RU2596631C1

RU2596631C1 - Температурная диагностика для монокристаллического датчика давления рабочей жидкости

Info

Publication number: RU2596631C1
Application number: RU2015102524/28A
Authority: RU
Inventors: Роберт С. Хедтке
Original assignee: Росемоунт Инк.
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2016-09-10
Also published as: WO2014025463A1; US9568387B2; EP2883026A1; CA2878920C; JP2015528566A; CA2878920A1; CN103575465B; EP2883026B1; AU2013300083B2; JP5997841B2; CN202886050U; CN103575465A; US20140041437A1; AU2013300083A1; BR112015002734A2

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам для измерения давления рабочей жидкости. В настоящем изобретении представлен способ проверки состояния монокристаллического датчика давления, а также система измерения давления рабочей жидкости, реализующая указанный способ. Способ включает наличие монокристаллического датчика давления с пьезоэлементом, который имеет как минимум одну электрическую характеристику, меняющуюся в зависимости от внешнего давления. Датчик давления оснащен как минимум одним резистивным элементом в виде датчика температуры. Ток подается через резистивный элемент для нагрева датчика давления. Выполняется контроль как минимум одного вывода датчика давления для определения его реакции на токовый нагрев. Выходной сигнал проверки подается исходя из реакции. Создание усовершенствованной системы диагностики и проверки монокристаллических датчиков давления повысит надежность и улучшит качество технического обслуживания оборудования, где используются такие датчики. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Датчики давления используются для измерения давления в различных промышленных сферах. Один из типов датчиков давления известен как датчик давления с гибкой диафрагмой. В этих датчиках давления давление подается напрямую или через несжимаемую заполняющую жидкость на гибкую диафрагму. Электрод, такой как емкостная пластина, соединен с гибкой диафрагмой, чтобы перемещение пластины диафрагмы изменяло электрическую характеристику, например емкость, которая может быть измерена и относиться к давлению. Датчики давления с гибкой диафрагмой применяются в датчиках дифференциального, абсолютного и манометрического давления.

[0002] Датчики давления часто работают в агрессивных средах, таких как высокие рабочие температуры или коррозионные рабочие жидкости. Способ, который используется в таких жестких условиях, заключается в разделении и изолировании датчика давления от рабочей жидкости, давление которой измеряется. В еще одном способе применяется изоляционная диафрагма, на одной стороне которой находится рабочая жидкость, а на другой - изоляционная жидкость. Изоляционная жидкость соединяет изоляционную диафрагму с измерительной диафрагмой датчика давления. По мере того как изменяется давление рабочей жидкости, изоляционная диафрагма соответственно прогибается, что приводит к изменению давления, подающегося через изоляционную жидкость на диафрагму датчика давления. Датчики давления с изоляционными диафрагмами хорошо известны на данном уровне техники. Однако создание такой изолированной системы сложное и трудоемкое. К тому же, жидкость может протекать из-за повышенного давления или механического повреждения, что приводит к потере объема жидкости или загрязнению заполняющей жидкости рабочей жидкостью.

[0003] В некоторых сферах применения нужно использовать монокристаллический датчик давления. Монокристаллические датчики давления дают ряд преимуществ по сравнению с другими типами датчиков давления с гибкой диафрагмой. Монокристаллический датчик давления обеспечивает крайне низкий гистерезис, высокочастотную характеристику и высокую устойчивость к химическому воздействию и тепловому разрушению. Каждый отдельный монокристаллический датчик давления изготовлен из сапфира. Так как монокристаллический датчик давления обладает такой предельной устойчивостью к химическому воздействию и тепловому разрушению, он может использоваться в сферах применения без заполняющей жидкости. Поэтому рабочая жидкость может непосредственно контактировать с диафрагмой монокристаллического датчика давления. В связи с этим, в некоторых сферах применения монокристаллические датчики давления оптимальны для измерения давления рабочей жидкости.

[0004] Несмотря на то, что в рамках отрасли измерений и управления процессом были разработаны значительные диагностические возможности для определения исправного и рабочего состояния технологических коммуникаций, электроники технологических устройств и даже некоторых технологических датчиков, такая диагностика не была разработана для монокристаллических датчиков давления. В патенте США №7,918,134 описана система температурной диагностики для датчика давления, где на заполняющую жидкость в датчике давления рабочей жидкости подается тепловой импульс. Тепловой импульс влияет на объем заполняющей жидкости, а изменения объема можно измерить с помощью датчика давления, чтобы диагностировать и/или проверить его работу. Хотя такая диагностика очень удобна для систем датчиков давления рабочей жидкости на основе заполняющей жидкости, она не относится к сферам, где не предусмотрена заполняющая жидкость. Так, в некоторых монокристаллических датчиках давления рабочая жидкость напрямую подается на гибкую диафрагму датчика давления. Соответственно, заполняющая жидкость отсутствует, и такая диагностика по патенту ′134 не пригодна для использования.

[0005] Создание усовершенствованной диагностики и проверки монокристаллических датчиков давления повысит надежность и улучшит техническое обслуживание на месте в сферах, где используются такие датчики.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В настоящем изобретении предусмотрен способ проверки состояния монокристаллического датчика давления. Способ включает наличие монокристаллического датчика давления как минимум с одной электрической характеристикой, которая меняется в зависимости от внешнего давления, который соединен с первым и вторым выводами. Датчик давления также оснащен как минимум одним резистивным элементом. Ток подается через резистивный элемент для нагрева датчика давления. Выполняется контроль как минимум одного вывода датчика давления для определения его реакции на токовый нагрев. Выходной сигнал проверки подается исходя из реакции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] На РИС. 1 показано изображение в разобранном виде измерителя давления рабочей жидкости, в котором особо применимы варианты осуществления изобретения.

[0008] На РИС. 2 представлено схематическое изображение сапфирового датчика давления, в котором особо применимы варианты осуществления изобретения.

[0009] На РИС. 3 показано схематическое изображение датчика давления на РИС. 2, находящегося под воздействием давления рабочей жидкости (P).

[0010] На РИС. 4 представлено схематическое изображение в разобранном виде сапфирового датчика давления рабочей жидкости, в котором особенно применимы варианты осуществления настоящего изобретения.

[0011] На РИС. 5 показана блок-схема способа диагностики на сапфировом датчике давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Известны монокристаллические и сапфировые монокристаллические датчики давления рабочей жидкости, в частности. Например, в патентах США №6,089,097 и 6,508,129 описаны конструкция и применение таких датчиков. Варианты осуществления настоящего изобретения в целом предусматривают эффективную проверку и диагностику таких монокристаллических датчиков давления рабочей жидкости и, в частности, сапфировых датчиков давления. Эффективное внедрение диагностики согласно вариантам осуществления настоящего изобретения обеспечивает технические возможности проверки измерительных приборов. Более того, поскольку все больше и больше используются сапфировые датчики давления, усовершенствованная диагностика будет целесообразной и в других случаях.

[0013] На РИС. 1 показано изображение в разобранном виде измерителя давления рабочей жидкости 50, в котором особо применимы варианты осуществления изобретения. Измеритель 50 включает фланец 52 для воздействия дифференциального давления, две капсулы датчика абсолютного давления (не показаны) и электронику 56. Измеритель 50 привинчен к фланцевому переходнику 58, который соединяет импульсные трубы с муфтой фланцевого переходника 60 или другими средствами соединения. Измеритель давления рабочей жидкости, изображенный на РИС. 1, является только примером, и в вариантах осуществления настоящего изобретения могут использоваться другие измерители давления рабочей жидкости. В частности, измеритель абсолютного давления рабочей жидкости, продаваемый под торговым обозначением Модель 4600 Rosemount® и доступный в Emerson Process Management (Эмерсон Процесс Менеджмент), также может включать варианты осуществления настоящего изобретения.

[0014] На РИС. 2 представлено схематическое изображение монокристаллического датчика давления, в котором особо применимы варианты осуществления изобретения. Датчик давления 100 обычно имеет вид бруса и состоит из первого слоя 102 и второго слоя 104, оба из которых изготовлены из монокристаллического материала, например сапфира. Первый слой 102 и второй слой 104 соединены и образуют брусообразный корпус 107, имеющий первый конец 106 с одной или несколькими диафрагмами 108 для сжатия жидкости и противоположный конец 110. Первый и второй конец 106, 110 разделены стенкой сосуда для рабочей жидкости 112. По сути, датчик давления 100 проходит через вырез в стенке 112 и припаян, приварен или иным образом закреплен на ней, как указано номером позиции 114. Монтаж путем пайки создает барьер для жидкости, поэтому сжатая рабочая жидкость не доходит до электрических контактных площадок, находящихся на втором конце 110, предотвращая их коррозию из-за сжатой жидкости. Электрические контактные площадки и диафрагма(ы) 108 находятся на противоположных концах брусообразного корпуса датчика 107, тем самым обеспечивая необходимую механическую изоляцию, поэтому любая сила, прилагаемая электрическими выводами, значительно подавляется перед тем, как она достигнет диафрагмы 108 измерения давления.

[0015] На РИС. 3 показано схематическое изображение датчика давления на РИС. 2, находящегося под воздействием давления рабочей жидкости (P). Как показано, давление рабочей жидкости P приводит к внутренней деформации как минимум одной из диафрагм 108 (внутренний прогиб слишком преувеличен на РИС. 3). Прогиб как минимум одной диафрагмы 108 приводит к смещению емкостных пластин, соединенных с внутренними поверхностями диафрагм 108. Смещение емкостных пластин влечет за собой изменение емкости между емкостными пластинами, что тем самым указывает на внешнее давление рабочей жидкости. Емкостные пластины являются одним из примеров пьезоэлемента давления, обладающего электрической характеристикой, которая меняется в зависимости от внешнего давления. Например, варианты осуществления настоящего изобретения также могут осуществляться на практике за счет использования тензометров.

[0016] Проверка надлежащего функционирования измерителя и/или датчика давления должна быть предусмотрена в непрерывном производстве. Диагностика измерителей давления в настоящее время не способна определять исправность датчика и системы датчиков, особенно в случае с монокристаллическими датчиками давления с гибкой диафрагмой.

[0017] Сапфировые датчики давления являются прецизионными устройствами, поэтому необходимо быстро и точно проводить проверку таких датчиков. Современные сапфировые датчики давления рабочей жидкости обычно предусматривают емкость измерения (которая меняется в зависимости от прогиба как минимум одной гибкой диафрагмы), эталонную емкость (которая не меняется из-за прогиба диафрагмы, но меняется подобно емкости измерения во всех других отношениях, таких как температура) и измерение температуры. Как правило, такие датчики оснащены пятью выводами, так как сигналы емкости имеют общий вывод.

[0018] В вариантах осуществления настоящего изобретения обычно используется датчик температуры, являющийся резистором, питание на который подается во время диагностического испытания, тем самым создавая тепло I²R. Тепло, подаваемое на датчик температуры (нагреватель мгновенного действия), будет влиять на датчик давления, механически расширяя его. Примером простого варианта осуществления может быть поддержание последнего термокомпенсированного значения давления на выводе; отвод тока через датчик температуры; и измерение переходной характеристики емкостных датчиков, а затем переключение на нормальную работу. Соответствующая реакция на тепловой импульс, вызванный датчиком температуры, будет указывать на исправность датчика, электроники датчика и соединений.

[0019] Следует отметить, что сапфировые датчики давления рабочей жидкости обычно измеряют абсолютное давление во внутреннем объеме датчика, находящегося в вакууме. Следовательно, тепло не вызывает изменения давления. Если датчик погружен в маслонаполненную систему, например, как Модель 4600 Rosemount®, тепло может потенциально привести к расширению масла и созданию повышенного давления. Тем не менее, считается, что такое повышенное давление генерирует незначительный сигнал из-за относительно большого объема масла. Соответственно, этот вариант осуществления настоящего изобретения может использоваться с маслонаполненным датчиком давления.

[0020] На РИС. 4 представлено схематическое изображение в разобранном виде сапфирового датчика давления рабочей жидкости, в котором особо применимы варианты осуществления изобретения. Слой 102 включает конденсатор датчика 116, находящийся на внутренней поверхности гибкой диафрагмы 108. Верхние электроды 118, 120 осуществляют измерение, а эталонные конденсаторы относятся к соответствующим конструкциям на слое 102. Датчик температуры 122 предпочтительно выполнен из жаропрочного металла, такого как вольфрам, и обладает условным сопротивлением 1500 Ом в одном варианте осуществления изобретения. Температурный коэффициент вольфрамового ТПС относительно линейный на уровне 5,4 Ом/°С.

[0021] На РИС. 5 представлена блок-схема способа выполнения диагностики на сапфировом датчике давления согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Способ 150 включает наличие монокристаллического датчика давления, предпочтительно выполненного из сапфира и имеющего как минимум одну электрическую характеристику, которая меняется в зависимости от внешнего давления, и как минимум одного резистивного элемента в нем. Способ 150 начинается в блоке 152, где датчик давления рабочей жидкости нагревается или временно подвергается термическому удару. Тепло может подаваться любым подходящим источником тепла. Тепло предпочтительно подается металлическим резистивным элементом в датчике давления в качестве нагревательного элемента. Более предпочтительно, этот элемент одновременно служит в качестве термопреобразователя сопротивления. Питание может подаваться на внутренний резистивный элемент от любого подходящего источника(ов), включая остаточное питание измерителя, систему внутреннего накопления, такую как суперконденсатор или батарея, питание от питающего контура, внутреннее питание или любое их сочетание. В вариантах осуществления, где используется суперконденсатор, он может иметь компенсационную подзарядку или заряжаться во время последовательности диагностических испытаний, отводя избыточное питание измерителя (между током холостого хода и 20 мА) в конденсатор в течение нескольких минут. Затем суперконденсатор быстро разряжается в датчик температуры для генерирования теплового импульса.

[0022] Независимо от источника питания для нагрева, по мере подачи тепла и даже после этого, как минимум одна электрическая характеристика датчика давления рабочей жидкости контролируется и/или регистрируется, как показано на блоке 154. Контроль может заключаться в контроле сопротивления резистивного элемента, емкости эталонного конденсатора, емкости измерительного конденсатора или любом их сочетании. Затем в блоке 156, электроника измерителя, такая как микропроцессор измерителя давления рабочей жидкости, определяет или иным образом устанавливает состояние датчика исходя из контролируемых и/или регистрируемых значений датчика, и отправляет выходной сигнал проверки. Это может состоять только в пробном пуске измерителя во время диагностики или фоновой задаче во время других операций измерителя. Анализ реакции датчика может включать любые или все из следующих аналитических способов: измерение величины выходного сигнала; определение постоянной времени сигнала; и/или определение формы волны выходного сигнала. В заключение, на блоке 158, процесс диагностики завершается, и датчик давления возвращается в стандартный режим.

[0023] Способ 150 может быть инициирован автоматически путем связи с контуром связи с процессом, автоматически, когда на датчик давления рабочей жидкости подается питание, или периодически в дальнейшем, и/или вручную техником, взаимодействующим с локальным пользовательским интерфейсом измерителя давления рабочей жидкости. Хотя настоящее изобретение описано с учетом предпочтительных вариантов осуществления, специалисты в данной области признают, что в форму и содержание можно вносить изменения без отступления от существа и объема настоящего изобретения.

Claims

1. Способ проверки состояния монокристаллического датчика давления, который включает:
наличие монокристаллического датчика давления с резистивным элементом в виде датчика температуры и пьезоэлементом давления, который имеет как минимум одну электрическую характеристику, меняющуюся в зависимости от внешнего давления;
соединение первого вывода с пьезоэлементом давления;
подачу тока через резистивный элемент для нагрева датчика давления;
контроль как минимум одного вывода датчика давления для определения реакции датчика давления на нагрев; и
подачу выходного сигнала проверки исходя из реакции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль как минимум одного вывода датчика давления включает контроль первого вывода.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль как минимум одного вывода датчика давления включает контроль второго вывода датчика давления, не имеющего электрическую характеристику, которая меняется в зависимости от внешнего давления.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй вывод соединен с эталонным конденсатором монокристаллического датчика давления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль как минимум одного вывода датчика давления включает контроль вывода датчика температуры.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль как минимум одного вывода датчика давления включает контроль как минимум одного вывода при подаче тока.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль как минимум одного вывода датчика давления включает контроль как минимум одного вывода непосредственно по завершении подачи тока.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этапы подачи тока через резистивный элемент и контроля как минимум одного вывода датчика давления выполняются в измерителе давления рабочей жидкости.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что этап подачи выходного сигнала проверки выполняется измерителем давления рабочей жидкости.

10. Способ по п. 1, дополнительно включающий воздействие несжимаемой заполняющей жидкости на сапфировый датчик давления.

11. Способ по п. 1, дополнительно включающий воздействие рабочей жидкости на сапфировый датчик давления.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача выходного сигнала проверки включает анализ величины как минимум одного контролируемого выходного сигнала.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача выходного сигнала проверки включает анализ постоянной времени как минимум одного контролируемого выходного сигнала.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача выходного сигнала проверки включает анализ формы волны как минимум одного контролируемого выходного сигнала.

15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ток подается измерителем давления рабочей жидкости.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что ток отводится от измерителя давления рабочей жидкости.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что ток подается внутренней системой накопления энергии в измерителе давления рабочей жидкости.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что внутренняя система накопления энергии включает суперконденсатор.

19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что внутренняя система накопления энергии включает батарею.

20. Способ по п. 15, отличающийся тем, что ток подается от контура связи с процессом, с которым соединен измеритель давления рабочей жидкости.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ток подается от внешнего источника питания.

22. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он выполняется измерителем давления рабочей жидкости как фоновая задача.

23. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он выполняется в ответ на запрос диагностики.

24. Способ по п. 1, отличающийся тем, что запрос принимается по контуру связи с процессом.

25. Способ по п. 24, отличающийся тем, что запрос принимается по локальному пользовательскому интерфейсу измерителя давления рабочей жидкости.

26. Способ по п. 1, отличающийся тем, что монокристаллический датчик давления изготовлен из сапфира.

27. Система измерения давления рабочей жидкости, включающая:
измеритель давления рабочей жидкости, оснащенный электроникой измерителя и предназначенный для измерения электрической характеристики датчика давления рабочей жидкости и индикации давления по контуру связи с процессом;
монокристаллический датчик давления рабочей жидкости, соединенный с измерителем давления рабочей жидкости, оснащенный резистивным элементом и пьезоэлементом давления как минимум с одной электрической характеристикой, которая меняется в зависимости от внешнего давления; пьезоэлемент давления соединен с первым выводом;
отличающаяся тем, что измеритель давления рабочей жидкости включает электронику измерителя, предназначенную для подачи тока на резистивный элемент датчика давления рабочей жидкости, контроля электрической реакции датчика давления рабочей жидкости на тепло, вырабатываемое током, и подачи выходного сигнала проверки исходя из электрической реакции;
при этом резистивный элемент выполнен в виде датчика температуры.

28. Система по п. 27, отличающаяся тем, что монокристаллический датчик давления рабочей жидкости выполнен из сапфира.