vc是腔体20中充填液体的体积，V_T是在毛细管22和变送器11中充填液体的体积，C是充填液体的热膨胀系数，而ΔT则是相对于上一次变送器的校正，组合的充填液体体积Vc和V_T的温度改变。

充填液体体积的增加使膜片18推离后背板19，引起膜片18相对于充填液体增高压力，增高的压力传送至传感器27。与此类似，假如温度降低，远处膜片系统的毛细管中的液体体积降低并引进相对于传感器27的压力下降。图2是在固定的工艺压力和膜片刚性条件下P_误差1(T)随T变化的曲线图。

图3示出了充填液体密度效应误差P_误差2(T，H)，人们都知道在安装变送器并借以通过对变送器校准或重新调零确定高度H之后在给定的温度下使初始的压力误差P_误差2置零。然而，相对于上一次校正的温度变化，通过改变充填液体的密度造成随后压力测量的变化。这种“充填液体密度效应”，也称为“温度起源效应”，它取决于距离H、充填液体的密度、充填液体的膨胀系数、及温度的变化。

充填液体密度效应可表示为：

P_误差2＝(H)(S_G)(C)ΔT 式6

其中H是图1中所示的距离，S_G是在毛细管22中充填液体的比重，C是充填液体的热膨胀系数，而ΔT则代表相对于上一次校正变送器11时的充填液体温度的充填液体的温度差。

如在上式6中所定的以及在图3中曲线绘示，充填液体密度效应P_误差2和温度的变化成正比。图3的曲线斜率由下式给出：

斜率＝(H)(S_G)(C) 式7

为此，其中T₀是在变送器11上一次校正时充填液体的温度，对于任何温度T的充填液体密度效应是：

P_误差2＝斜率·(T-T₀) 式8

充填液体密度和膜片刚性的效应是附加的，而传感器27随温度变化的总效应在图4的式1曲线中作出图示。本发明最好包含校正两种效应。

在图5所示一项实施例中，变送器腔14在传感器模件50和电子模件52之间进行了功能性分隔。传感器模件50执行有关测量和校正工艺变量的任务。电子模件52则完成必要的计算、数据记录及输出控制功能。压力传感器27的电容提供给电容一数字的专用集成电路(ASIC)54，它将电容信号转换成称为“压力读数”或“P读数”的中间值。温度传感器28将表示变送器腔内的温度信号提供给电阻一数字的专用集成电路56，在那里温度信号被转换成称为“温度读数”的中间值。将压力读数和温度读数提供给电子模件52，在那里由计算电路58对膜片刚性及充填液体密度的效应进行校正，并提供表示工艺压力的校正信号。校正信号通常在电路60经受进一步处理，并在电路62和64分别转换为适于由变送器腔14输出的数字和模拟信号。

充填液体密度的热效应取决于只能由各装备唯一决定的远处膜片系统12的垂直位置。按照本发明，要为每一装备完成一次特征化程序，提供装备的专用数据，用于由计算电路58提供一更接近于代表真实工艺压力的变送器输出。在以下图6的流程图中设置了一种特征化程序。有关装备说明书和环境数据的信息在S1中收集。这种信息能包含垂直距离H、远处膜片特性(S)、毛细管22的长度、在每根毛细管22中充填液体的类型、工艺压力和工作温度的一般范围、以及类似情况。如在S2中所示，这种信息输入到一计算机程序，它模拟在特定装备中的变送器行为。在一项实施例中，在S3中作为模拟装备在已知工艺压力下经受一40°F、0°F、70°F、120°F及185°F的温度，使用如式1、式5及式6之类的公式计算出模拟的变送器输出数据。

计算出的输出数据点能被绘制在类似于图4的曲线上，将其输入到利用简单最小二乘方、加权最小二乘方、仿样，或其他已知技术的数学程序中使数据点适合下式：

P_误差1+P_误差2＝a+bT+cT²+dT³+ 式9

其中T还是充填液体的温度。由于输入进程序的计算点是根据垂直距离H、充填液体的体积和特性等等计算出来的，计算出的系数a、b、c等等也将反映那些装备专用的参数。并因此被为“装备专用”系数。然后在S6中将这些装备专用系数通过计算电路58存入如电可擦除可编程序只读存贮器(EEPROM)70或其它可进入的存储器中。

在图7中示出变送器11的一项实施例。变送器11含有制造者EEPROM80中预定的系数；制造者预先确定的系数计算出变送器腔14内零件的温度和压力的响应，但未计及带毛细管的远处膜片系统的这类响应。提供装备专用校正电路82对电路58的输出进行远处膜片系统和毛细管即充填液体密度效应和膜片刚性效应的校正。电容一数字ASIC54可运行地与计算电路58相连。计算电路58提供一个实质上代表工艺压力的输出但它对远处膜片系统/毛细管所造成的实际误差很敏感。电阻一数字ASIC56可运行地与计算电路58和校正电路82相连。存储器83与校正电路28有可进入连接，它含有从上式9得到的装备专用系数a、b、c等等。在许多应用中，与温度T成线性关系的系数b足以通过它本身提供适当的校正。校正电路82为电路58的输出P_误差1+P_误差2作出校正，以此提供一校正的信号。

此项实施例的运行设置在以后图8的流程图中。装备专用系数是在S31中预编程进入存贮器83内的。代表压力和温度的信号在S32输入计算电路58。计算电路58提供一个中间输出在S34向校正电路82输入。代表温度的信号在S36也提供给校正电路82。电路82运用温度值经式9之类的公式利用装备专用系数在S38求得一压力值校正。包括充填液体密度效应和膜片刚性效应的校正加进中间输出，在S40提供一个校正的输出。校正的输出经过处理并在S42转换成数字及模拟的输出信号。在一项实施例中。膜片的刚性效应在电路58中校正，而只有充填液体密度效应在电路82中校正。

变送器11的另一项实施例根据传感器输入和预定的装备专用系数提供一校正的输出信号，它在图9的流程图中示出。压力和温度表示信号在S10转换成压力读数和温度读数，并在S12正则化。正则化的信号带入一个一元多项式，最好是压力为5阶，而温度为2阶，它们的系数已计算出来且存在EEPROM70中，以便为变送器腔内的部件以及包含与高度H有关的充填液体密度效应的远处膜片/毛细管系统作出校正。校正的信号能进一步在S16受到处理且最好在S18、S20转换成数字和模拟的输出信号。

在迄今所示的实施例中，安置在变送器腔内的温度传感器是用作变送器腔内的部件温度和远处膜片/毛细管系统温度两者的指示器。变送器腔温度传感器的这种双重利用提高了简便性和可靠性。另外，变送器腔的温度通常至少是毛细管和多次远处膜片的良好温度指示。

当需要更加准确是，图10的变送器11采用一分离的分布式温度传感器以测量装在毛细管22中充填液体的平均温度。分离的温度传感器包括有足够长的电线90使其沿着毛细管22从变送器腔14到膜片系统12再回到变送器腔14。电线90的端点之间的电阻由电路29测出以表示它的沿长度的平均温度。电线90可包含任何标准热电偶材料。有一层保护层93包裹住毛细管22和电线90。最好是，保护层93还使电线90电绝缘。在运行中，将电路29的输出提供给图7的校正电路82，而不用封装传感器28的有条件的输出。

图11示出与两个远处膜片系统12、12B相连的变送器腔14且适于测量工艺介质16的压差。毛细管22A、22B分别使远处膜片与变送器腔14的振动膜片25相连。装备专用系数的计算考虑到远处膜片12A和12B的特性、毛细管22A、22B内的充填液体的类型和体积、以及高度H₁和H₂。假如毛细管12A、12B基本上相同且充填进相同类型的液体，于是高度差H₁-H₂就能用于计算净充填液体密度效应。

以上描述的本发明的实施例具有很多优点，在这些优点中包括在一温度范围内变换器的精度和性能的明显提高。另外，现有的变送器能够通过对变送器的重新特征化装有专用系数和校正规则系统，因此提供了反向的相容性。

尽管本发明已参照最佳实施例进行了描述，熟悉本领域的技术人员将认识到，在不超出本发明的精神和范围时是可能作出的形式和细节上的修改的。

Claims

1.一种用于测量工艺介质压力的变送器，它有一个压力传感器、一个提供一输入温度信号的温度传感器和一个第一远处膜片，所述膜片通过一个充填具有作为充填液体温度函数的密度的充填液体的第一毛细管与压力传感器耦接，所述变送器的特征在于：

2.按照权利要求1所述的一种变送器，其特征在于，所述远处膜片放置在一垂直的位置，所述校正电路包含：

一个适于存贮至少一个表示垂直位置的装备专用校正系数的存贮器，以及

一与存贮器可运行耦接的处理器，所述处理器存取校正系数并将校正系数加于输入温度信号以获得补偿的的输出。

3.按照权利要求1所说的变送器，其特征在于，其中所述补偿的输出是适用于变送器输出的数字输出。

4.按照权利要求1所说的变送器，其特征在于，其中所述校正电路通过补偿作为温度函数的膜片的刚性，进一步处理中间压力信号。

5.按照权利要求1所说的变送器其特征在于，所述输入电路包含一专用集成电路。

6.按照权利要求1所说的变送器，其特征在于，所述校正电路能够相对于所选用的变送器装备进行配置。

7.按照权利要求1所说的变送器，其特征在于，所述变送器有一变送器腔，而其中的校正电路的补偿函数取决于第一远处膜片相对于变送器腔的高度。

8.按照权利要求1所说的变送器，其特征在于，所述变送器适合于将压力传感器和一个第二远处膜片液体耦接，

所述校正电路的补偿函数取决于第一远处膜片相对于第二远处膜片的高度。

9.一种用于测量工艺介质压力的变送器的方法，在具有一个压力传感器和一个通过第一充填液体的毛细管与压力传感器耦合的第一远处膜片的一压力变送器中，第一远处膜片可以相对于压力传感器移动，压力变送器还有一特征系统，它接收一来自压力传感器的压力信号和一来自温度传感器的温度信号并提供一随压力和温度信号变动的变送器输出，其特征在于包含以下步骤：

确定第一远处膜片与腔室之间的一垂直距离；以及

作为垂直距离的函数对特征系统编制程序。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，其中的压力变送器包含一装载压力传感器的腔室，变送器还包含安置在腔室中的一温度传感器，且其中的温度传感器提供温度信号。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，其中确定垂直距离的步骤包含确定第一远处膜片相对于腔室的垂直位置。

12.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，其中的压力变送器还包含通过一第二充填液体的毛细管与压力传感器耦合的一第二远处膜片，而其中的确定垂直距离的步骤包含确定第一远处膜片相对于第二远处膜片的垂直位置。