MX2012010549A - Frecuencia de resonancia basada en sensor de presion. - Google Patents

Abstract

Un sensor de presión (10) para detectar una presión de un fluido de proceso incluye un cuerpo de sensor (23) expuesto a la presión del fluido de proceso. El cuerpo de sensor (23) se deforma en respuesta a la presión. Un diafragma (16) suspendido desde el cuerpo del sensor (23) tiene una tensión que cambia en respuesta a la deformación del cuerpo de sensor (23). Se mide una frecuencia resonante del diafragma (16). La frecuencia resonante medida indica la presión en línea del fluido de proceso e integridad del sistema de fluido de llenado de aislamiento. Además de medir la frecuencia resonante, el propio modo de oscilación puede usarse como una herramienta de diagnóstico para evaluar la salud del sensor.

Description

FRECUENCIA DE RESONANCIA BASADA EN SENSOR DE PRESIÓN ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a transmisores de presión del tipo utilizado en los sistemas de control de procesos industriales. Más específicamente, la presente invención se refiere a un sensor de presión para su uso en un transmisor de presión.

Los transmisores de presión se utilizan en sistemas industriales de control de procesos para controlar las presiones de los fluidos de proceso. Un transmisor de presión incluye un sensor de presión que está acoplado a un fluido de proceso y proporciona una salida en respuesta a la presión aplicada por el fluido de proceso. Un tipo bien conocido de transmisor de presión es el transmisor Modelo 3051 disponible de Rosemount Inc. de Edén Prairie, Minnesota. Los transmisores de presión se muestran también en la patente de E.U.A. No. 5,094,109, por ejemplo.

En muchas instalaciones, en donde se mide la presión diferencial, con frecuencia es también deseable obtener mediciones de presión en la linea (es decir, la presión del fluido de proceso en la tubería o conducto) . Por ejemplo, la presión de la línea se puede utilizar para determinar el flujo de masa del fluido de proceso, o para otras aplicaciones de control. Sin embargo, cuando se requiere una medición de presión de la linea, además de la medición de la presión diferencial, un sensor de presión adicional se requiere típicamente. Este sensor de presión adicional requiere componentes adicionales y de acoplamiento para el fluido de proceso. Estos componentes adicionales conducen a una mayor complejidad y costo, así como incrementar la probabilidad de falla.

Además, muchas tecnologías de detección de presión están acopladas para procesar fluido a través de una disposición de aislamiento que utiliza un diafragma de aislamiento expuesto a fluido del proceso y un fluido de llenado de aislamiento que acopla el sensor de presión al diafragma de aislamiento. Esta disposición de aislamiento potencialmente puede ser una fuente de errores, la complejidad y el fracaso potencial en dispositivos de proceso .

SUMARIO Un sensor de presión para detectar una presión de un fluido de proceso incluye un cuerpo de sensor expuesto a la presión del fluido de proceso. El cuerpo del sensor se deforma en respuesta a la presión. Un diafragma suspendido por el cuerpo de sensor tiene una tensión que cambia en respuesta a la deformación del cuerpo del sensor. Se mide una frecuencia de resonancia del diafragma. La frecuencia de resonancia medida indica la presión de la integridad de la linea de fluido de proceso del aislamiento llenar el sistema de fluido. Además de medir la frecuencia de resonancia, el modo de oscilación en si mismo puede ser utilizado como una herramienta de diagnóstico para evaluar la condición del sensor .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en perspectiva en sección transversal de un sensor de presión de acuerdo con la presente invención.

La Figura 2 es una vista en sección transversal que muestra el sensor de presión de la Figura 1 a partir del resultado de una presión aplicada a los dos puertos de presión del sensor de la Figura 1.

La Figura 3 es una vista en sección transversal de un sensor de presión que incluye una fuente acústica.

La Figura 4 es una vista en sección transversal de un transmisor variable de proceso que incluye un sensor de presión de acuerdo con la presente invención.

Las Figuras 5A-5F ilustran modos resonantes ilustrativos de un diafragma central de acuerdo con la invención .

DESCRIPCIÓN DETALLADA La presente invención se refiere a sensores de presión del tipo utilizado en transmisores de presión de sistemas de control de procesos industriales. Con la presente invención, un sensor de presión se proporciona incluyendo un cuerpo de sensor deformable. Un diafragma está montado en el cuerpo del sensor. A medida que el cuerpo se deforma, la frecuencia de resonancia de los cambios de diafragma. Se puede medir la frecuencia de resonancia y puede ser determinada la presión aplicada.

La Figura 1 es una perspectiva vista en sección transversal de un sensor de presión diferencial 10 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El sensor de presión 10 es un ejemplo de una configuración de sensor de presión diferencial e incluye conectores de presión 26 que se extienden a través del cuerpo de sensor 23. El cuerpo del sensor está formado de células medias 46 y 48 y comprende un metal y un compuesto de vidrio. Una cavidad 25 dentro del sensor 10 lleva un fluido de llenado. Un diafragma móvil 16 se extiende a través de la cavidad 25 y está configurado para moverse en respuesta a una presión diferencial aplicada. Los electrodos (placas de condensadores) 20A y 20B están dispuestos en la cavidad 25 del sensor 10. Las conexiones eléctricas 40 acopladas a los electrodos 20 y el diafragma 16 se utilizan para medir la capacitancia eléctrica entre los mismos. Esta capacitancia varía a medida que el diafragma se mueve en respuesta a la presión aplicada y se puede utilizar para determinar la presión diferencial aplicada. Esta medición de la presión diferencial puede ser utilizada para determinar la velocidad de flujo en la tubería o conducto.

De acuerdo con la presente invención, un transductor acústico resonante 96 (mostrado en la Figura 3) está acoplado al cuerpo del sensor de presión deformable 23 del sensor de presión 10 y está configurado para resonar el diafragma 16, cuya frecuencia cambia en respuesta a una presión de la línea del fluido de proceso. Los electrodos 20A y 20B pueden funcionar como recolector de resonancia y se describen a continuación con más detalle.

Dado que la presión diferencial se aplica al cuerpo del sensor 23 a través de conexiones de presión 26, además del movimiento del diafragma 16, la forma general del cuerpo del sensor 23 también cambia en respuesta a la presión de la línea. Esta deformación en la forma del cuerpo sensor cambia la frecuencia de resonancia del diafragma 16. La frecuencia de resonancia del diafragma se puede medir de acuerdo con cualquier técnica apropiada. Por ejemplo, un transductor de señal acústica (fuente) se puede utilizar para resonar el diafragma 16. La frecuencia de resonancia del diafragma se puede enviar entonces por la medición de cambios en la capacitancia entre los electrodos 20A y 20B y el diafragma 16.

La siguiente ecuación se utiliza para predecir la frecuencia de resonancia de una membrana pretensada: en donde: jfn = membrana natural (Hz) valor constante basada en el modo de resonancia sobre la base de los radios nodal (i) y diámetros nodales (j) o = tensión de la membrana central (0.07 kg/cm2) p = membrana propiedad del material en función de la fuerza de masa, volumen y gravedad (10686.9 gm/cm3) A = área efectiva de la membrana de resonancia La ecuación 1 describe una relación que se puede utilizar para calcular la tensión diafragma central mediante la medición de la frecuencia a la que resuena el diafragma. Simplificando la ecuación 1 muestra que: (Ec. 2) que establece que la frecuencia de resonancia del diafragma central es proporcional a la tensión de la raíz cuadrada del diafragma central 16.

La Figura 2 es una vista en sección transversal simplificada de sensor 10 que muestra la deformación del cuerpo de sensor 10 en respuesta a una presión de linea aplicada desde el fluido de proceso. En respuesta a una presión aplicada, aumenta la profundidad de cavidad, que hace que las células 46 y un medio 48 para deflectar radicalmente hacia dentro. Esto resulta en una reducción de la tensión (estrés) del diafragma central 16. Como se muestra en la Figura 2, la cavidad de profundidad (Zo) aumenta (??) con la presión de linea creciente. La deflexión sigue la ley de Hook y es directamente proporcional a la presión de la linea, P, es decir: Z = Z0 + kzP (Ec. 3) en donde k2 es el muelle de constante de proporcionalidad entre la presión de linea y profundidad de la cavidad. De manera similar, el radio (r) del sensor en el central del diafragma (CD) contratos (Ar) con presión de linea aplicada. Esta desviación es lineal con la presión de linea (p) : r = r0-koP (Ec. 4) en donde kr es el muelle de constante de proporcionalidad entre la presión de linea y cambios radiales. Debido a esto, la tensión CD también es una función lineal de la presión de linea: s = Oo - kaP (Ec. 5) en donde kc es la fuente constante de proporcionalidad entre la presión y el estrés diafragma linea central. Puesto que la tensión CD es biaxial, la tensión puede ser convertida a la tensión de la siguiente manera: (Ec. 6) donde e = tensión = Ar, , E = Modulo de Young, y v = relación de Poisson para CD. Debido a esta proporcionalidad lineal, se puede escribir: La resonancia simpatética es un fenómeno armónico en el que un cuerpo pasivo responde a las vibraciones externas para las que es armónicamente similar. Al usar resonancia simpatética, la energía puede ser transferida y almacenada entre sistemas de resonancia. Con la presente invención, el diafragma central 16 del cuerpo del sensor es simpáticamente resonancia, por ejemplo, por una fuente acústica. El diafragma central se pone en resonancia acústica o mecánicamente y la frecuencia de resonancia se mide para determinar la presión de linea. La frecuencia de resonancia también se puede utilizar para diagnosticar la integridad de la membrana central, asi como los diafragmas de aislamiento y conectores de presión que están llenos de aceite y se usa para aislar el sensor del fluido de proceso.

El diafragma central resonará a una frecuencia especifica sobre la base de su tensión. Los factores que influyen en la tensión central de diafragma incluyen la presión de linea, presión diferencial y temperatura. Como la presión diferencial y la temperatura se mide en el dispositivo, su contribución a los cambios en la tensión del diafragma puede ser caracterizada y por lo tanto compensar sus efectos. Con esto, sólo la presión de la linea permanece como una incógnita y su valor de contribución de frecuencia se puede calcular como se ilustra por la ecuación 8: IP = /medido * n> ± /temperatura (Ec. 8) La presión diferencial se añadirá tensión (y aumentar la frecuencia de resonancia) como el diafragma central está desplazado de su eje neutro. El sensor de temperatura o bien aumentar o reducir la tensión en el diafragma central como los materiales de expandirse o contraerse.

Para un sensor práctico basado en un diafragma resonante, la cuestión de los medios de amortiguación se vuelve importante. Cuando el diafragma está rodeado por un liquido, tal como el aceite de aislamiento en una aplicación típica, el comportamiento de resonancia del diafragma estará muy amortiguado. Esto ocurre debido a que el aceite, por ejemplo, debe ser físicamente desplazado a fin de que el diafragma vibre. Este problema puede ser mitigado por varios medios: Uno es usar el sensor en un medio de gas que tienen un efecto reducido sobre la atenuación de diafragma. En algunas aplicaciones, sin embargo, esto no es factible y un líquido, típicamente aceite debe estar en contacto con el diafragma .

Para evitar esto, un segundo enfoque puede ser empleado. Modos de orden superior de vibración de la membrana tienden a tener muchas ondulaciones en la membrana de diafragma estirado y típicamente tienen menores amplitudes de desplazamiento. Esto reduce el desplazamiento de volumen neto y en consecuencia la amortiguación del modo que se muestra en la Figura 5C es menos severa que la que se produce para el modo mostrado en la Figura 5A.

Un tercer método es aún más eficaz para excitar sólo las llamadas modos "azimutalmente asimétricos" mostrados en las Figuras 5D-F. Estos modos particulares tienen la ventaja de no desplazar cualquier volumen neto debido a desplazamientos ascendentes son contrarrestados por la igualdad de desplazamientos descendentes.

Por lo tanto, para la regulación de resonancia mínima cuando el diafragma está en contacto con un líquido, deben ser considerados los modos de orden más altos azimutalmente asimétricos.

Como diagnóstico, el modo particular que se excita también puede cambiar si algún aspecto del sensor ha cambiado y, por consiguiente si se detecta, indicaría un fallo potencial en el sensor.

La Figura 3 es una vista en sección transversal de la celda del sensor de presión 10. En la Figura 3, los electrodos 20 se ilustran como central electrodos 20A y electrodos de anillo 20B. Estos electrodos se acoplan a conexiones eléctricas 40. Un transductor acústico 96 se ilustra montado en una de las celdas 46 y medio se utiliza para aplicar una señal acústica al central del diafragma 16. El transductor acústico 96 se acopla a los cables 98 y es accionado a una frecuencia, o barrido a través de una gama de frecuencias, con el fin de excitar el diafragma central en resonancia. Esta resonancia puede ser detectada mediante la medición de las variaciones en la capacitancia entre los electrodos 20A/B y el diafragma central 16. Aunque en este ejemplo se ilustra la capacitancia de ser utilizado para detectar la deflexión de la membrana central 16 debido a la resonancia, también pueden ser utilizadas otras técnicas. Estos incluyen técnicas acústicas, sensores ópticos, mecánicos o de otro tipo.

La Figura 4 es una vista en sección transversal de un transmisor 100 que incluye un sensor 102 de presión de acuerdo con una modalidad de la presente invención con transductor acústico 96. Transmisor 100 es conocido en la industria por tener una plataforma Coplanar™ y diafragmas de aislamiento 106 y 108 están alineados generalmente en el mismo plano. La pestaña 111 se acopla al transmisor 100 a través de pernos 110 a presión Pi y P2 asi par de diafragmas de aislamiento 106 y 108. Los empaques 109 proporcionan un sello entre la pestaña 111 y el diafragma de aislamiento 106, 108. Un fluido sensiblemente incompresible se realiza en conectores de presión 120 que se acoplan al sensor de presión 102. Similar al sensor de presión 10, el sensor 102 tiene un cuerpo de sensor que se forma a partir de dos células de un medio 112, 114, respectivamente, llenos con material de vidrio 116, 118. Los conductores eléctricos 124 pares de placas de condensador (no mostrado) que se realizan en superficies de sensor de materiales frágiles 116, 118. Un diafragma 122 se deforma en respuesta a las presiones aplicadas Pi y P2 que causan un cambio capacitiva, que es detectada por un circuito transmisor 123 que proporciona una salida relacionada con presiones Pi y P2 a través de un bucle de control de proceso. Los bucles de control de proceso son puede estar de acuerdo con cualquier norma apropiada incluyendo dos bucle de alambre de control de procesos, tales como circuitos de 4-20 mA, HART ® o FieldBus, basados en bucles de control de bucle inalámbrico, etc. Además, el bucle de control de proceso puede comprender un bucle de control inalámbrico en el que las técnicas de comunicación inalámbricos se utilizan para transmitir datos.

Además de determinar la presión de la linea en base a la resonancia del diafragma central como se discutió anteriormente, la frecuencia de resonancia y el tipo de modo también se puede utilizar para determinar la condición de que el diafragma central, asi como el sistema de llenado de aceite. El circuito de transmisor 123 proporciona un circuito de diagnóstico y las parejas transductor acústico 96 a través de los cables 98. La circuiteria 123 está configurada para energizar el transductor 96 y detección en respuesta a la frecuencia de resonancia del diafragma 122 como se discutió anteriormente. La circuiteria 123 puede proporcionar una salida de diagnóstico, por ejemplo, a través de la salida del transmisor. Los daños en el diafragma central, o la aparición de fugas de aceite, darán lugar a cambios en la frecuencia de resonancia del diafragma central. Aunque la medición de la resonancia se ilustra en base a cambios en la capacitancia, otras técnicas de medición pueden ser empleados como el uso de técnicas acústicas, sensores ópticos, mecánicos, o de otro tipo. La frecuencia de resonancia medida puede ser compensada en base a la presión diferencial medida y la temperatura como se desee para mejorar la precisión de las mediciones. Si se desea la compensación de temperatura, un sensor de temperatura 130 puede ser acoplado térmicamente al sensor de presión 102 como se ilustra en la Figura 4. El sensor de temperatura 130 puede estar de acuerdo con cualquier tecnología de sensor adecuado y acoplado a la circuitería 123. Los cambios en la frecuencia de resonancia del diafragma central 122 pueden indicar daño físico tal como un orificio, un diafragma perforado o desgarrado, u otros daños a los componentes de membrana o transmisor. La pérdida de presión de aceite en uno o más lados del diafragma también causará un cambio en la frecuencia de resonancia. En una configuración, las mediciones de presión diferencial también se pueden obtener usando una membrana pretensada, un transductor acústico (fuente) y un captador acústico. La medición de la resonancia del diafragma de aislamiento puede ser usada para determinar la integridad de la membrana de aislamiento e indica la presión de línea. La resonancia del diafragma también puede ser inducida mediante técnicas electrostáticas. En otro ejemplo, la fuente de energía utilizada para colocar el diafragma en resonancia central está situada en una posición externa al transmisor. Por ejemplo, un dispositivo de prueba puede estar configurado para acoplarse con el transmisor y transmitir la energía acústica en el transmisor poniendo así el diafragma en resonancia.

Aunque la descripción anterior ha discutido el cuerpo del sensor como un vidrio y compuestos de metal, de otro material puede ser utilizado que tienen características deseables. Los ejemplos incluyen materiales plásticos o similares. Cualquier tecnología adecuada para la detección de la resonancia se puede utilizar como capacitancia, medidor de deformación, técnicas ópticas, técnicas de silicio, etc. Otros sensores, se pueden utilizar múltiples para la seguridad, la redundancia, la auto-validación o similares. Como se usa en la presente memoria, "sensor de frecuencia de resonancia" puede comprender cualquier tecnología de sensores adecuada que se utiliza para medir o detectar la frecuencia de resonancia del diafragma central. En las figuras mostradas en este documento, el sensor de frecuencia de resonancia se ilustra como una fuente acústica y un sensor de desplazamiento independiente que mide el desplazamiento del diafragma central en base a la capacitancia eléctrica. Sin embargo, la presente invención no se limita a este sensor de frecuencia de resonancia particular.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. - Un sensor de presión para detectar una presión de un fluido de proceso, que comprende: un cuerpo de sensor deformable expuesto a la presión del fluido de proceso, en donde el cuerpo del sensor se deforma en respuesta a la presión; un diafragma suspendido por el cuerpo del sensor y que tiene una tensión que cambia en respuesta a la deformación del cuerpo de sensor; un sensor de frecuencia resonante configurado para detectar una frecuencia del diafragma resonante, la frecuencia de resonancia indicativa de la presión del fluido de proceso y en donde el diafragma está configurado para deflectar, en respuesta a una presión aplicada.

2. - El aparato de la reivindicación 1, en donde el cuerpo del sensor deformable comprende un cuerpo de vidrio y sensor de metal.

3. - El aparato de la reivindicación 1, en donde el sensor de la frecuencia resonante incluye una fuente acústica .

4. - El aparato de la reivindicación 3, en donde el sensor de frecuencia resonante comprende además una placa de condensador situada próxima a la membrana que tiene una capacitancia que cambia en respuesta a la deflexión del diafragma .

5. - El aparato de la reivindicación 1, que incluye un sensor de temperatura y la resonancia en donde el diafragma está compensado basado en una temperatura detectada .

6. - El aparato de la reivindicación 1, en donde el diafragma está configurado para deflectar, en respuesta a un diferencial de presión aplicado al diafragma.

7.- El aparato de la reivindicación 6, que incluye un electrodo colocado cerca del diafragma y los circuitos de medición configurados para medir la presión diferencial basado en un cambio en la capacitancia entre el electrodo y el diafragma.

8.- El aparato de la reivindicación 7, en donde la resonancia del diafragma es detectada por el circuito de medición basada en la capacidad entre el electrodo y el diafragma .

9. - El aparato de la reivindicación 1, en donde la frecuencia de resonancia indica además una condición de diagnóstico del sensor de presión.

10. - El aparato de la reivindicación 1, en donde el modo de frecuencia de resonancia indica la condición del sensor .

11. - El aparato de la reivindicación 1, en donde los pares del sensor de presión a un fluido de proceso a través de un fluido de aislamiento.

12. - Un transmisor de control de proceso que incluye circuitos del transmisor acoplado al sensor de presión de la reivindicación 1.

13. - El aparato de la reivindicación en donde el circuito del transmisor está configurado para determinar la presión de linea en base a la frecuencia de resonancia del diafragma .

14. - Un método de detección de la presión de un fluido de proceso, que comprende: exponer un cuerpo de sensor de la presión del fluido de proceso y de ese modo la deformación del cuerpo del sensor en respuesta a la presión; suspender un diafragma desde el cuerpo de presión, el diafragma tiene una tensión que cambia en respuesta a la deformación del cuerpo de sensor; detectar una frecuencia de resonancia del diafragma, la frecuencia de resonancia que indica la presión del fluido de proceso proporciona una salida de presión que indica la presión de fluido de proceso detectada en base a la frecuencia de resonancia del diafragma; e incluir la detección de una presión diferencial basándose en la deflexión del diafragma.

15. - El método de la reivindicación 1, en donde la frecuencia de resonancia se mide en base a una capacitancia.

16. - El método de la reivindicación 14, que incluye la excitación del diafragma en resonancia usando una fuente acústica .

17. - El método de la reivindicación 14, incluyendo la deflexión del diafragma de detección usando la capacitancia .

18. - El método de la reivindicación 14, incluyendo la determinación de una condición de diagnóstico del diafragma en base a la frecuencia de resonancia detectada.

19. - El método de la reivindicación 14, que incluye la determinación de una condición de diagnóstico del diafragma basado en el modo de frecuencia resonante detectado.

20. - El método de la reivindicación 14, que incluye la transmisión de información relacionada con la presión del fluido de proceso en un bucle de control de proceso. RESUMEN Un sensor de presión (10) para detectar una presión de un fluido de proceso incluye un cuerpo de sensor (23) expuesto a la presión del fluido de proceso. El cuerpo de sensor (23) se deforma en respuesta a la presión. Un diafragma (16) suspendido desde el cuerpo del sensor (23) tiene una tensión que cambia en respuesta a la deformación del cuerpo de sensor (23) . Se mide una frecuencia resonante del diafragma (16). La frecuencia resonante medida indica la presión en linea del fluido de proceso e integridad del sistema de fluido de llenado de aislamiento. Además de medir la frecuencia resonante, el propio modo de oscilación puede usarse como una herramienta de diagnóstico para evaluar la salud del sensor.