專利名稱：檢測(cè)過程流體的相關(guān)變量的壓力變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過差動(dòng)測(cè)量檢測(cè)過程流體的相關(guān)物理變量的壓力變送器。
背景技術(shù)：
已知在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，廣泛i(M吏用特定的現(xiàn)場(chǎng)裝置檢測(cè)/測(cè)量過程流 體的一個(gè)或多個(gè)物理變量，例如，絕對(duì)、相對(duì)或差動(dòng)壓力，流量，水平以及類 似的物理變量。
在一個(gè)最普逸的實(shí)施方式中，所述現(xiàn)場(chǎng)裝置包^it當(dāng)配置的殼體，其， 不同的檢測(cè)組件，典型地包括壓力傳感器，即所稱的壓力變送器；使用壓力傳 感器作為變換器元件允許梯作者容易地從一個(gè)或多個(gè)相對(duì)、差動(dòng)或M壓力的 測(cè)量，獲得受控過程流體的其它物理變量的相關(guān)測(cè)量值，例如，用其它方法4艮 ^i^f亍直接變換的電平。變送器殼*包括其它組件，該組件包括用于處理 來自壓力傳感器的信號(hào)的第一電子電路；用于處理來自第一電子電路的信號(hào)的 第二電子電路，然后將其用于控制與其它變送器或控制單元的通信；用于原地 顯示枱，的變量的顯示器；用于除了對(duì)組件供電的電子電i^卜的^t連接的 接線盒等等。
為了^W亍所需的松則和測(cè)量辦，每個(gè)壓力變送器提供有一個(gè)或多個(gè)壓力 敏感元件，^-^觸i^^姚，并JL^術(shù)語Jiit常指的A^離器單元，或者分離 隔膜，片，或者其它等效單元。
特別地，差動(dòng)壓力變送H^供有兩個(gè)分離器單元，每個(gè)分離器單元包括彈 '^L件，典型地是固定在支^Ji的撓性金屬膜片，該支絲常也是金屬的；將 分離器單元定^E儀器上，使得膜片具有暴露于過程;錄的夕卜壁，并Jii常通 過包含在連接毛細(xì)管中的非可壓縮流體例如硅油液壓連接到壓力傳感器的內(nèi) 壁。這樣，液^^在每個(gè)撓'出度片Ji^加的壓力^f吏其變形，并JLitit^連接流 體傳遞到壓力傳感器。傳感^^l感應(yīng)儀器的兩個(gè)分iUi的壓力，并且將相應(yīng)的信號(hào)傳送到電子部件用于各種處理操怍。目前用于這些應(yīng)用的傳感器通常是 電容的、電感的或者甚至是&電類型的。
這種類型的測(cè)量通常4艮難，itA由于相對(duì)于^U條件，所需的準(zhǔn)確性非常
高，該^^*會(huì)消^影響測(cè)量本身，例如由于電^^^^動(dòng)，變化的環(huán)>^^
如溫度變化，或者內(nèi)在的^W^t的"^H(口可負(fù)緣露的環(huán)嫂。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提l種用于^;則過程流體的相關(guān)變量的壓力 變送器，其即佳是在特別困難的環(huán)境下也能夠提供高的枱溯精度和準(zhǔn)確性。
該目的是通it^！于^r測(cè)過程a^的相關(guān)物理變量的壓力變送器實(shí)現(xiàn)的，其 特#于其包括
適于與所itit^呈^W^觸的第4第二壓力敏感膜片；
具有支撐體的壓力傳感器，所述支撐^L^供有空腔，在所述空腔內(nèi)定位第
三壓力敏感膜片，所菲三膜片具有分別可辦;lik^接到所述第一和第二膜片 的第一面和第二面，以便將在所述第-^第二膜片上由所iiii程^f^口的壓 力傳彩'j所述第三膜片，從而i^目對(duì)于M位置的^f多；
可^ft^^接到至少一個(gè)光源的分才/f^調(diào)節(jié)單元；
第一光纖，所鄉(xiāng)一光纖具有可l^t^^接到所述功率源的第一端，以及 以離所述第一面預(yù)i^巨離定位的第1;
第二光纖，所鄉(xiāng)二光纖具有可^f^k^接到所述功率源的第三端，以及 以離所iif 二面預(yù)^J 巨離定位的第四端，所述第4第二光纖將由所述光源發(fā) 射的光信號(hào)傳iiU'J所^三膜片，并且將由所述第三膜片M的信號(hào)傳ilU)J所 述分析糊節(jié)單元，^^接收的^Jt信號(hào)，所述分析糊節(jié)單元產(chǎn)生直接或間 翻旨示所述物理變量的信號(hào)。


本發(fā)明進(jìn)一步的特 ^優(yōu)點(diǎn) ^合附圖中非限制性例子方式說明的根 據(jù)本發(fā)明的變送器的^4但非氺魄的實(shí)施方式的描iii^ti兌明，其中 圖1示奮^iik^示才娥本發(fā)明的變送器的一些組件； 圖2是示奮^k^示檢測(cè)屬于擬娥本發(fā)明的變送器中^fl的壓力傳感器的測(cè)量膜片的側(cè)面4i^多的系統(tǒng)的視圖3是示奮^^示在才娥本發(fā)明的變送器中^^J的電子分析單元的方塊
圖4表示差動(dòng)壓力變送器。 M實(shí)施方式
在下面的描述中，相同的附圖初H24旨示相同或技術(shù)上等效的元件。
參照引用的附圖，##本發(fā)明的用于檢測(cè)過程流體的相關(guān)物理變量的壓力 變送器包^it于接觸需要檢測(cè)其一個(gè)或多個(gè)變量例如壓力的過程流體的第一壓 力敏感膜片5A和第二壓力敏感膜片5B。兩個(gè)膜片5A和5B iat常指分離膜片 或者其它等效單元，例如由兩個(gè)相應(yīng)的膜片或撓性板構(gòu)成，種'J來說，在接觸 流^if口的推力下舉性變形的適當(dāng)處理的金屬板。所艦片5A和5B固定在例 如由空心金屬塊構(gòu)成的支撐元件6上，以便一個(gè)表面暴露于過程流^W口的動(dòng) 作。#^應(yīng)用需要，可以將兩個(gè)壓力敏感元件5A和5B以不同的配置排列，例 力"口附圖1所示的to匕平行，或者斜目同的平面上。
而且，變送器包括具有支撐體的壓力傳感器，在附圖1所示的實(shí)施方式中， 該支撐體m由兩個(gè)totii接的徘7A、 7B構(gòu)成，在該支撐體內(nèi)限定空腔8。 如圖1所示，將兩個(gè)轉(zhuǎn)7A和7B才;i^k^接到支撐元件6;可替艦，可以 以一個(gè)單個(gè)適當(dāng)配置體生產(chǎn)組^f牛7A-7B-6，或者例如僅以一個(gè)單個(gè)空心件生 產(chǎn)傳感器的支撐體。
空腔8的內(nèi)部A^三壓力敏感膜片1;與兩個(gè)壓力敏感元件5A和5B相似， 第三膜片1例如也由掩f娥片dWt當(dāng)處理的金屬板構(gòu)成。第三膜片1固定在空 腔8的內(nèi)部，并且具有分別可^f^k^接到兩個(gè)膜片5A和5B的第一面1A和 第二面1B。特別地，如圖1所示，通itiJ^上包括兩個(gè)填絲實(shí)質(zhì)上非壓縮的 ;徘例如^j由的毛細(xì)管4A、 4B，將兩個(gè)壓力敏感的膜片5A和5B連接到傳感 器的膜片1。這樣，將兩個(gè)膜片5A和5B'妙連接到膜片1，以便將膜片5A和 5B上由過程流^^的壓力傳iii^第^片1，從而在-H^或另"HCLi^其 相對(duì)于初始^^位置或平衡位置的^f多。
^ifc，支撐體7A-7B的空腔8具有兩個(gè)成形表面8A、 8B,當(dāng)所鄉(xiāng)片 1 ^Nl對(duì)于另HM的H上受到高ita時(shí)，每個(gè)成形表面分別在/W可學(xué)上連接到第三膜片1的第一面1A或第二面1B。
有利地，變送器還包括分析糊節(jié)單元，其在附圖1中由附圖#1己3示意 斗錫旨示，并且可辦^k^接到至少一個(gè)光源9和兩個(gè)光纖2A、 2B。在所示的 實(shí)施方式中，#^本發(fā)明的壓力變送器包括例如由包括在分析和調(diào)節(jié)單元3中 的^l管'a器構(gòu)成的一個(gè)單個(gè)光源9。第一光纖2A具有可^ft^^接到功率 源9的第一端，以及當(dāng)膜片1處于初始M位置時(shí)，距離膜片1的第一面1A 預(yù)i^巨離Gl定位的第J。而第二光纖2B做具有可^f^tki^接到功率源9 的第一端(下文中稱作第三端)，以及當(dāng)膜片1處于M位置時(shí)，距離膜片1 的第二面1B預(yù)iW巨離G2定位的第二端(下文中稱作第四端)。
如示意'l";ii^附圖1中所示的，分析糊節(jié)單元3由才娥^^頁域的技權(quán) 員能力范圍內(nèi)的實(shí)施方式的電子信號(hào)分析和處理電,成，因此不4故詳細(xì) 述，將其定^t傳感器附近變送器殼體100的內(nèi)部；可替換地，可以將單元3 遠(yuǎn)離變送,并JJ^fi^其夕NP。
擬M居本發(fā)明的變送器的特別M的實(shí)施方式中，使用兩個(gè)固定的l^t: 鏡(或表面)，第一it鏡10可辦地與第一光纖2A的第1組合，第二固定 透鏡11可辦地與第二光纖2B的第四端組合。才娥可能的實(shí)施方式，第一固 定透鏡10和第二固定透鏡11由兩個(gè)相應(yīng)的M表面構(gòu)成，該^f表面形^U6 纖2A和2B的分別兩個(gè)端的^P分。可替換地，所iiit鏡10和11由兩個(gè)相應(yīng) 的由光纖體襯的a表面構(gòu)成，并且分別距離光纖的分別第二和第四端預(yù)設(shè) 距離定位。如示意,l"她在附圖2中所示的，預(yù)定分別在光源9以及兩個(gè)光纖2A 和2B之間4M第一分束器12和第二分束器13。在附圖2中，為了簡(jiǎn)化，錄 示一個(gè)檢測(cè)分支的組件，另一個(gè)分ibli目同的。第一分束器適于將第一光纖2A 內(nèi)來自光源的it^分皿擊第三膜片1的第一面1A(例如撞擊在第三膜片的適 當(dāng)區(qū)牲)的第一ifcf呈14，以及撞擊第一固定透鏡10的第二錄15。類A她, 第二分束器13同樣適于將第二光纖2B內(nèi)來自光源9的光J^分成兩個(gè)^f的光 程，其中第一i^呈16撞擊第三膜片1的第二面1B (例如撞擊在第三膜片的適 當(dāng)區(qū)雞)，以及撞擊第二固定透鏡ll的第二i^呈17。 J^卜，將兩個(gè)分束器 12、13配置成向著分析JHU節(jié)單;U旨引來自第三膜片1的兩個(gè)面1A和1B以及 來自兩個(gè)固定透鏡IO、 11的反射信號(hào)18、 19。
這樣，由于兩個(gè)固定透鏡，限定了固^J^巨離；由兩個(gè)固定透鏡IO、 11M的相應(yīng)的信號(hào)允許相對(duì)于變換器內(nèi)的已知^^呈產(chǎn):1^信號(hào)。
在實(shí)踐中，當(dāng)將夕NP壓力P1應(yīng)用于分離膜片5A時(shí)，壓力通it^電5^" 到膜片1，從而it^片的舉f生^^多，因此減少了距離G2,并且增加了距離 Gl。反之亦然，當(dāng)在分離膜片5B Ji^i口壓力P2時(shí)，距離Gl減少，而距離 G2增加。如^^口到變換器兩側(cè)之一的壓力非常高，兩個(gè)^N^7A和7B的幾 何形狀使得測(cè)量膜片完她靠在兩個(gè)表面8A或8B之一上(與脅it^目反的 U上的一個(gè)表面)。由于作用-反作用原理，膜片1未變形和應(yīng)變，因此當(dāng) 去l^tS時(shí)，其連續(xù)充^Mt用。光源9為兩個(gè)光纖2A、 2B提供能量，該光 纖將來自光源9的光信號(hào)傳i^'J測(cè)量膜片1,并且將由測(cè)量膜片1賄的信號(hào) 傳彩ij分析和調(diào)節(jié)單元3。通過分析接收的信號(hào)，單元3允許測(cè)量測(cè)量膜片和 光纖端部之間的距離Gl、 G2;已知膜片1的初始位置，可以識(shí)別淑口在變換 器上的差動(dòng)壓力。在接收的^gJH言號(hào)的;S^上，因》詳元3可以產(chǎn)生直接或間 接^旨示物理變量的信號(hào)。例如，所述信號(hào)可以是 口在變送器上的差動(dòng)壓力 的直翻旨示，或者通it/斤述差動(dòng)壓力信號(hào)，可以獲得所關(guān)心的用于進(jìn)一步處理 的其它變量。特別地，如示意'1"^在附圖3中表示的，針對(duì)每個(gè)光纖的分析和 調(diào)節(jié)單元3包括第一電i^:30，用于獲取接收的A^信號(hào)即由膜片1的面1A 或1BM的測(cè)量信號(hào)，以及由相應(yīng)的固定透鏡10或ll^Jt的l^信號(hào)。第二 電膝夬31批行癡坎的信號(hào)之間的頻率輛目移的測(cè)量，第三電膝夾32組合接收 的信號(hào)。最后，第四電路塊33產(chǎn)生指示面1A或1B的位移的信號(hào)34。然后將 第二信號(hào)34傳i^li'J進(jìn)一步的電膝夾35，用于兩個(gè)分支的一個(gè)電膝夾，其^ 產(chǎn)生指示檢測(cè)的差動(dòng)壓力的信號(hào)36。如上所迷，可以^M"述塊35從差動(dòng)壓力 信號(hào)獲得其它過程流體變量的值；可替換地，為了計(jì)算所需的變量，塊35可以 將所述壓力信號(hào)傳i^ij進(jìn)一步的處理電路。
實(shí)踐中，因?yàn)閊^本發(fā)明的變送器由于其構(gòu)造使共同測(cè)mtM減少， 所以完全實(shí)現(xiàn)了確定的目標(biāo)。特別地，使用在前描述的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)保證了高 精度和緒率，暴^T嫂的內(nèi)在^^度，以;51^細(xì)干#電磁干擾的鄉(xiāng)性。 由于采用固定透鏡IO、 11^M目對(duì)光程15、 17，采用平行于主測(cè)J^的基準(zhǔn)光 程使得至少部分州嘗了由于光源控制l^t的變化、光信號(hào)的波長(zhǎng)^ia度的變化、 硅油的折射率隨溫度的變化，以^i;i^構(gòu)的孩M^納;^動(dòng)(以及因此的測(cè)
量i^呈的運(yùn)動(dòng))a的可能M，該運(yùn)動(dòng)由所用材料的不同熱膨脹系^ii^的溫度變化導(dǎo)致。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)由下面的事實(shí)提供由于傳感器與被測(cè)流M當(dāng) 地間隔，因而傳感器不受被測(cè)流體溫度的影響，并且因此可以在比光纖或者其 它傳感器本身中的元件可接受的更高的溫度測(cè)量過程流體的壓力值。而且，傳 感M的兩個(gè)半體7A和7B的幾何形狀提供了相對(duì)于過壓的內(nèi)在保護(hù)。由于分 離的膜片和相對(duì)'妙回路，可以將變換器定^高腐蝕性環(huán)嫂中或者與磨蝕過 程流絲觸。
因而設(shè)想的變送器可以進(jìn)行多種修^變形，只要所有修^變形與其預(yù) 期的功能一致，它們都落^^發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)；例如，可以將分析和調(diào)節(jié)單 元分成幾個(gè)單獨(dú)的部件，其以^ysU^f封莫iU^bit信以及與變送器通信；可 以為每個(gè)所用的光纖使用分離的光源；對(duì)兩個(gè)檢測(cè)分支中的^-"個(gè)來說，幾個(gè) 光纖可以與主測(cè)量光程以及與在其內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)的相對(duì)固定透衞目對(duì)應(yīng)的l^i^呈 ^"^f^)。這樣，可以在幾個(gè)點(diǎn)檢測(cè)膜片1的^f多；通itil種解決方案，可以 為每個(gè)光纖^^1 一個(gè)單個(gè)光源，用于每個(gè)光纖特定專用光源或者混合的解決方 案。光學(xué)測(cè)量原理例如可以基于下面的方法之一優(yōu)選使用頻率調(diào)制技術(shù) (FWCM)的干涉測(cè)量法，使用非相干光源如LED的^4目干干涉測(cè)量法，光 學(xué)反作用等等。
而且，所有的細(xì)節(jié)可以通過其它技術(shù)上等效的元件替換；實(shí)踐中，在上面 描迷的預(yù)定應(yīng)用中，可以才M^M頁域的需要和狀,^f^H^可尺寸以及^^T類型 的材料。
權(quán)利要求
1.用于檢測(cè)過程流體的相關(guān)物理變量的壓力變送器，其特征在于包括適于與所述過程流體接觸的第一和第二壓力敏感膜片；具有支撐體的壓力傳感器，所述支撐體提供有空腔，在所述空腔內(nèi)，定位第三壓力敏感膜片，所述第三膜片具有分別可操作地連接到所述第一和第二膜片的第一面和第二面，以便將在所述第一和第二膜片上由所述過程流體施加的壓力傳送到所述第三膜片，從而造成其相對(duì)于基準(zhǔn)位置的位移；可操作地聯(lián)接到至少一個(gè)光源的分析和調(diào)節(jié)單元；第一光纖，所述第一光纖具有可操作地連接到所述功率源的第一端，以及以離所述第一面預(yù)設(shè)距離定位的第二端；第二光纖，所述第二光纖具有可操作地連接到所述功率源的第三端，以及以離所述第二面預(yù)設(shè)距離定位的第四端，所述第一和第二光纖將由所述光源發(fā)射的光信號(hào)傳送到所述第三膜片，并且將由所述第三膜片反射的信號(hào)傳送到所述分析和調(diào)節(jié)單元，根據(jù)接收的所述反射信號(hào)，所述分析和調(diào)節(jié)單元產(chǎn)生直接或間接指示所述物理變量的信號(hào)。
2. 如^^，漆求1所述的壓力變送器，其特征在于其包括可^ft地與所述 第一光纖的第1組合的第一固定透鏡，以及可,地與所述第二光纖的第四 端組合的第二固定透鏡。
3. :WX^要求2所述的壓力變送器，其特征在于所述第一固定透鏡和所 述第二固定透鏡分別由所述第二和第四端的反射表面構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求2所述的壓力變送器，^#棘于所^一固定透#所 述第二固定透#^別由兩個(gè)相應(yīng)的以離所述第二和第四端預(yù)i&巨離定位的^f 表面構(gòu)成。
5. 如前iy^利要求中的^f可一個(gè)所述的壓力變送器，^##于其包括第一分束器，所ii^一分束器適于在所^一光纖內(nèi)將來自所ii^源的光束分，擊第三膜片的所述第一面的第一M，以及撞擊所i^一固定透鏡的第二 級(jí)
6. 如權(quán)利要求l至4中的任何一個(gè)所述的壓力變送器，其特*于其包 括第二分束器，所述第二分束器適于在所述第二光纖內(nèi)將來自所^源的it^分成撞擊第三膜片的所述第二面的第三光程，以及撞擊所述第二固定透鏡的第 二絲。
7. 如前面權(quán)利要求中的^^可一個(gè)所述的壓力變送器，M征在于配置所 述第一分束器和所述第二分束器向著所述分析和調(diào)節(jié)單元指引來自第三膜片的所述第一面和第二面以及來自所述第一和第二固定透鏡的《JH言號(hào)。
8. 如前面權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的壓力變送器，*#征在于對(duì)每個(gè)光纖來說，所述分析和調(diào)節(jié)單元包括獲取接收的^H言號(hào)的第一塊，測(cè)量接收的信號(hào)之間的頻率和相移的第4，組合接收的信號(hào)的第三塊，以及產(chǎn)生指示 所述第三膜片的&3，f言號(hào)的第四塊。
9. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送器，^^#4￡^于將所述分析^節(jié)單元 遠(yuǎn)離所述變送H^并JL^位在所述變送,夕NP。
10. :W又矛決求1所述的壓力變送器，^##于將所述分析^節(jié)單元 定^^所述變送H^內(nèi)部。
11. 如前面權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的壓力變送器，其特征在于支撐體的所述空腔具有兩個(gè)成形表面，所iiA形表面可以在幾何學(xué)上分別與所述第三膜片的所述第一或第二面連接。
全文摘要
一種檢測(cè)過程流體的相關(guān)物理變量的壓力變送器，包括適于接觸所述過程流體的第一和第二壓力敏感膜片；具有支撐體的壓力傳感器，該支撐體提供有空腔，在該空腔內(nèi)定位第三壓力敏感膜片；可操作地連接到至少一個(gè)光源的分析和調(diào)節(jié)單元；具有第一端可操作地連接到所述功率源的第一和第二光纖；所述第一和第二光纖將由所述光源發(fā)射的光信號(hào)傳送到所述第三膜片，并且將由該第三膜片反射的信號(hào)傳送到所述分析和調(diào)節(jié)單元，該分析和調(diào)節(jié)單元產(chǎn)生指示所述物理變量的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01L11/02GK101308054SQ20081013144
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月5日
發(fā)明者A·波茨, A·莫羅尼 申請(qǐng)人:Abb股份公司