CN202886050U - 过程流体压力测量系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开提供一种过程流体压力测量系统，包括：过程流体压力变送器，具有变送器电子元件，并被配置为测量过程流体压力传感器的电特性，且在过程通信回路上提供压力指示；单晶过程流体压力传感器，连接到过程流体压力变送器，该过程流体压力传感器具有电阻元件和压敏元件，该压敏元件具有随着施加的压力变化的至少一个电特性，压敏元件被连接到第一输出；其中，过程流体压力变送器包括变送器电子元件，变送器电子元件被配置为施加电流到单晶压力传感器的电阻元件、监测过程流体压力传感器对由电流产生的热量的电响应、并且基于所述电响应提供验证输出。

Description

过程流体压力测量系统
技术领域
本实用新型涉及过程流体压力测量领域，并且更具体地，涉及用于单晶过程流体压力传感器的热诊断。
背景技术
压力传感器在许多工业应用中用于测量压力。一种类型的压力传感器被称为可偏转隔膜压力传感器。在这些压力传感器中，压力直接地或通过不可压缩的填充流体施加到可偏转隔膜。诸如电容板之类的电极连接到可偏转隔膜，使得隔膜板的运动改变诸如电容之类的电特性，电特性可以被测量并且与压力有关。基于可偏转隔膜的压力传感器用在差压、绝对压力和表压力传感器中。
压力传感器经常工作在恶劣的环境中，如高的过程温度或腐蚀性流体。已经在这样苛刻条件下使用的一种技术是分开和隔离压力传感器和其压力正被测量的过程流体。一种技术使用隔离隔膜，其使过程流体在一侧，隔离流体在另一侧。隔离流体将隔离隔膜连接到压力传感器的监测隔膜。在过程流体压力变化时，隔离隔膜响应地偏转，这导致将通过隔离流体传送到压力传感器隔膜的压力变化。具有隔离隔膜的压力传感器在本领域中是众所周知的。但是，要建立这样的隔离系统增加成本和复杂性。而且，流体会由于过压或机械损坏而泄漏，导致已经由过程流体污染的流体体积或填充流体的损失。
在一些应用中，理想的是使用单晶压力传感器。与其他类型的可偏转隔膜的压力传感器相比，单晶压力传感器提供许多优点。单晶压力传感器提供极低的滞后性、高频响应、以及极强的抗化学侵蚀和抗热分解。一个特定的单晶压力传感器是由蓝宝石构造的。由于单晶压力传感器具有这种极端的耐化学侵蚀和耐热分解，其可以用在其中没有使用填充流体的应用中。因此，过程流体可以直接地接触单晶压力传感器隔膜。因此，对于一些应用，单晶压力传感器是用于过程流体压力的测量的主要选择。
虽然过程控制测量工业已经开发重要的诊断能力，用于确定过程通信、过程装置电子元件以及甚至一些过程传感器的健康和操作状态，但用于单晶压力传感器的这种诊断还没有被开发出来。美国专利7,918,134提供一种用于压力变送器的基于热的诊断系统，其中热脉冲被施加到过程流体压力变送器中的填充流体。热脉冲影响填充流体的体积，并且变化的体积可以使用压力传感器测量，以诊断和/或验证压力传感器的操作。虽然这样的诊断对于基于填充流体的过程流体压力传感器系统是非常有用的，但它们不能够解决没有提供这种填充流体的应用。特别地，在一些单晶压力传感器应用中，过程流体本身被直接施加到压力传感器的偏转隔膜。因此，没有填充流体，并且因而’134专利的诊断是不可用的。
提供与单晶压力传感器相关的增强的诊断和验证将增加可靠性，并且相对于采用这种传感器的应用场合将增强现场维护。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，提供一种过程流体压力测量系统，包括：过程流体压力变送器，具有变送器电子元件，并且被配置为测量过程流体压力传感器的电特性，并且在过程通信回路上提供压力指示；单晶过程流体压力传感器，连接到过程流体压力变送器，该过程流体压力传感器具有电阻元件和压敏元件，该压敏元件具有随着施加的压力变化的至少一个电特性，压敏元件被连接到第一输出；并且其中，过程流体压力变送器包括变送器电子元件，变送器电子元件被配置为施加电流到单晶压力传感器的电阻元件、监测过程流体压力传感器对由电流产生的热量的电响应、并且基于所述电响应提供验证输出。
较佳地，在上述过程流体压力测量系统中，单晶过程流体压力传感器可以由蓝宝石构成。
附图说明
图1是特别地使用本实用新型的实施例的过程流体压力变送器的分解视图。
图2是特别地使用本实用新型的实施例的基于蓝宝石的压力传感器的示意图。
图3是图2中图示的接收过程流体压力(P)的压力传感器的示意图。
图4是特别地使用本实用新型的实施例的基于蓝宝石的压力传感器的示意分解图。
图5是在根据本实用新型的实施例的基于蓝宝石的压力传感器上执行诊断的方法的流程图。
具体实施方式
单晶过程流体压力传感器，特别是基于蓝宝石的单晶过程流体压力传感器是已知的。例如，美国专利6,089,097和6,508,129报告了这样的传感器的设计和应用。本实用新型的实施例主要提供用于这种单晶过程流体压力传感器，并且特别地用于基于蓝宝石的压力传感器的有效的验证诊断。根据本实用新型的实施例有效地实施诊断对表验证能力做出贡献。此外，由于基于蓝宝石的压力传感器的应用增加，增强的诊断将在其它情况下是有用的。
图1是特别地使用本实用新型的实施例的过程流体压力变送器50的分解视图。变送器50包括用于接收压力差的法兰52、两个绝对压力传感器膜片(未显示)和电子元件56。变送器50用螺栓固定到法兰适配器58，法兰适配器58连接到脉冲管，脉冲管连接到法兰适配器接头60或其他连接硬件。图1描述的过程流体压力变送器仅是示例性的，并且其他过程流体压力变送器可以用于本实用新型的实施例。特别地，可以从Emerson ProcessManagement(艾默生过程管理公司)获得的以商标牌号
Figure BDA00002272617300031
Model4600出售的绝对压力过程流体压力变送器也可以结合本实用新型的实施例。
图2是特别地使用本实用新型的实施例的单晶压力传感器的一个示意性的视图。压力传感器100通常以梁的形状布置，并且由第一层102和第二层104制成，第一层102和第二层104都由诸如蓝宝石之类的单晶材料构造。第一层102和第二层104粘结在一起以形成梁状主体107，主体107包括第一端部106和相对的端部110，第一端106具有适于流体加压的一个或多个隔膜108。第一端部106和第二端部110由过程流体容器壁112分开。从本质上讲，压力传感器100通过在壁112中的孔，并且以铜焊、焊接或以其他方式固定在其上，如在标号114处表示。铜焊的安装提供流体屏障，使得加压的过程流体不会到达位于第二端部110处的电接触垫，避免接触垫被加压流体腐蚀。电接触垫和隔膜108位于梁状传感器主体107的相对端上，提供所需的机械隔离，从而使由电引线施加的任何作用力在其可以达到压力监测隔膜108之前大大地衰减。
图3是图2中所示的接收过程流体压力(P)的压力传感器的示意图。正如所指出的，过程流体压力P导致至少一个隔膜108向内变形(向内偏转在图3中被大大地夸大)。至少一个隔膜108的偏转导致粘接到隔膜108的内表面的电容板移动。电容板的这个移动导致电容板之间的电容变化，其因而表示施加的过程流体压力。电容板(capacitive plate)是具有随着所施加的压力变化的电特性的压敏元件的一个示例。例如，本实用新型的实施例也可以使用电阻应变仪实现。
对于过程工业来说重要的是能够验证压力变送器和/或压力传感器是否正常运行。压力变送器设备诊断目前只限于特别地在能够偏转单晶隔膜式压力传感器的情况下确定传感器和传感器系统的健康的能力。
蓝宝石压力传感器是精密设备，并且重要的是能够快速地和准确地确定这样的传感器的验证。当前基于蓝宝石的过程流体压力传感器一般地提供测量电容(其基于至少一个可偏转隔膜的偏转而变化)、参考电容(其不随着隔膜偏转变化，但是在所有其他方面(如温度)类似于测量电容变化)和温度测量值。典型地，因为电容信号共享公共引线，这样的传感器具有五个接线端。
本实用新型的实施例通常利用将在诊断测试期间被供电的温度传感器(为电阻器)，由此产生I2R热量。由温度传感器(瞬间加热器)施加的热量将通过机械地扩大传感器结构而影响压力传感器。简单实施例的示例将是将输出保持在压力的最后温度补偿值处，通过温度传感器使电流转向，以及测量电容式传感器的瞬态响应，并且然后切换回正常操作。对温度传感器引起的热脉冲的适当的响应将表示健康的传感器、传感器电子元件和互连。
注意到，基于蓝宝石的过程流体压力传感器典型地使用处于真空的传感器的内部容积测量绝对压力。因此，热量不导致压力变化。如果传感器被浸渍在充油型系统中，如用于
Figure BDA00002272617300051
型号4600，则热量可能潜在地导致油膨胀，产生增加的压力。但是，可以相信，因为比较大的油量，这个增加的压力会产生无关紧要的信号。因此，本实用新型的实施例可以用于充油型压力传感器。
图4是特别地使用本实用新型的实施例的基于蓝宝石的过程流体压力传感器的示意性分解图。层102包括设置在可偏转隔膜108的内表面上的传感器电容器116。上部电极118、120被设置为相对于层102上的相应的结构完成检测和参考电容器。在一个实施例中，温度传感器122优选地由诸如钨之类的高温金属构成，并且具有1500欧姆的标称电阻。钨RTD的温度系数在5.4欧姆/摄氏度处是相对线性的。
图5是在根据本实用新型的实施例的基于蓝宝石压力传感器上执行诊断的方法的流程图。方法150包括提供单晶压力传感器，该单晶压力传感器优选地由蓝宝石构成，并且具有随着施加的压力变化的至少一个电特性，和位于其中的至少一个电阻元件。方法150在块152处开始，其中过程流体压力传感器被加热或被暂时地热冲击。可以使用任何合适的热源施加热量。优选地，使用压力传感器内的金属电阻元件作为加热元件施加热量。更优选地，这个元件还兼作电阻温度装置。功率可以从任何合适的源施加到内部电阻元件，合适的源包括废物提取式变送器电源(scavengedtransmitter power)、、诸如超级电容器或电池之类的内部存储系统、变送器回路电源、外部电源或者其任何组合。在使用超级电容器的实施例中，超级电容器可被连续充电，或者在诊断测试顺序期间通过分流过量的变送器功率(在静态电流和20毫安之间)进入电容器而被充电几分钟。然后，超级电容器快速地放电到温度传感器中以产生热脉冲。
不考虑用于加热的功率源，当施加热量时，并且即使在施加热量以后，如在块154处所示，过程流体压力传感器的至少一个电特性被监测和/或记录。所述监测可以包括监测电阻元件的电阻、监测参考电容的电容、监测测量电容器的电容或它们的任意组合。接着，在块156处，变送器电子元件，如过程流体压力变送器的微处理器，根据监测和/或记录的传感器值确定或以其它方式表征传感器的状态，并且提供验证输出。这可以是在诊断期间在变送器上专门地运行的任务，或者可以是在其它变送器操作期间作为后台任务运行的任务。传感器的响应的分析可以包括以下分析技术中的任何一种或全部：测量输出信号的大小；确定信号的时间常数；和/或确定输出信号的波形。最后，在块158处，诊断过程完成，并且压力传感器返回到标准操作。
方法150可以通过在过程通信回路上的通信自动地启动、在过程流体压力变送器被通电时自动地启动或在其后定期地启动、和/或可以由与过程流体压力变送器的本地用户接口交互的技术人员手动启动。
虽然已经参照优选实施例描述了本实用新型，但本领域技术人员将认识到，在不背离在本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出改变。

Claims (2)

1.一种过程流体压力测量系统，包括：
过程流体压力变送器，具有变送器电子元件，并且被配置为测量过程流体压力传感器的电特性，并且在过程通信回路上提供压力指示；
单晶过程流体压力传感器，连接到过程流体压力变送器，该过程流体压力传感器具有电阻元件和压敏元件，该压敏元件具有随着施加的压力变化的至少一个电特性，压敏元件被连接到第一输出；并且
其中，过程流体压力变送器包括变送器电子元件，变送器电子元件被配置为施加电流到单晶压力传感器的电阻元件、监测过程流体压力传感器对由电流产生的热量的电响应、并且基于所述电响应提供验证输出。
2.根据权利要求1所述的过程流体压力测量系统，其中，单晶过程流体压力传感器由蓝宝石构成。
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