CN1969174A - 具有外部加热器的压力变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了改进的压力变送器(50，70，80)。所述变送器(50，70，80)包括：连接器；外壳；传感器部(58)；和设置用于加热传感器部(58)的外部加热器(32，76)。在一些方面，传感器部(58)包括由脆性材料构成，并且不在传感器内使用任何填充流体。另一方面，本发明包括适于加热用途的非加热高纯度真空变送器(10)的组件(30，52，72，82)。所述组件(30，52，72，82)包括连接器部(36，84)和联接到连接器部(36，84)的加热器部(32，76)。连接器部(36，84)还可包括一个或多个指示器(58)。

Description

具有外部加热器的压力变送器

技术领域

本发明涉及压力/真空变送器。更具体地说，本发明涉及用在高纯度应用中的压力/真空变送器。

背景技术

压力/真空变送器是已知的。这种设备典型地联接到压力或真空源；产生根据压力或真空改变的电特征；并提供多种电特征的电表示，以便操作人员或过程的其它部分能够了解真空或压力。

高纯度压力或真空变送器是普通真空或压力传感器的很小的子集。这些设备具体适合用于极精密和/或极清洁过程。这些是其中脱离压力变送器的粒子或甚至从那里的排气能够对整个处理线具有有害影响的过程类型。这种应用的一个实例是半导体加工。

因为多种原因，涉及诸如在半导体工业中的例如材料的沉积或去除(蚀刻)的高纯度应用的真空变送器被频繁加热。首先，这种真空变送器被加热以潜在地减小积累在传感器中的真空传感器上沉积或蚀刻材料的量。此外，已知真空传感器和相关部件是温度敏感的，从而需要变送器的温度由完全集成的加热器精确地控制。该集成加热器保证了真空传感器和相关部件被保持在精确受控的温度。

在本领域中，维护真空传感器和相关部件的精确温度的集成(或称为一体的，整体的)加热器的布置存在许多问题。例如，加热器的集成特性要求：这种设备的供应商和顾客承担非加热变送器以及通常覆盖两个到三个温度范围的加热的变送器的存货。这要求有非加热传感器的三到四倍存货，从而产生比如果不需要完全集成加热器将需要的高得多的存货。当前设计的另一问题在于：当顾客购买真空传感器时，它们必须决定变送器用到的确切位置并且如果有的话，将需要的加热水平。非加热真空传感器不能简单地被转换为加热传感器。因此，当前设计对顾客希望应用它们的多种应用是不可扩展的。当前设计的另一问题在于：对于给定过程，希望评估真空传感器在各种温度加热效果的用户必须购买不同传感器，用于评估的每种温度。顾客通常可在单个真空传感器上试用不同加热器，并指出效果。因此，确定使用哪个传感器的简单试图将通常产生购买一个或多个无用(至少为所述应用)真空传感器的附加成本，以及在过程期间去除和安装各种传感器的附加时间。当前设计的另一问题在于：加热器被集成在与传感器和电子装置相同的外壳中。这意味着电子装置总暴露于较高的温度，这限制其使用寿命。

发明内容

公开了改进的压力变送器。所述变送器特别适用于在高纯度应用中传感真空。所述变送器包括：连接器；外壳；传感器部；和设置为用于加热传感器部的外部加热器。在一些实施例中，传感器部包括由脆性材料构成的传感器，并且不在传感器内使用任何填充流体。在另一方面，本发明包括使非加热高纯度真空变送器适合用于加热用途的组件(或称为套件，成套用具)。所述组件包括连接器部和联接到连接器部的加热器部。所述连接器部还可包括一个或多个指示器。

附图说明

图1和2是本发明的实施例特别有用其的高纯度真空变送器的简图。

图3是根据现有技术的高纯度真空变送器简略图。

图4是为实施本发明实施例的能够被应用于非加热高纯度真空变送器的组件的简图。

图5是根据本发明的实施例的联接到外部加热组件52的高纯度真空变送器50的简图。

图6是包括由一对脆性材料基片形成的传感器60的传感器部58的简图。

图7是根据本发明的另一实施例的高纯度真空变送器系统70的简图。

图8是根据本发明的一个实施例的罩76的放大简图；

图9是根据本发明的另一实施例的外部加热高纯度真空变送器系统的简略图。

具体实施方式

图1和2是本发明的实施例特别有用其的高纯度真空变送器的简略图。变送器10一般包括：传感器电子装置外壳12；传感器部14；过程联接(或过程联接器，过程耦合器)16；和电连接器18。过程联接16通常被联接到高纯度环境中的真空或压力源，并将真空或压力源流体地联接到传感器部14。模块14内的压力传感器具有随压力改变的电特征。这种压力传感器的实例包括，但不限于，可偏振膜电容式传感器和可偏振膜应变式传感器。传感器电子装置外壳12内的电子装置电联接到传感器部14，以便能够测量变化的电特征。外壳12内的附加的电子装置可执行诸如将电信号转换为数字表示以及线性化和/或特性化数字输出的附加功能。此外，电输出可被配置用于根据诸如HART^或FOUNDATION^TMFieldbus协议的任何适合的工业标准过程通信协议的传送。过程控制系统和/或附加的过程相关设备可被联接到电连接器18。

图3显示了根据现有技术的高纯度真空变送器。变送器20与变送器10具有许多类似处，并且类似部件具有类似的标号。变送器20包括设置在传感器电子外壳12内的传感器电子装置22。加热源24和26被分别热联接(或称为热耦合)到外壳12和传感部14。为减小累积在变送器中的真空传感器上沉积或蚀刻材料的量，加热源24和26提供热量。对于传统设计，由于真空传感器和相关部件是温度敏感的，加热器必须得到极精确的控制以保持变送器的精度。因此，热源24和26通常与变送器20-起制造，并且集成在变送器20内(即，在变送器20成一体)。这产生了其中完全制造的变送器具有具体温度范围的情况。

图4是为实施本发明的实施例的能够被应用于高纯度压力变送器的组件的简图。组件30通常包括两部分。首先，组件30包括适合联接到传感器部14的加热部32。在图4中所示实施例中，加热部32包括尺寸形成为能够穿过传感器部14的外径的孔34。加热部32包括能够采取包括线圈、筒、被蚀刻的迹线等任意适合形式的一个或多个加热元件35。能够使用将加热部32连接到传感器部14的夹紧和/或其它方法。连接器36经电连接38被电联接到加热部32。连接器部36优选地包括电路，以便使用设置在加热部32的温度传感器33计算加热部32的温度。此外，连接器部36包括已知的加热器控制电路(未示出)，以便有选择地为加热部32内的加热元件35提供能量，以将加热部32保持在升高的温度。连接器部36和加热部32之间的电连接38能够包括任何适合数目的导体。例如，在其中加热部32包括电加热元件和温度敏感元件的实施例中，电连接38将包括适合用于加热部32内的所有电加热元件和/或传感器的导体。

连接器部36优选地被确定尺寸和配置为直接联接到输入40处的高纯度压力变送器的连接器18。例如，当连接器18是25针D-微型公连接器时，输入40将是25针D-微型母连接器。连接器部36也包括输出42，输出42优选地配置为模仿连接器18的输出。在上述实例中，输出42将是25针D-微型公连接。输入40和输出42彼此是公母型的这种布置是优选的。然而，很明显：它们能够是不同类型的连接。例如，只要适合的连接器彼此被配置并且联接到输出42的系统容纳所述布置，输入40能够是9针D-微型母连接，并且输出能够是25针D-微型母连接。

图5是根据本发明的实施例的联接到外部加热组件52的高纯度压力变送器50的简略图。包括变送器50和组件52的系统54被认为是根据本发明的实施例的外部加热高纯度真空传感器系统54。

在这个实施例中，变送器50在至少一个重要方面与传感器20不同。变送器50包括在下面公开得更全面的改进的传感器部58。传感器部58呈现减小的滞后和温度效果。传感器部58实现了传感器部的潜在更少成本的温度控制，以及分离的传感器温度补偿。

图6是包括由一对脆性材料基片62，64形成的传感器60的典型传感器部58的简略图。这种结构在压力传感领域是已知的，并且进一步的信息能够在授予Frick等的美国专利5,637,802和6,089,097中找到，上述两个均被授予本发明的申请人。图6显示了具有在它们之间形成腔66的上部基片62和下部基片64的传感器60。图6显示了总长度L、厚度T、宽度W、传感腔的偏转结构的最小腔宽度w和由于施加的压力的中央偏转y。优选地，基片62和64由诸如兰宝石的单晶体材料形成，并被熔合结合在一起以形成整体结构。换言之，基片62和64之间的结合实质不会有引导错误或污染的外界材料。此外，优选地，传感器60在没有作为潜在污染的另一来源的任何填充流体的情况下操作。

回到图5，组件52包括设置在变送器50的传感器部58周围并被联接到传感器50的传感器部58的加热部32。除了指示器58，组件52的连接器部56优选地与连接器部36(图4所示)相同。指示器58被联接到连接器部36内的电路，以便向外部指示外部加热组件52和/或高纯度压力变送器50的状态。在一个实施例中，指示器58是LED。LED能够用于指示总的系统功率、加热部32内的加热元件的加电、期望温度以下的实际温度、期望温度处的实际温度，和/或超过期望温度的实际温度。此外，指示器58可采取任何适合的形式，包括但不局限于显示当前温度、设置点和/或告警代码的数字显示器。最后，指示器58还能够被用于指示高纯度真空变送器的条件。例如，高纯度真空变送器50可被赋予诊断电路/软件，以便使变送器50能够判断它是否有效地操作，或是否它需要修理。这种情况然后被一个或多个指示器58向外部指示。

如图4和5所示，连接器部36和56优选地具有相同类型的连接(诸如25针D微型)的输入和输出，但具有相反性别的输入和输出。

图7是根据本发明的另一实施例的高纯度压力变送器系统70的简略图。变送器70包括有点类似于参照图5描述的组件52的外部电加热器组件72。然而，组件72的加热部74与加热部54的不同之外在于：加热部74包括包着的加热器传感器76。加热器传感器76由当平放时具有矩形形状的大体柔性单元形成。加热器传感器76包括加热元件和诸如热敏电阻、热耦或RTD的热敏元件。加热器传感器罩76的矩形尺寸为罩76能够被应用于压力传感器部58，并将实质包围传感器部58。为了将加热器罩76固定到传感器部58，能够使用任何适合的粘性和/或夹紧装置。

图8是根据本发明的一个实施例的罩76的放大简图。如所示，罩76适合被放置在传感器传感器部58周围，并且利用粘合剂、夹紧装置或两者被固定到传感器部58上。

图9是根据本发明的另一实施例的外部加热高纯度真空变送器系统80的简略图。系统80包括外部加热组件82，该外部加热组件82包括电联接到连接器部84的加热罩部76。连接器部84与先前描述的连接器部的不同之外在于：连接器部84被确定尺寸以与传感器电子外壳12具有相同的外部尺寸(诸如直径)。连接器部84提供了用于其中电路的附加空间。优选地，连接器部84包括一对实质相同的连接器，其中：输入和输出连接器具有相反的性别。如所示，连接器部84优选地包括一个或多个紧固件86(诸如螺钉)，这确保了连接器部84能够被紧固地固定到传感器电子装置外壳12。连接器部84还包括多个指示器58，以提供如上所述的指示。指示器58被显示在图9中，且被设置在连接器部84的顶部表面88。然而，指示器58能够被设置在任何适合的位置。

在压力传送器的传感器部附近使用加热器/传感器组件具有许多益处。首先，如果它发生故障，组件能够被去除并被替换。此外，不同加热器传感器组件能够被快速和容易地相互交换，以适合多种应用和温度范围。例如，一个组件可用于高温；另一组件可用于高热功率要求；并且另一组件可用于极精确的热控制。因此，一个组件可被用于第一温度范围，同时第二组件可用于第二温度范围。第一和第二范围可重叠，但它们无需重叠。因此，组件的选择能够提供宽的可扩展性。

虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域中的技术人员将会意识到：在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。例如，当本发明的实施例通常专注于在高纯度环境中传感真空，本发明的实施例也能够与其中变送器受到由膨胀气体产生的JouleThompson冷却的气体压力变送器一起使用。

Claims (32)

1.一种压力变送器，包括：

连接器；

传感器电子装置外壳；

传感器部，所述传感器部具有形成在其中的传感器并被联接到传感器电子装置外壳；和

外部加热器，所述外部加热器被设置在传感器部周围以提高传感器部的温度。

2.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述传感器由单晶材料形成。

3.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述传感器被熔合结合。

4.根据权利要求1所述变送器，进一步包括：具有输入和输出的可去除连接器部，所述输入被联接到变送器的连接器。

5.根据权利要求1所述变送器，进一步包括：设置在连接器部内并联接到外部加热器的加热器控制电路。

6.根据权利要求5所述变送器，进一步包括：温度传感器，所述温度传感器被联接到加热器控制电路且被设置用于传感传感器部的温度。

7.根据权利要求4所述的变送器，其中：外部加热器被联接到传感器电子装置外壳外部的连接器部。

8.根据权利要求4所述的变送器，其中：输入和输出是相同类型的连接，但性别彼此相反。

9.根据权利要求4所述的变送器，其中：所述连接器部包括至少一个指示器。

10.根据权利要求9所述的变送器，其中：所述至少一个指示器包括LED。

11.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述外部加热器包括孔，所述孔的尺寸被确定为能够穿过传感器部。

12.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述外部加热器包括用于传感传感器部的温度的温度传感器。

13.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述外部加热器包括被固定到传感器部的加热器罩。

14.根据权利要求13所述的变送器，其中：所述加热器罩包括用于传感传感器部的温度的温度传感器。

15.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述变送器是传感真空的高纯度传感器。

16.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述传感器由脆性材料形成。

17.根据权利要求1所述的变送器，其中：外部加热器可更换以改变变送器的工作温度范围。

18.根据权利要求1所述的变送器，其中：所述外部加热器包括至少一个加热元件。

19.根据权利要求18所述的变送器，其中：所述至少一个加热元件是线圈。

20.根据权利要求18所述的变送器，其中：所述至少一个加热元件是蚀刻的迹线。

21.一种用于外部加热压力变送器的传感器部的组件，所述组件包括：

加热器部，所述加热器部尺寸被确定以便外部地固定到压力传感器的传感器部；和

连接器部，所述连接器部被联接到加热器部并适于有选择地为加热器提供能量，以将加热器部保持在升高的温度。

22.根据权利要求21所述的组件，其中：所述加热器部包括孔，所述孔的尺寸被确定为能够穿过压力传感器的传感器部。

23.根据权利要求21所述的组件，其中：所述加热器部还包括联接到连接器部的温度传感器。

24.根据权利要求21所述的组件，其中：所述加热器部包括适于固定到传感器部的外部表面的加热器罩。

25.根据权利要求24所述的组件，其中：所述加热器罩包括联接到连接器部的温度传感器。

26.根据权利要求21所述的组件，其中：所述连接器部包括输入和输出，其中所述输入和输出是相同类型的连接，但彼此性别相反。

27.根据权利要求21所述的组件，其中：所述连接器部包括至少一个指示器。

28.根据权利要求21所述的组件，其中：所述压力传感器是高纯度真空传感器。

29.一种用于外部加热压力变送器的传感器部的多个组件，所述多个组件包括：

第一组件，所述第一组件包括：

第一组件加热器部，所述第一组件加热器部的尺寸被确定以便外部地固定到压力变送器的传感器部；和

第一组件连接器部，所述第一组件连接器部被联接到第一组件加热器部，并适于有选择地为第一组件加热器提供能量，以将第一组件加热器部保持在第一温度范围内的升高的温度；和

第二组件，所述第二组件包括：

第二组件加热器部，所述第二组件加热器部的尺寸被确定以便外部地固定到压力变送器的传感器部；和

第二组件连接器部，所述第二组件连接器部被联接到第二组件加热器部，并适合有选择地为第二组件加热器提供能量，以将第二组件加热器部保持在第二温度范围内的升高的温度。

30.根据权利要求29所述的多个组件，其中：第一和第二温度范围不重叠。

31.一种操作具有连接器部和传感器部的压力变送器的方法，所述方法包括：

提供电加热器；和

设置电加热器以便加热传感器部的外部表面。

32.一种压力变送器，包括：

连接器；

传感器电子装置外壳；

传感器部，所述传感器部具有形成在其中的传感器，并被联接到传感器电子装置外壳；和

用于加热传感器部的装置。

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