CN205940850U - 充满流体的细长的压力传感器 - Google Patents

Abstract

充满流体的细长的压力传感器，包括响应于施加的压力而形变的、具有形成在其中的空腔的细长本体。隔离膜片将空腔密封以隔离过程流体，并且被配置为响应于从过程流体施加的过程压力而偏转。响应于隔离膜片的偏转，空腔中的隔离填充流体向细长本体施加压力，由此引起细长本体的偏转。形变传感器耦合到细长本体，并且响应于细长本体的形变来提供指示过程压力的传感器输出。

Description

充满流体的细长的压力传感器

技术领域

本实用新型涉及用于感测工业过程中的过程流体的压力的一类压力传感器。更具体地，本实用新型涉及充满填充流体的压力传感器。

背景技术

工业过程在过程流体等的制造和分发中使用。在这样的工业过程中，测量过程的各种“过程变量”以便监视和/或控制过程的操作是已知的。这样的过程变量包括压力、温度以及流量等等。这些过程变量是使用可以在被称作“现场设备”或“过程变量变送器”的设备中实现的过程变量传感器来测量的。过程变量变送器使用过程变量传感器来测量过程变量，并且向远程位置(例如中央控制室)发送与测量出的过程变量有关的信息。

测量过程流体的压力的各种技术是已知的。这些技术包括直接向过程流体暴露压力传感器的配置、以及压力传感器与过程流体相隔离的配置。然而，存在改进压力测量布置的持续需求，这其中包括能够经受住高压的布置以及抵御强大的冲击或振动的布置。

实用新型内容

压力传感器包括响应于施加的压力而形变的、具有形成在其中的空腔的细长本体。隔离膜片将空腔密封以隔离过程流体，并且被配置为响应于从过程流体施加的过程压力而偏转。响应于隔离膜片的偏转，空腔中的隔离填充流体向细长本体施加压力，由此引起细长本体的偏转。形变传感器耦合到细长本体，并且响应于细长本体的形变来提供指示过程压力的传感器输出。

提供了本实用新型内容和说明书摘要，以简化形式来介绍概念选择，该概念选择在具体实施方式中被进一步详细说明。实用新型内容和说明书摘要不意图标明所请求保护主题的关键特征或基本特征，也不意图用于辅助确定所请求保护主题的范围。

附图说明

图1A是现有技术的细长的压力传感器的斜视图。

图1B是图1A的现有技术的细长压力传感器的截面图。

图2是根据一个示例实施例的细长压力传感器的截面图。

图3是示出了与图2的压力传感器相关布置的形变传感器和参考传感器的示意图。

图4是示出了使用图2的压力传感器配置的过程变量变送器的简化框图。

具体实施方式

提供了压力传感器配置，其中对细长本体的内部空腔施加工业过程的过程压力。施加的压力引起细长本体的偏转。偏转传感器耦合到细长本体，并且被配置为基于细长本体的偏转来提供输出。隔离填充流体在从过程流体向细长本体传递压力的同时，将细长本体与过程流体相隔离。该配置可以用于提供鲁棒的设计，同时还防止过程流体从工业过程中泄漏。

各种类型的压力传感器在本领域中是已知的。它们包括直接耦合到过程流体的压力传感器、以及与过程流体相隔离的压力传感器。非常适于传感器暴露在高压以及强烈的振动和冲击下的恶劣环境的一类压力传感器是由Paine Electronics of EastWenatchee，WA制造的。Paine压力传感器的一种配置是图1A中示出的细长管100。图1B是Paine压力传感器100的侧截面图。如图1B中所示，将过程流体直接施加到压力传感器100的内部空腔102。过程流体通过内部空腔102将对压力传感器100施加压力，引起压力传感器100的本体108的偏转。该偏转由图1B中的箭头示出。一个或多个电阻元件104耦合到传感器100的外表面106。电阻元件104具有其电阻基于传感器本体108的偏转而变化的特性。例如，电阻器104可被布置在惠斯通电桥中，由此过程电路可以检测到本体108的壁的较小偏转。该偏转与过程流体施加的压力有关。如图1所示，压力传感器100包括过程耦合端101，该过程耦合端是具有螺纹的，并且被配置为安装到诸如管道之类的过程容器上。过程耦合端101包括过程开口103，其被布置为接收其中的过程流体并且将空腔102直接耦合到过程流体。连接器端105布置在过程耦合端104的对面，并且用于电耦合到压力传感器100。图1A还示出了传感器外壳107，该传感器外壳107在图1B中示出的电阻元件104、106以及传感器本体108周围延伸并覆盖。

图1A和图1B中示出的传感器布置提供了多个优点。压力传感器本体108可被制造为单个部件，并且提供极强的抗冲击和抗振动。此外，传感器100可以在没有故障的情况下暴露在高温和高压下。传感器配置还可以在小的封装中实现。然而，该配置确实具有一些限制，包括要求传感器100的组件、过程连接和材料被内置在传感器的最初设计中。这提高了制造的复杂性，其可能引起并导致研制时间的提高和/或高库存需求。此外，该配置允许过程流体进入传感器本体108中的空腔102，这在一些应用中可能导致麻烦。

在一个方案中，提供了压力传感器，其中隔离流体用于填充细长本体的内部空腔。这样的配置提供了多个优点。例如，在构造中使用的过程连接和材料可以与过程本身去耦合。这允许压力传感器在制造过程中制造的更像是一般产品，由此允许了制造步骤的简化并且允许更模块化的设计。传感器材料可以针对其向传感器提供的特性而不是针对与过程的兼容性来优化。制造要求可以受限于传感器物理尺寸配置和压力范围。

图2是根据一个示例实施例的压力传感器200的简化截面图。压力传感器200包括具有形成在其中的空腔204的细长本体202。细长本体202示出为具有圆形截面的管子。然而，还可以使用其它配置。细长本体202优选通过焊接点208耦合到过程耦合206。过程耦合206包括过程连接器210，该过程连接器210包括用于螺纹耦合到过程容器(例如管道等)的螺纹。空腔204通过毛细管216流体耦合到隔离膜片214。隔离填充流体填充空腔204和毛细管216。隔离填充流体可以包括例如实质上不可压缩的流体，例如油。可以通过填充流体端口220来向毛细管216和空腔204填充填充流体。在填充完成之后，可以将该端口220密封。将可选的热补偿插入物224置于空腔204中，并且其具有补偿传感器200中的其它组件的热膨胀或收缩的热特性。例如，可以使用随着温度提高而缩小的陶瓷材料，以补偿细长本体202的膨胀。在另一个配置中，插入物224具有小于传感器本体202的温度系数的温度膨胀系数。这还提供了温度补偿。除了热补偿之外，插入物224还用于减小空腔204的体积，并且由此减小填充空腔204所需要的填充流体的量。这也提高了压力测量的精度。

如图2所示，压力传感器100还包括过程耦合端230和电连接端232。过程耦合端230包括螺纹，并且被配置为被过程容器(例如过程管道等)以螺纹方式容纳。细长本体202可被覆盖在外壳中，例如图1A中示出的外壳107。

在操作期间，过程流体将压力P施加到隔离膜片214。隔离膜片推动毛细管216和空腔204中的隔离填充流体，由此引起压力施加到细长本体232。该施加的压力引起接近空腔204的细长本体232的形变。形变传感器240包括具有基于施加的应变而变化的电阻的应变计。因此，随着本体232形变，传感器240的电阻相应地发生变化。该变化指示了所施加的过程压力P。在该实施例中还示出了参考传感器242，并且该参考传感器242耦合到细长本体202的响应于施加的压力而不形变的部分。如下文中讨论的，传感器240、242可以在惠斯通电桥布置中使用。

图2中示出的采用填充流体的配置提供了相对于图1B中示出的配置的多个优点。在填充有填充流体的传感器中，传感器的构造的过程连接和材料并不取决于过程流体的特性。这允许传感器在制造过程中制造的更像是一般产品，由此允许制造过程的简化。此外，这允许在传感器的构造中使用的材料基于传感器特性(与基于兼容性要求相对)来优化，以确保当材料暴露在特定过程流体下时是可以使用的。该配置允许制造的变化受限于传感器的物理尺寸和压力范围。然而需要注意的是，优选选择填充流体与设备的期望温度操作范围相兼容。

在图2中示出的配置中，隔离膜片214提供第一过程密封。传感器本体202本身提供次级过程密封。这样的配置提供了冗余的密封，并且消除了对设备中的附加过程压力保持头(header)或连接器的要求。这还使制造变得简单。

隔离膜片214只需要覆盖毛细管216，并且不需要延伸跨过本体202的整个表面，如图2所示。插入物224可以包括陶瓷材料，以补偿填充流体基于温度的体积变化。插入物224可以包括位于空腔204的中心的杆。如之前讨论的，插入物224还降低填充流体的体积，由此提高了测量精度。图2的配置提供了使用填充流体来隔离压力传感器、同时还保持图1B中示出的“干燥”配置的大部分优点的优点。

图3是由图2中示出的传感器240、242形成的惠斯通电桥250的示意图。传感器240包括两个单独的应变计，其是具有基于施加的应力而变化的电阻的电阻器。在图2的说明中，应变计240包括环绕传感器200的本体202缠绕的电线。参考传感器242包括耦合到在不对施加的压力加以响应的区域中的本体202的应变计。如图3所示，应变计电阻被布置在惠斯通电桥配置250中，由此跨惠斯通电桥施加电流，并且跨通向电桥的第二连接感测所产生的电压。在这样的配置中，测量电路可以容易地检测到电阻中的小的变化。

按照一个实施例，图4是包括图2的压力传感器200在内的压力变送器260的简化示意图。在图4中，放大器262跨惠斯通电桥250耦合。电流源264用于将感应电流施加到电桥250。将由放大器262感测到的所产生的电压放大，并且将其提供给模数转换器266，该模数转换器266向微处理器268提供数字输出。微处理器268根据存储在存储器270中的指令来操作。存储器270还可以用于存储特性或补偿信息，例如用于多项式曲线拟合的系数、存储的或记录的数据或者包括其他配置信息在内的其它信息。这样的信息可以用于补偿来自传感器200的压力测量。微处理器268耦合到允许向感测到的压力提供输出的输入/输出电路272。可以按照有线或无线格式来提供该输出。有线格式包括在双线过程控制环路274上的通信。在这样的配置中，微处理器268可以控制在环路274中承载的电流，以提供感测到的压力的表示。同一个环路274可以用于向电源276供电，该电源276用于向变送器260完全供电。这样的有线通信协议包括其中数字信号还可被调制到环路274上的协议、以及完全数字的协议。此外，环路274可以包括无线环路。一个这样的无线过程控制环路是根据在IEC62591中阐述的通信标准。然而，其它技术也可以用于传输感测到的压力信息。

虽然已经参照优选实施例对本实用新型进行了描述，本领域技术人员将会认识到的是：在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的修改。该配置提供了填充有隔离流体在管型传感器。该隔离可以包括油或其它流体，并且优选地是不能压缩的。与过程兼容性相对的，可以针对传感器特性来优化传感器材料。如本文中示出的，过程连接特征被焊接到基本管传感器。这允许在使用标准化的传感器管的同时针对特定过程来优化过程连接。设置填充流体端口用于向传感器填充隔离填充流体。设置陶瓷插入物以补偿油的体积并提高温度性能。设置了连接器系统，其可以用于将传感器的绕丝(wirewinding)连接到外部连接器(例如图2中示出的连接器244)。这还可以用于提供标准化的电连接。可以设置冗余的密封系统，其中隔离膜片提供第一密封，而细长本体提供次级密封。虽然在图2中，膜片示出为接近于细长管，在其它的配置中，膜片可以与细长管分离，并且通过填充有填充流体的毛细管系统来流体耦合到管道。虽然在本文中明确示出并讨论了应变计传感器，形变传感器可以是任何类型的形变传感器，并且不限于具有响应于施加的压力而变化的电阻的应变计。可以基于与过程流体的兼容性来选择用于制造过程耦合206的材料，而可以基于其性能来选择用于制造细长本体202的材料作为压力传感器。

Claims (22)

1.一种压力传感器，包括：

细长本体，响应于施加的压力而偏转，并且具有形成在所述细长本体中的空腔；

隔离膜片，将空腔密封以隔离过程流体，并且被配置为响应于从过程流体施加的过程压力而偏转；

所述空腔中的隔离填充流体，响应于隔离膜片的偏转，所述空腔中的隔离填充流体向细长本体施加压力，由此引起细长本体的形变；以及

形变传感器，耦合到所述细长本体，并且具有响应于细长本体的形变而指示过程压力的传感器输出。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述形变传感器包括应变计。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，所述应变计被配置在惠斯通电桥中。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，包括耦合到所述细长本体的参考传感器。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，参考传感器和形变传感器被布置在惠斯通电桥中。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，包括接近隔离膜片的螺纹过程耦合，其被配置为将所述细长本体耦合到过程流体。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述细长本体耦合到过程耦合。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述细长本体焊接到所述过程耦合。

9.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述隔离膜片安装到所述过程耦合。

10.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述过程耦合包括毛细管，在所述毛细管中承载填充流体。

11.根据权利要求10所述的压力传感器，其中，所述过程耦合包括填充流体端口，所述填充流体端口被配置为接收隔离填充流体。

12.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述过程耦合是具有螺纹的。

13.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述空腔包括补偿插入物。

14.根据权利要求13所述的压力传感器，其中，所述补偿插入物具有用于补偿温度变化的热特性。

15.根据权利要求13所述的压力传感器，其中，补偿部件减小所述空腔的体积。

16.根据权利要求1所述的压力传感器，包括耦合到所述形变传感器的电连接器。

17.一种用于感测过程流体的压力的过程变量变送器，包括：

根据权利要求1所述的压力传感器；

电路，被配置为提供与由所述压力传感器感测到的压力有关的输出。

18.根据权利要求17所述的过程变量变送器，其中，所述压力传感器的形变传感器被布置在惠斯通电桥中。

19.根据权利要求18所述的过程变量变送器，包括：电流源，被配置为对所述惠斯通电桥施加电流；以及放大器，被配置为感测跨所述惠斯通电桥的所产生的电压。

20.根据权利要求17所述的过程变量变送器，包括：存储器，被配置为存储与所述压力传感器有关的补偿信息。

21.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述隔离膜片提供将所述过程流体加以密封的第一密封，并且细长本体提供将所述过程流体加以密封的第二密封。

22.根据权利要求13所述的压力传感器，其中，所述补偿插入物包括陶瓷。