CN113091992B

CN113091992B - 高量程压差传感器

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Publication number: CN113091992B
Application number: CN202010262844.9A
Authority: CN
Inventors: 大卫·安德鲁·布罗登; 查尔斯·雷·威尔科克斯; 布莱恩·迈克尔·阿菲尔斯; 詹尼弗·安·布洛杰特
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: JP2023508334A; EP4058768A1; US20210190619A1; CA3162203A1; US11226253B2; JP7459257B2; CN113091992A; CN212300704U; WO2021133481A1

Abstract

过程压力变送器包括布置在壳体内的变送器电子装置。变送器电子装置包括联接到处理系统的通信电路和设置在壳体内的模数转换器。模数转换器电连接到变送器电子装置。压力传感器包括第一材料的单元主体，该单元主体具有第一内壁和第二内壁，第二内壁与第一内壁大致相对从而限定了内腔。包括第二材料的可偏转膜片在第一内壁和第二内壁之间联接到单元主体，并将内腔分成第一腔和第二腔。可偏转膜片包括位于可偏转膜片的周边附近的凹槽区域。第一腔和第二腔各自包含电介质填充流体，每种填充流体适于接收压力并在膜片上施加相应的力，并且膜片能够响应于第一腔和第二腔中的填充流体接收的压力的差而偏转。

Description

高量程压差传感器

技术领域

本发明涉及工业过程变量变送器。更具体地，本发明涉及用于测量过程流体的压差的类型的工业过程变量变送器。

背景技术

工业过程变送器是一种传感器，该传感器响应于利用感测元件测量到的变量并将该变量转换为标准化传输信号，例如电信号或射频信号，标准化传输信号是所测量的变量的函数。工业过程压力变送器可用于工业过程的压力测量，例如用于化学、纸浆、石油、天然气、制药、食品和其他流体加工厂中的浆液、液体、蒸汽和气体的压力测量。工业过程变送器通常放置在过程流体附近或现场应用中。通常，这些现场应用要经受恶劣和变化的环境条件，这给这种变送器的设计人员带来了挑战。

许多压力变送器中的感测元件(压力传感器)是电容传感器，该电容传感器包括可偏转的感测膜片(“膜片”)和两个电容器电极。一种类型的感测元件包括膜片和两个电容器电极，该膜片是响应于施加在膜片的两侧上的压力而偏转的导电拉伸膜，该两个电容器电极分别位于膜片的相应一侧上。在电容器板和膜片之间使用电介质填充流体。与和过程流体连接的隔离膜片一起使用的填充流体可防止有时会变得粗糙、腐蚀、脏污或污染的过程流体与感测元件的部件相互作用，并防止甚至损坏部件。在膜片的一侧上与导电膜片联接的第一电容器电极形成第一电容器。在膜片的相反侧上与膜片联接的第二电容器电极形成第二电容器。每个电容器的电容与电容器板和膜片之间的距离的倒数成比例地变化。因此，每个电容器的电容随着膜片响应于施加的压力偏转而改变。偏转量与两个施加的压力之间的差或压差有关。每个电容器板与导电膜片之间的差分电容被检测，并用于提供标准化传输信号，该标准化传输信号与压差有关。

感测元件特别适于检测过程现场环境中的膜片偏转。电容C和电容器板X之间的距离X之间的近似关系为C＝εK/X，其中ε是填充流体的介电常数，K是常数，取决于多种因素，例如：感测元件的几何结构。具有两个相对电容器的感测元件被配置成使得输出通常独立于变化的介电常数。感测元件中的两个电容器通常提供与比率(C1-C2)/(C1+C2)有关的输出，其中C1代表感测元件中的第一电容器的电容，C2代表第二电容器的电容。

在较宽的压力范围内提供准确的压差测量尤其具有挑战性。这是因为压力传感器必须足够灵敏以测量较小的压力变化，但又要足够坚固以承受较大的压差的应用。为了满足这些要求，在压力传感器的构造中采用了特殊的材料和合金。

发明内容

过程压力变送器包括布置在壳体内的变送器电子装置。变送器电子装置包括联接到处理系统的通信电路和设置在壳体内的模数转换器。模数转换器电连接到变送器电子装置。压力传感器包括第一材料的单元主体，该单元主体具有第一内壁和第二内壁，第二内壁与第一内壁大致相对从而限定了内腔。包括第二材料的可偏转膜片在第一内壁和第二内壁之间联接到单元主体，并将内腔分成第一腔和第二腔。可偏转膜片包括位于可偏转膜片的周边附近的凹槽区域。第一腔和第二腔各自包含电介质填充流体，每种填充流体适于接收压力并在膜片上施加相应的力，并且膜片能够响应于第一腔和第二腔中的填充流体接收的压力的差而偏转。第一电极电容性耦合到导电部分以形成第一可变电容器，并且第一引线电连接到第一电极。第二电极电容性耦合到膜片的导电部分以形成第二电容器，并且第二引线电连接到第二电极。第一引线和第二引线电连接到模数转换器。

附图说明

图1示出了具有根据本发明构造的过程变送器的过程测量系统。

图2是图1的过程变送器的分解图。

图3示出了图1所示的过程变送器的功能框图。

图4是切开的传感器模块和压力传感器的透视图，该传感器模块和压力传感器是图1的变送器的部分。

图5A是根据一个示例实施例的压力传感器的放大截面图，该压力传感器构造成在较宽的压力范围内操作。

图5B是图5A的压力传感器的侧视截面图。

具体实施方式

图1总体上示出了过程测量系统32的环境。图1示出了包含在压力下的流体的过程管道30，该过程管道30联接至过程测量系统32以测量过程压力。过程测量系统32包括连接至管道30的脉冲管道34。脉冲管道34连接至过程压力变送器36。主要元件33(例如孔板，文丘里管，流量喷嘴等)接触过程管道30中的在脉冲管道34的管之间的位置处的流体。主要元件33在流体经过主要元件33时引起流体的压力变化。

变送器36是过程测量装置，该过程测量装置通过脉冲管道34接收过程压力。变送器36感测过程压力并将该过程压力转换为标准化压力信号，该标准化传输信号是过程压力的函数。变送器还可以感测多个过程变量，或者可以配置为提供过程控制功能。在该示例中，变送器36是压差变送器。压差是两个压力值之间的大小的差，例如，输入到变送器的两个过程压力之间的差。压差的测量包括计示压力的测量，在计示压力的测量中，输入到变送器的参考压力是大气压力，压差的测量还包括绝对压力的测量，在绝对压力的测量中，输入到变送器的参考压力是真空。图1示出了被配置为测量流量的变送器。但是，可以考虑到变送器的用于压差测量的其他使用方法。

过程回路38促进到变送器36的功率信号和双向通信，并且可以根据多种过程通信协议来配置。在所示的示例中，过程回路38是双线回路。顾名思义，双线回路仅使用两根线将变送器36电连接到远程控制室40。双线回路用于在变送器36以4mA-20mA的信号进行正常操作期间传输至变送器36的所有功率、来自变送器36的所有功率以及传输至变送器36的所有通信、来自变送器36的所有通信。因此，尽管已知并考虑了诸如三线和四线变送器等其他配置，但是如图所示的变送器36经常被称为“双线变送器”。可以使用4mA-20mA的模拟信号和开放协议

(高速可寻址远程传感器)数字通信格式进行通信，开放协议

数字通信格式用4mA-20mA的信号进行同时数字通信。也可以使用开放且可互操作的协议FOUNDATIONTM现场总线进行通信，FOUNDATIONTM现场总线在智能现场水平和控制装置之间提供数字通信链接。变送器36可以被配置为与其他过程协议一起使用，其他过程协议包括装置总线，传感器总线，过程现场总线，以太网以及全世界使用的其他协议。通过调制解调器44或其他网络接口的计算机42或其他信息处理系统用于与变送器36通信。远程电压电源46为变送器36供电。变送器36可以例如通过电池、太阳能电池等在外部或内部被供电。此外，在一些配置中，回路38是无线过程控制回路。例如，回路38可以根据IEC62591 Wireless

进行操作。

图2示出了变送器36的一个示例的分解图。法兰50附接到传感器模块52以与脉冲管道34连接。传感器模块52包括螺纹壳体53，该螺纹壳体53是全焊接设计以将内部部件与过程介质和现场环境隔离。图3示出了对应于图2的变送器36的框图。将过程压力54施加到传感器模块52。与过程介质机械地、电地和热地隔离的压力传感器56接收过程压力54，并提供代表压差的模拟电信号58。信号58在传感器模块电子器件60处被处理并转换为数字信号，该传感器模块电子器件包括模数转换器62和传感器模块存储器64。存储器64包含有关传感器模块和用于传感器模块52的校正系数的特定信息。温度传感器63向传感器电子装置60提供代表环境温度的模拟信号。数字信号通过多针电缆66输出。如图2所示，多针电缆66被实现为在传感器模块52的帽70上由盖68包围的可伸缩带。

根据一个实施例，电子装置壳体71承载与传感器模块52和回路38连接的变送器部件。多针电缆66插入电路板72中。图3示出了电路板包括用于进一步调节数字信号的微处理器系统74和存储器76。数模转换器78或数字通信电路80用于通过环路38生成和接收模拟或数字传输信号，因此通常被称为“通信电路”。如图2所示，回路38连接到变送器通孔82。接线盒84电连接到电路板72，以提供对产生的信号的直接访问。电子装置壳体71容纳传感器模块52和具有O形环88的盖86，以在适于现场安装的组装好的变送器36中提供防爆壳体。该壳体保护位于传感器模块52和电子装置壳体71内的变送器电子装置。

图4示出了传感器模块52的一个实施例的截面图。通常成流体(气体或液体)的形式的差分过程压力54在隔离膜片90处被施加到传感器模块52。每个隔离膜片90响应于施加的过程压力54而在其隔离室92中偏转。隔离室92与隔离管94连通，隔离管94填充有填充流体95，填充流体95将施加的过程压力54传递至传感器56，传感器56在图3中也以附图标记56表示。隔离膜片90用于保护传感器56免受可能对传感器56有腐蚀性或有害的过程流体的影响。传感器56包括单元主体98，单元主体98具有填充有填充流体95的内腔100。膜片102，通常称为感测膜片，将内腔100分成腔的大致相同且相反的两个半部，并且响应于转移到内腔100中的过程压力54而偏转。偏转的膜片102的位移与腔100的两个半部之间的压差成比例。膜片102相对于腔100的位置由腔100内的电容器电极检测。引线104、108延伸穿过开口111和113并将电容器电极连接到包含传感器电子装置60的传感器电子装置板112。因此，传感器56将差分过程压力转换为模拟电信号，并且传感器电子装置60将模拟电信号转换成数字电信号。

如在背景技术部分中所讨论的，在较宽压力范围内使用的压差传感器需要专用材料以提高其精度。然而，通常在制造这种传感器时使用的材料具有几个缺点。(与较低范围的压力传感器相比)通常在制造这种传感器时使用的材料在变化的压力下会经历可测量的滞后现象，这可能会导致过程测量不准确。此外，这些材料相对昂贵并且可用性有限。为了解决这些限制，提供了新的传感器几何结构。此外，在本发明的一方面中，结合有Inconel合金(铬镍铁合金)中心膜片和Nitronic合金单元的半部分式单元。与由传统材料制成的相同膜片的几何结构相比，Inconel合金或类似材料既显示出高强度又具有出色的弹性，从而导致较低的滞后现象。

还期望提供一种与当前制造工艺兼容的设计。Inconel合金膜片和Nitronic合金半部分式单元均具有热兼容性，并且可激光焊接。材料之间的热膨胀差异足够接近。这导致传感器具有易于校正的原始温度性能特征。在其他示例性构造中，膜片和半部分式单元由相同的材料制成。在更具体的示例中，膜片和半部分式单元均由Inconel合金制成。

图5A是局部放大截面图，并且图5B是根据一个示例实施例的高范围压差传感器400的截面图。压力传感器400包括由Nitronic合金形成的两个半部分式单元主体402A、402B。Inconel合金的传感器膜片410悬挂在两个半部分式单元402A、402B之间。激光焊接部420围绕两个半部分式单元402A、402B的周向边缘定位，并且用于将两个半部分式单元402A、402B固定到传感器膜片410。传感器膜片410悬挂在半部分式单元腔406A、406B中，半部分式单元腔406A、406B由携载在半部分式单元402A、402B中的填充材料404A、404B形成。填充材料404A、404B通常是诸如玻璃的绝缘体并且携载电容性电极412A、412B。在一个特定的构造中，填充材料404A、404B包括兼容的玻璃。

在半部分式单元腔406A、406B内的传感器膜片410的外周边周围形成有凹槽区域430A、430B。外周边450限定了在凹槽区域430A、430B和半部分式单元402A、402B的外周边之间延伸的平台区域452。

图5A还示出了临界区域454，在该临界区域中传感器膜片410的偏转可能导致传感器膜片410与半部分式单元半体402A、402B之间的接触。凹槽区域430A、430B防止在正常操作期间的这种接触。

图5B是整个压力传感器400的截面图。如图5B所示，压力管408A和408B用于在腔406A和406B之间施加压差。图5A/5B还示出了电连接414A、414B和416，如上面结合传感器200和300所讨论的那样使用电连接414A、414B和416，电连接414A、414B和416进行与电容器412A、412B和单元主体402A，402B的电连接。

新的几何结构如图5A和5B所示变化，并包括Inconel合金膜片，新的几何结构可以显着改善传感器的制造成本和易制性，并改善传感器的滞后性能。

尽管本文阐述的具体示例包括由Inconel718型合金制造的膜片410和由Nitronic32型合金制造的半部分式单元402A、402B，但是可以采用其他类型的Inconel合金和Nitronic合金。类似地，可以使用替代的电绝缘填充材料404A、404B。

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。构造和材料还改善了超压滞后。该构造还减少了膜片中的应力，从而提供了其他好处，例如增加了疲劳寿命。

Claims

1.一种过程压力变送器，包括：

变送器电子装置，所述变送器电子装置布置在壳体内；

压力传感器，所述压力传感器包括：

单元主体，所述单元主体包括限定内腔的第一材料；

可偏转膜片，所述可偏转膜片包括具有导电部分的第二材料，所述可偏转膜片联接至所述单元主体并且将所述内腔分成第一腔和第二腔；

其中，第一腔和第二腔各自包含电介质填充流体，每种电介质填充流体适于接收压力并在可偏转膜片上施加相应的力，并且可偏转膜片能够响应于第一腔和第二腔中的电介质填充流体接收的压力的差而偏转；

第一电极，所述第一电极在第一腔内联接至单元主体，所述第一电极电容耦合至所述可偏转膜片，以形成第一可变电容器；

第一引线，所述第一引线电连接到第一电极并从所述单元主体延伸；

第二电极，所述第二电极在第二腔内联接至单元主体，所述第二电极电容耦合至可偏转膜片的所述导电部分，以形成第二电容器，其中，所述第一可变电容器和第二可变电容器具有与所施加的压力相关联的电容值；和

第二引线，所述第二引线电连接到第二电极并从所述单元主体延伸；

其中，第一引线和第二引线电连接到变送器电子装置；

其中，所述可偏转膜片包括围绕所述可偏转膜片的周边定位的凹槽区域，所述凹槽区域被构造成防止由所述可偏转膜片的偏转导致的、所述可偏转膜片和所述单元主体之间的接触。

2.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述第二材料包括Inconel合金。

3.根据权利要求2所述的过程压力变送器，其中，

所述Inconel合金包括Inconel718型合金。

4.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述第一材料包括Nitronic合金。

5.根据权利要求4所述的过程压力变送器，其中，

所述Nitronic合金包括Nitronic32型合金。

6.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述第一材料包括Nitronic32型合金，并且所述第二材料包括Inconel718型合金。

7.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述单元主体由两个半部分式单元形成。

8.根据权利要求7所述的过程压力变送器，其中，

所述两个半部分式单元被焊接到所述可偏转膜片上。

9.根据权利要求8所述的过程压力变送器，其中，

第一焊接部将第一半部分式单元联接到所述可偏转膜片，并且第二焊接部将第二半部分式单元联接到所述可偏转膜片。

10.根据权利要求9所述的过程压力变送器，其中，

所述第一焊接部和第二焊接部位于所述可偏转膜片的平台区域中。

11.根据权利要求10所述的过程压力变送器，其中，

所述第一焊接部和第二焊接部部分地延伸到所述平台区域中。

12.根据权利要求1所述的过程压力变送器，包括位于所述可偏转膜片的所述凹槽区域的相反侧的相反的凹槽区域。

13.根据权利要求12所述的过程压力变送器，其中，

所述凹槽区域是锥形的。

14.根据权利要求13所述的过程压力变送器，其中，

与所述可偏转膜片的在所述凹槽区域的内周边处的厚度相比，所述可偏转膜片的在所述凹槽区域的外周边处的厚度更大。

15.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述凹槽区域在所述可偏转膜片和所述单元主体之间提供额外的间隙。

16.根据权利要求10所述的过程压力变送器，其中，

所述平台区域被构造成减小所述单元主体在焊接过程期间的变形。

17.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述凹槽区域从所述可偏转膜片的位于所述内腔中的内周边延伸至位于所述内腔之外的外周边。

18.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述第一材料和第二材料是相同的。

19.根据权利要求1所述的过程压力变送器，其中，

所述第一材料和第二材料包括Inconel合金。