專利名稱：具有增強的介電填充流體的工業(yè)壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的過程儀器。尤其是，本發(fā)明涉及用在 壓力變送器中的電容壓力傳感器。
背景技術(shù)：
過程儀器被用于監(jiān)控在工業(yè)過程中使用的過程流體的過程參數(shù)，例如壓力、溫度、 流量和水平。例如，過程傳感器一般使用在工業(yè)制造設(shè)施中在多個地點處以便監(jiān)控沿不同 生產(chǎn)線的多種過程參數(shù)。過程變送器包括傳感器，傳感器響應(yīng)于過程參數(shù)的物理變化而產(chǎn) 生電輸出。例如，壓力變送器包括電容壓力傳感器，其產(chǎn)生電輸出作為例如過程流體的壓力 的函數(shù)，例如水位線、化學(xué)槽等。每個過程變送器還包括變送器電子裝置，用于接收和處理 傳感器的輸出，從而可以本地或遠(yuǎn)程地監(jiān)控變送器和過程參數(shù)。本地監(jiān)控的變送器包括顯 示器，例如IXD屏，其示出在過程變送器位置的電輸出。遠(yuǎn)程監(jiān)控的變送器包括電子裝置， 所述電子裝置在控制環(huán)或網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送電輸出到中央監(jiān)控場所，例如控制室。構(gòu)造成這樣，則 通過包括自動開關(guān)、閥、泵和在控制環(huán)中的其他類似部件，能從控制室調(diào)整過程參數(shù)。典型的用在壓力變送器中的電容壓力傳感器包括固定的電極板和典型地包括柔 性感測膜的可調(diào)節(jié)的電極板。感測膜通過簡單的液力系統(tǒng)連接到過程流體，該系統(tǒng)將過程 流體壓力傳遞到傳感器。該液力系統(tǒng)包括密封的通道，在該通道中感測膜位于第一端，而柔 性隔離膜位于第二端以接合過程流體。密封的通道被精確數(shù)量的液壓流體填充，當(dāng)過程流 體影響隔離膜時，這些流體調(diào)節(jié)感測膜的位置。當(dāng)過程流體的壓力變化時，感測膜的位置改 變，導(dǎo)致壓力傳感器的電容改變。壓力傳感器的電輸出與電容有關(guān)，因而隨著過程流體壓力 的變化而成比例地改變。壓力傳感器的電容受到三個主要因素的控制電極板的表面面積、電極板之間的 距離，以及電極板之間的物質(zhì)(一般為填充流體)的介電常數(shù)的幅度。通常期望的是制造 盡可能小的壓力傳感器，從而這些壓力傳感器可以用在許多應(yīng)用中。為了能正常工作，電極 之間間隔的下限受到電容器的能力的限制。板的表面面積的下限由壓力傳感器產(chǎn)生信號的 需要來表示，所述信號具有與變送器電子裝置相容的最小強度。在板之間的物質(zhì)的介電常 數(shù)受到填充流體的種類的限制，該填充流體需要和液壓系統(tǒng)相容。基于這些設(shè)計約束條件， 典型的用在電容壓力傳感器中的電極板的最小直徑一般限制到約0.4英寸( 1厘米)或 更大，導(dǎo)致壓力傳感器具有約1.25英寸( 3. 175厘米)的直徑。此外，過去的制造過程 無法制造更小的電容壓力傳感器，其需要極小的容差來達(dá)到期望的精度。因此，需要更小的 具有改進(jìn)的電容的電容壓力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明關(guān)注的是用在工業(yè)過程變送器中的電容壓力傳感器。該壓力傳感器包括殼 體、感測膜、電極和填充流體。該殼體包括設(shè)置在殼體內(nèi)的內(nèi)部腔以及從殼體的外部延伸到 該內(nèi)部腔的通路。感測膜設(shè)置在內(nèi)部腔內(nèi)。電極設(shè)置在內(nèi)部腔內(nèi)以與感測膜相對。填充流
5體占據(jù)內(nèi)部腔從而來自通路的壓力被傳遞到感測膜上以調(diào)節(jié)電極和感測膜之間的電容。填 充流體具有高于約3. 5的介電常數(shù)。在另一實施例中，壓力傳感器具有小于大約3. 175厘 米( 1.25英寸)的直徑，電極的直徑小于大約1厘米( 0.4英寸)。在另一實施例中， 壓力傳感器具有大約5到大約10皮法的電容。在又一實施例中，填充流體由具有液體添加 劑的液壓流體構(gòu)成，所述液體添加劑例如是異丙醇、丙酮、乙烯乙二醇以及丙三醇。


圖1示出包括壓力變送器的過程控制系統(tǒng)，該壓力變送器具有本發(fā)明的電容壓力 傳感器；圖2示出圖1的壓力變送器的示意性側(cè)視圖，包括構(gòu)造為用于差動壓力測量的電 容壓力傳感器；圖3示出用在圖2的壓力變送器中的差動壓力模塊的透視圖。
具體實施例方式圖1示出過程控制系統(tǒng)10，其包括壓力變送器12、控制室14、遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15和 過程容器16。壓力變送器12通過遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15感測包含在過程容器16中的過程流體 18的壓力水平，然后將壓力信號通過控制環(huán)22中繼到控制室14?？刂剖?4也通過控制環(huán) 22從電源24向變送器12供電。控制環(huán)22還使通訊系統(tǒng)26能夠從控制室14傳送數(shù)據(jù)到 變送器12，以及從變送器12接收數(shù)據(jù)，從而過程流體18的過程參數(shù)能被監(jiān)控和調(diào)整。在 各種實施例中，控制環(huán)22和通訊系統(tǒng)26在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(例如FOUNDATION Fieldbus協(xié) 議)上運行，或者在模擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(例如4-20mA HART 系統(tǒng))上運行。壓力變送器12包 括變送器電路28和傳感器30。變送器電路28包括通過控制環(huán)22用于將壓力傳感器30產(chǎn) 生的電信號發(fā)送到控制室14或本地顯示器例如LCD屏或這兩者上的部件?；趶膫鞲衅?30和變送器12收到的數(shù)據(jù)，控制室14能夠或者通過控制環(huán)22或者通過另一控制環(huán)而調(diào) 節(jié)過程參數(shù)。例如，控制室14可通過調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)拈y而能夠調(diào)節(jié)過程流體18到容器16的流 動。通過遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15，傳感器30與過程流體18液壓連接；該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程密封 隔離膜32A和32B、毛細(xì)管34A和34B以及遠(yuǎn)程密封36A和36B ；以及液壓隔離管38a he 38B。隔離管38A和38B包括通道，這些通道在它們的第一端與變送器12中的隔離膜連接， 在它們的第二端與傳感器30連接。液壓隔離管38A和38B被提供第一填充流體。毛細(xì)管 34A和34B從變送器隔離膜延伸到容器16處的遠(yuǎn)程密封36A和36B的膜32A和32B，在那 里，膜32A和32B接觸過程流體18。毛細(xì)管34A和34B填充有第二填充流體。第二液壓流 體將過程流體18的壓力從容器16傳遞到變送器12，而第一液壓流體將過程流體18的壓力 從變送器12通過隔離管38A和38B傳遞到傳感器30。第一填充流體的成分也影響壓力傳 感器30的性能。具體地說，傳感器30包括電容壓力傳感器，第一填充流體流入該電容壓力 傳感器以構(gòu)成包含該傳感器的電容器的介電材料。根據(jù)本發(fā)明，第一填充流體由具有下述 介電常數(shù)的材料組成，使得與具有典型的、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)液壓填充流體的壓力傳感器相比，所述 介電常數(shù)的材料能夠增大壓力傳感器的電容和減小壓力傳感器的尺寸。圖2示出包括本發(fā)明一個實施例的壓力變送器12，其中，電容壓力傳感器30包括
6差動壓力傳感器，其具有介電常數(shù)基本大于2. 2的填充流體。過程變送器12包括變送器電 路28、傳感器30、液壓隔離管38A和38B、殼體40、模塊42、基部44和LCD45。傳感器30通 過液壓隔離管38A和38B的填充流體A和遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15的毛細(xì)管34A和34B的填充流 體34B來感測過程流體18(圖1)的壓力的物理變化。傳感器30通過電纜46與變送器電 路28處于電通信狀態(tài)。電路28調(diào)控(condition)傳感器30的輸出到與控制環(huán)22相容的 格式，由此該輸出被中繼用于在連接到電子裝置28的LCD處的本地監(jiān)控，或者通過控制環(huán) 22中繼到控制室14(圖1)。在其他實施例中，變送器電路28在無線網(wǎng)絡(luò)上通訊。在另外 的實施例中，傳感器30的受調(diào)控的輸出可被手持設(shè)備讀取，該手持設(shè)備通過有線或無線鏈 接到壓力變送器12上。隔離管38A和38B通過過程凸緣47連接到毛細(xì)管34A和34B。過程凸緣47 — 般被螺栓固定或以其他方式固定到變送器12的基部44。在一個實施例中，凸緣47包括 C0PLANAR 過程凸緣。凸緣47包括通路50A和50B，它們分別和遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15的毛細(xì) 管34A和34B連接。毛細(xì)管34A和34B通過連接器48A和48B與凸緣47連接，上述連接器 可包括任何連接系統(tǒng)，例如螺紋連接器。過程凸緣47便于毛細(xì)管34A和34B分別和隔離管 38A和38B連接。遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15的毛細(xì)管34A和34B允許隔離管38A和38B延伸到變送 器12的界限之外。隔離管38A和38B允許壓力傳感器30與變送器12的外部相接觸。傳感器30是變送器，其響應(yīng)于通過隔離管38A和38B的第一填充流體A所表現(xiàn)的 過程流體18的壓力中的變化而產(chǎn)生電信號。傳感器30包括差動的、基于電容的壓敏元件， 其包括感測膜58、第一電極板60A和第二電極板60B。傳感器30通過隔離管38A和38B內(nèi) 的填充流體A而與基部44的膜52A和52B處于流體連通狀態(tài)下，隔離管38A和38B位于模 塊42內(nèi)。隔離膜52A和52B通過在凸緣47的通路50A和50B以及遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15的毛 細(xì)管34A和34B內(nèi)的填充流體B而與過程流體18(圖1)處于流體連通狀態(tài)下。過程流體 18具有相關(guān)的壓力P1，其施加力在較靠近容器16的頂部的遠(yuǎn)程密封36A(圖1)的隔離膜 32A上。過程流體18還具有更靠近容器16的底部的相關(guān)的壓力P2，其施加力在遠(yuǎn)程密封 36B (圖1)的隔離膜32B上。Pl通過毛細(xì)管34A的第二填充流體B從隔離膜32A傳遞到變 送器12的隔離膜52A上，從而在毛細(xì)管34A中的壓力等于壓力Pl。同樣地，P2通過毛細(xì)管 34B的第二填充流體B從隔離膜32B傳遞到變送器12的隔離膜52B，從而在毛細(xì)管34B中 的壓力等于壓力P2。與Pl和P2有關(guān)的力被第一填充流體A從隔離膜52A和52B傳遞到感 測膜58，從而在隔離管38A和38B中的壓力分別等于壓力Pl和P2。這樣通過填充流體A， 在傳感器30的感測膜58兩端出現(xiàn)了壓力差P1-P2。填充流體A占據(jù)傳感器30以圍繞感測 膜58并占據(jù)感測膜58與電極板60A和60B之間的空間。因而，壓力傳感器30的電容與填 充流體A的介電常數(shù)直接相關(guān)。填充流體A包括液體，該液體具有比之前用在與工業(yè)過程 控制系統(tǒng)兼容的電容壓力傳感器中的液體更高的介電常數(shù)。具體地說，填充流體A具有高 于大于2. 2的介電常數(shù)，使得傳感器30的尺寸能夠減小，傳感器30的電容能增大，以及帶 來其他一些好處。感測膜58典型地由圓形的、設(shè)置在電極板60A和60B之間的不銹鋼盤組成，所述 電極板包括圓形的沉積在傳感器30的內(nèi)側(cè)曲面以與膜58相對的金屬鍍層。感測膜58被夾 在所述曲面的周界之間，從而它能夠在電極板60A和60B之間彎曲。這樣，傳感器30包括布 置成串聯(lián)的兩個電容器的三個電絕緣金屬板，形成寬度和直徑的大致圓柱形的傳感器。在膜58和第一電極板60A之間的電容和在膜58和第二電極板60B之間的電容隨著膜58的 曲率的改變(由于壓力Pl和P2的變化，其通過填充流體A和B而表現(xiàn)出來)而改變。在 膜58和電極板60A和60B中的一個之間的電容會增大，而和另一個之間的電容則減小。由 于壓力改變導(dǎo)致的在每個電容器的電容上的改變被變送器電路28測量，作為壓力Pl和P2 之間的壓差的幅度的變化的指示。一般地說，電容器的電容指示的是儲存在組成電容器的電極板上的能量的數(shù)量。 電容C與電極板的面積A以及電極板之間的材料的介電常數(shù)ε成正比，與電極板之間的距 離X成反比，如方程式(1)所示。
ρλC = ^方程式⑴對于電容壓力傳感器，由壓力傳感器產(chǎn)生的信號的輸出強度由儲存在電容器上的 電荷決定。在傳感器30中，第一電容由感測膜58和第二電極板60Α形成，第二電容由感測 膜58和第二電極板60Β形成。必須有足夠的電荷儲存在第一和第二電容器上，從而傳感器 30能夠產(chǎn)生足夠強的信號以便被變送器電路28和控制環(huán)22使用。典型地，電容壓力傳感 器必須具有約5 μ F到約10 μ F的電容，以便讓變送器電路28產(chǎn)生與控制環(huán)(例如4-20mA 模擬控制環(huán))相容的輸出。類似地，介電材料的介電常數(shù)ε由所選擇的填充流體確定。還 期望減小第一和第二電容器的尺寸，從而能夠減小傳感器30的寬度和直徑。因而，歷史上 壓力傳感器設(shè)計和尺寸受限于控制環(huán)和填充流體要求，以及制造技術(shù)的限制。典型地，由于填充流體所需要的機械性能要求，填充流體的介電常數(shù)ε已經(jīng)被限 制到小的數(shù)值。例如，填充流體必須是基本不可壓縮的，從而填充流體能有效地和精確地傳 遞壓力。例如在傳感器30中，填充流體A必須能夠?qū)⒛?2Α的非常小的撓曲傳遞到感測 膜58，且不能讓所述撓曲被填充流體A的壓縮完全吸收。填充流體還必須是基本惰性的， 以便防止和其他傳感器部件反應(yīng)。例如，在傳感器30中，填充流體A —定不能和感測膜58 和電極板60Α反應(yīng)。滿足上述要求的填充流體典型地由硅油液壓流體構(gòu)成，例如DC200 、 DC704 或者Syltherm XLT ‘ 硅油，其可從美國密歇根州米德蘭市德Dow Corning公司買 到。然而，也可以使用其他類似流體。這些液壓流體具有在約2. 2-2. 4范圍內(nèi)的介電常數(shù)， 因而限制了典型的介電壓力傳感器的能被減至的尺寸。任何壓力傳感器的寬度都受限于在不能妨礙電容器的性能的情況下減小相鄰電 容器板之間的距離X的能力。由于場效應(yīng)，對于電極板可以放置到彼此多接近有實際的限 制，因為要避免板之間的介電材料被擊穿和電子能在板間跳躍由此破壞電容器的電容。例 如，壓力傳感器30的寬度與感測膜58和第一電極板60A及第二電極板60B之間的間隔有 關(guān)。因而，電極板60A和60B典型地被放置成與感測膜58實際允許情況下盡可能地近，并 且不能妨礙電容器的性能。在大多數(shù)電容壓力傳感器中，包括壓力傳感器30，距離X典型地 可被減小到約0. 001英寸( 0. 00254厘米)，這是避免填充流體的電容被擊穿或變得不穩(wěn) 定的上壓力范圍。由于距離X被電容器設(shè)計限制所確定，以及典型地介電常數(shù)ε基于填充流體要求 而被確定的，電極板的面積必須足夠大以產(chǎn)生5 μ F到約10 μ F的電容?；诜匠淌?1)，典 型地需要電極板的直徑為約0.4英寸( 1厘米)或更大，以達(dá)到所需的電容，導(dǎo)致傳感器 具有約1.25英寸( 3. 175厘米)或更大的直徑。然而，期望在不增大電極板的直徑的情
8況下減小壓力傳感器的尺寸和增大電容。本發(fā)明在直徑小于1.25英寸( 3. 175厘米)的 傳感器中實現(xiàn)具有有效電容的電容壓力傳感器，手段是通過使用介電常數(shù)基本高于2. 2的 填充流體，所述填充流體能從典型的液壓流體得到。在一個實施例中，壓力傳感器30具有 大約0. 5英寸( 1. 27厘米)的直徑。壓力傳感器30的較小尺寸是通過使用現(xiàn)代制造過 程而實現(xiàn)的，所述現(xiàn)代制造過程允許精確的、低容差的生產(chǎn)傳感器30及其部件。圖3示出用在圖2的壓差變送器12內(nèi)的壓力傳感器30和模塊42的一個實施例。 壓力傳感器30安置在變送器12的模塊42內(nèi)的基部44上。壓力傳感器30包括隔離管38A、 隔離管38B、感測膜58、第一電極板60A、第二電極板60B、第一元件(cell)半62A、第二元 件半62B、第一絕緣件64A、第二絕緣件64B、第一引線66A和第二引線66B。電纜46將壓力 傳感器30的引線66A和66B與變送器12的殼體40 (圖2)內(nèi)的變送器電路28相連?；?44將傳感器30的隔離管38A和38B與凸緣47 (圖2)和遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)15 (圖1)相連。模塊42和基部44典型地被澆鑄和加工成一個整體件，而模塊42主要包括用于保 持傳感器30的中空腔。模塊42和基部44 一起提供框架，該框架允許膜52A和52B通過隔 離管38A和38B與傳感器30相通?；?4包括鉆孔68，從而變送器12能被連接到凸緣 47或一些其他過程連接上。模塊42包括螺紋70，用于和變送器12的殼體40連接?；?44還包括沉孔，所述沉孔與隔離膜52A和52B —起，分別形成隔離室72A和72B。分別通過 設(shè)置在基部44中的鉆孔74A和74B，隔離室72A和72B與隔離管38a和38B連接。隔離管 38A和38B典型地包括焊接到基部44的不銹鋼管的節(jié)段，以及元件半62A和62B。隔離管 38A和38B分別和絕緣件64A和64B分別連接，所述絕緣件分別設(shè)置在鉆孔76A和76B中， 在傳感器元件半62A和62B內(nèi)。絕緣件64A和64B包括電極60A和60B分別安置于其上的 杯形平臺。當(dāng)元件半62A和62B被組裝以在傳感器30內(nèi)形成內(nèi)部腔78時，所述杯形平臺 配合。絕緣件64A和64B可由任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料構(gòu)成，例如玻璃或陶瓷。絕緣件64A和 64B包括延伸通過到內(nèi)部腔78的鉆孔，從而隔離管38A和38B將隔離室72A和72B與內(nèi)部 腔78相連。感測膜58設(shè)置在內(nèi)部腔78內(nèi)在元件半62A和62B之間，從而膜58與電極60A 和60B相對。典型地，膜58和電極板60A及60B由抗腐蝕材料構(gòu)成。電極60A和60B分別 連接到引線66A和66B，所述引線分別延伸穿過絕緣件64A和64B并在開口 80A和80B處離 開元件半62A和62B。引線66A和66B被連接到電路板82，該電路板包括各種傳感器電子 器件84。通過帶狀電纜46，電路板82連接到殼體40內(nèi)的變送器電子器件28。構(gòu)造成這樣，感測膜58和電極60A和60B包括在傳感器30內(nèi)的第一和第二電容 器。當(dāng)壓力Pl和P2作用在感測膜58上時，每個電容器產(chǎn)生電信號。因而壓力傳感器30 產(chǎn)生雙重電容信號，這些信號幫助減小由傳感器30產(chǎn)生的誤差。典型地，如上所述，基于硅 油填充流體的使用，這樣的傳感器需要具有直徑約0.4英寸( 1厘米)的電極。這樣，當(dāng) 電容器電極需要有足夠的尺寸以產(chǎn)生足夠大的電容以便與變送器電子裝置信號處理能力 相容時，典型地?zé)o法實現(xiàn)較小傳感器模塊的生產(chǎn)。幸運地，歷史上可行的制造方法典型地?zé)o 法以足夠精確的公差來生產(chǎn)傳感器元件(cell)、絕緣件和電極以生產(chǎn)更小的傳感器。例如， 基于可獲得的研磨技術(shù)，內(nèi)部腔78的深度(在絕緣件64A的邊緣和絕緣件64A的槽之間的 距離)被限制到約0. 0035英寸( 0. 00889厘米)。類似地，基于可獲得的沉積技術(shù)，電極 的厚度被限制到約2000埃( 0. 0002毫米)。因此，定下來的傳感器技術(shù)使得典型的傳感 器具有上述尺寸，而更小的傳感器是不可能做到的。本發(fā)明結(jié)合當(dāng)前制造技術(shù)的能力以及
9高介電的填充流體的使用來實現(xiàn)傳感器，這樣實現(xiàn)的傳感器具有更高的介電能力以及直徑 小于約0.04英寸( 0.1厘米)的電極，從而傳感器的直徑小于大約1.25英寸( 3. 175 厘米)。在本發(fā)明的一個實施例中，傳感器30具有大約0.5英寸( 1.27厘米)的直徑， 包括直徑約0. 1英寸( 0. 254厘米)的電極板60A和60B。在一個實施例中，填充流體A包括異丙醇，其具有約18. 3的介電常數(shù)。在另一個 實施例中，填充流體A包括丙酮，其具有約20. 7的介電常數(shù)。在又一實施例中，填充流體A 包括丙三醇，其具有約47的介電常數(shù)。在另一實施例中，填充流體A包括乙烯乙二醇，其具 有約37的介電常數(shù)。這些液體添加劑具有明顯高于從典型硅油液壓流體上獲得的2. 2的 介電常數(shù)。具體地說，與從市場上能得到的液壓流體相比，這些高介電常數(shù)的液體添加劑具 有大約9倍或更高的介電常數(shù)。填充流體A可以由可高達(dá)100%的這些高介電常數(shù)液體構(gòu) 成。在本發(fā)明的其他實施例中可以使用未具體指明的其他高介電常數(shù)的液體。在其他實施例中，填充流體A由高介電常數(shù)液體添加劑和典型的市售液壓流體 的溶液構(gòu)成。可適于混合的液壓流體包括上面提到的能夠從Dow Corning公司獲得的 DC200 、DC704 或者Syltherm XLT 硅油，但是也可以使用其他液壓流體。上面提到的液 體添加劑和應(yīng)用流體可以混合到溶液中，該溶液由0到100百分比的每種液體組成以更好 地獲得每種流體的優(yōu)點。例如可能期望保留一些DC200 的惰性，同時加入液體添加劑例如 異丙醇的電容。在另一實施例中，填充流體A包括直至20 %的檸檬酸，而檸檬酸具有約200 的介電常數(shù)。液體添加劑和液壓流體的溶液會彼此混合而形成均勻的混溶混合物。因而，液 體添加劑將為整個填充流體溶液的特性作出貢獻(xiàn)，該貢獻(xiàn)在數(shù)量上與液壓流體和液體添加 劑的體積的體積分配成比例。例如，具有體積比50%的液體添加劑和體積比50%的應(yīng)用流 體的填充流體將具有這樣的電學(xué)和機械特性(例如介電常數(shù)和粘性)其為液壓流體和液 體添加劑的電學(xué)和機械特性的平均值。這相對于其他固體填充流體添加劑，例如納米顆粒， 是有利的，因為固體添加劑在大約25%的濃度水平下飽和并且傾向于在大約1到5%的濃 度水平上僅保持懸浮狀態(tài)。納米顆粒具有在大約3. 5到7.0范圍內(nèi)的介電常數(shù)。例如，礬 土陶瓷納米顆粒具有大約4. 5的介電常數(shù)；氧化鋁納米顆粒具有大約7. 0的介電常數(shù)7. 0 而碳基納米顆粒具有大約3. 5的介電常數(shù)。然而，液體添加劑會保留在溶液中，不會隨著時 間的流逝而分開。此外，固體微粒添加劑不能如液體添加劑那樣影響填充流體的許多物理 特性。例如，固體添加劑不能影響作為基礎(chǔ)的液壓流體的粘性，但液體添加劑能夠影響。上面所確認(rèn)的高介電常數(shù)材料，以及其他材料，具有可相容地用在本發(fā)明的液壓 系統(tǒng)中的特性。具體地說，液體添加劑具有足夠的惰性、粘性和壓縮性，其在隔離管38A和 38B中提供充足的性能。液體添加劑是適度惰性的，從而它們不會和隔離管38A和38B、感 測膜58、電極板60A和60B以及絕緣件64A和64B反應(yīng)。這些材料由高度耐腐蝕的材料構(gòu) 成，例如不銹鋼或玻璃，從而它們能夠經(jīng)得住與填充流體A和液體添加劑的接觸。液體添加 劑還是適度可壓縮的，從而它們能夠?qū)毫母綦x膜52A和52B傳遞到感測膜58。典型的 壓力傳感器和壓力變送器在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中工作，該系統(tǒng)包括壓力高達(dá)幾千PSI的過 程流體。這樣巨大的壓力對典型的填充流體(例如硅油應(yīng)用流體)產(chǎn)生小的，但程度上可 接收的壓縮。此壓縮被過程變送器和壓力傳感器的填充流體管線的真空密封所緩和，該密 封幫助防止空氣和水與填充流體混合。本發(fā)明的液體添加劑經(jīng)受與典型填充流體類似的壓 縮水平。因而，液體添加劑不會壓縮到導(dǎo)致隔離膜52A的撓曲被填充流體A吸收(這會阻
10止感測膜58記錄撓曲)的程度。因而，在正確校準(zhǔn)傳感器30和變送器電路28以后，本發(fā) 明的液體添加劑的壓縮性提供合適的液壓流體。液體添加劑還具有足夠的粘性，而和隔離 管38A和38B以及感測膜58—起使用。液體添加劑具有比硅油液壓流體更低的粘性。然 而，該粘性足夠高到讓填充流體A提供所需的振動阻尼到膜58上，以消除來自傳感器30的 噪音。如下面更詳細(xì)描述的那樣，更小的粘性確實會縮短傳感器30的反應(yīng)時間。可以使用 液體添加劑來影響填充流體A的其他物理特性，例如提高上下溫度限制(即，凝固點和沸 點)。應(yīng)該注意到，一些確認(rèn)的液體添加劑已經(jīng)用作遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)的應(yīng)用流體，例如遠(yuǎn)程密 封系統(tǒng)15。然而，在遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)中，填充流體不與壓力傳感器或感測膜接觸，因而不會以 本發(fā)明所達(dá)到的方式來影響壓力變送器和壓力傳感器的性能。因而，從設(shè)計的角度看，形成傳感器30的電極板60A和60B的尺寸能夠被減小，同 時保持壓力傳感器30的電容和輸出信號強度，而不減小填充流體A和壓力傳感器30的性 能特征。當(dāng)由上面描述的介電被提高的流體構(gòu)成時，填充流體A提高傳感器30的電容到超 過典型的約5-10 μ F電容水平。因此，高介電常數(shù)液體可以和標(biāo)準(zhǔn)的1. 25英寸直徑的壓力 傳感器使用而產(chǎn)生更大的輸出信號。然而，由于一般僅需要產(chǎn)生約5-10 μ F電容的傳感器 信號，使用當(dāng)前的制造技術(shù)可以減小傳感器30的尺寸和直徑。例如，當(dāng)前的掩模技術(shù)允許 絕緣件64Α和64Β具有遠(yuǎn)小于0. 0035英寸( 0. 00889厘米)的深度。同樣地，當(dāng)前的沉 積技術(shù)允許電極60Α和60Β精確地以小于2000埃(0. 0002毫米)的層沉積在絕緣件64Α 和64Β上。能夠以液體添加劑完全取代應(yīng)用流體或者以任意濃度混合液體添加劑和液壓流 體的靈活性，使得壓力傳感器30具有除了尺寸減小之外的其他優(yōu)點。減小傳感器30的直徑和元件半62Α和62Β的直徑使得能夠增大壓力傳感器30和 變送器12的管線壓力。在接頭86處，元件半62Α和62Β典型地被沿它們的邊緣焊接在一 起，從而在它們之間形成內(nèi)部腔78。內(nèi)部腔78容納填充流體Α，其基于分別在隔離膜52Α 和52Β處收到的壓力Pl和Ρ2而受到壓力。因而，內(nèi)部腔78受到壓力而引起在元件半62Α 和62Β上以及接頭86處向外的力。由壓力施加的力F由壓力P乘以其所作用的面積A所 得到的幅度確定，如方程式(2)所示。F = PA方程式(2)因而，作用在元件半62Α和62Β上的力由壓力Pl和Ρ2的大小及元件半62Α和62Β 的面積決定。例如，作用在元件半62Α上的力等于壓力Pl所作用的元件半62Α的面積乘以 壓力Ρ1。壓力Pl由隔離膜52所連接的管線壓力決定，該壓力例如最終由容器16 (圖1)內(nèi) 的壓力Pl決定。接頭86能承受的最大力F取決于該焊接接頭的強度。因而，對于給定焊 接，具有較小直徑的元件半能夠承受較大的管線壓力。常規(guī)1. 25英寸直徑壓力傳感器典型 地具有大約12000PSI ( 82.8Mpa)的最大管線壓力。根據(jù)本發(fā)明，壓力傳感器能夠連接到 高于12000psi的管線壓力，由于在液壓流體中包含了高介電常數(shù)的液體添加劑以及與之 相關(guān)的在傳感器直徑上的減小?？梢韵胂蠊芫€壓力可以增大到該限制的大約3倍。相對于之前的電容壓力傳感器，本發(fā)明的傳感器30還實現(xiàn)較快的反應(yīng)時間。由于 本發(fā)明的介電提高的填充流體允許壓力傳感器30的直徑減小，在內(nèi)部腔78中的填充流體 A的體積成比例地減小。因而，例如在隔離膜52A和感測膜58之間的填充流體A的總體積 也減小。因此，響應(yīng)于壓力Pl的變化，隔離膜52A和感測膜58需要移位更少的填充流體A。 因此，壓力Pl的變化被更快地從隔離膜52A傳遞到感測膜58。
與傳感器30需要的填充流體A的體積減少有關(guān)的另一個優(yōu)點是，不僅感測膜58 的尺寸減小，而且隔離膜52A和52B的尺寸也減小。傳感器30和內(nèi)部腔78的尺寸的減小會 從根本上減小電極板60A和60B以及感測膜58的尺寸，因而如上所述，會減少需要被移位 的填充流體A的量。因為需要移位的填充流體A更少，感測膜58和隔離膜60A和60B的移 位填充流體A的能力也被改變。具體地說，并不依賴傳感器40的性能的隔離膜60A和60B 的直徑，能夠被減小。典型地，隔離膜的直徑需要比感測膜更大一些，因為隔離膜需要不那 么僵硬。例如，如上所述，內(nèi)部腔78延伸到每個元件半62A和62B中的深度大約是0. 0035 英寸( 0.00889厘米)。因而，例如，在電極板60A和感測膜58之間的間隔小了很多。因 此，感測膜58僅需要移位很小數(shù)量的填充流體A。隔離膜52A需要移位更遠(yuǎn)以引起感測膜 58中需要的撓曲。然而，因為感測膜58和傳感器30的規(guī)模減小，隔離膜52A和52B的規(guī)模 也減小。傳感器30的部件尺寸減小對其是有利的。例如，傳感器30的直徑相對于標(biāo)準(zhǔn)的 1. 25英寸直徑傳感器可以減小到約40%，約0. 5英寸。尺寸減小在傳感器30和變送器12 的成本的降低上有相應(yīng)的效果。例如，電極板60A和60B尺寸的減小導(dǎo)致元件半62A和62B、 感測膜58、絕緣件64A和64B以及隔離膜52A和52B的尺寸的減小。模塊42、基部44以及 隔離管38A和38B的尺寸也能被相應(yīng)地減小。因而，生產(chǎn)傳感器30和變送器12所需要的 材料更少。傳感器30和變送器12典型地由高級的具有高強度和耐腐蝕性的材料制成。滿 足上述特性的材料，例如哈司特鎳合金或蒙乃爾銅-鎳合金，價格都比較昂貴。因而，任何 在變送器12、傳感器30以及它們的部件的尺寸的減小都獲得明顯的成本上的節(jié)約。減小傳感器30及其相關(guān)部件的好處還包括允許變送器12的設(shè)計有更大的靈活 性。如上面提到的，作為傳感器30減小的結(jié)果，模塊42和基部44的尺寸可以減小。傳感 器30的尺寸減小更易于允許在單個變送器殼體內(nèi)包括多個傳感器。具體地說，模塊42和 基部44的尺寸可以保持在與典型的1. 25英寸直徑傳感器一起使用所需要的標(biāo)準(zhǔn)尺寸上， 而節(jié)省的空間可用于在模塊42內(nèi)附接額外的傳感器30。例如，在一個實施例中，變送器12 可以包括僅僅兩個隔離膜，例如隔離膜52A和52B，但具有相連的隔離室72A和72B，每個有 和不同壓力傳感器連接的兩個隔離管。一個傳感器可以被構(gòu)造成感測低壓，而另一個傳感 器可被構(gòu)造成感測高壓，因而增大變送器所用使用的總的壓力范圍。盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到可以不偏離 本發(fā)明的精神和范圍在形式和細(xì)節(jié)上作出改變。
權(quán)利要求
一種基于電容的壓力傳感器，包括殼體，包括在所述殼體內(nèi)的內(nèi)部腔；及從殼體的外部延伸到所述內(nèi)部腔的通路；設(shè)置在所述內(nèi)部腔內(nèi)的感測膜；設(shè)置在所述內(nèi)部腔內(nèi)與所述感測膜相對的電極；及占據(jù)所述內(nèi)部腔的填充流體，從而來自通路的壓力被傳遞到感測膜以調(diào)整電極和感測膜之間的電容；其中，填充流體具有大于約3.5的介電常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，電極的直徑大約小于1厘米( 0.4英 寸)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中，電極的直徑大約是0.254厘米( 0. 1英 寸)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，在感測膜和電極之間的電容的電容量是 大約5到大約10皮法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，所述填充流體從由異丙醇、丙酮、乙烯乙 二醇以及丙三醇組成的組中選出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，所述填充流體包括液壓流體和液體添加 劑的混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其中，所述液體添加劑包括約10%到約20%的檸檬酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其中，所述液體添加劑從由異丙醇、丙酮、乙烯 乙二醇以及丙三醇組成的組中選出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，其中，所述液壓流體和液體添加劑至少是部分 混溶的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，液體添加劑包括高達(dá)約50%的填充流體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，其中，液壓流體和液體添加劑包括均勻的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓力傳感器，其中，應(yīng)用流體包括硅基的油。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其中，液體添加劑減小填充流體的粘性。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，填充流體具有大約18或更高的介電常數(shù)。
15.一種壓力傳感器，包括 元件主體，包括內(nèi)部腔；感測膜，其設(shè)置在內(nèi)部腔內(nèi)以將所述內(nèi)部腔分隔成第一和第二室； 在所述第一室內(nèi)的面對感測膜的第一內(nèi)表面； 在所述第二室內(nèi)的面對感測膜的第二內(nèi)表面；第一電極，其設(shè)置在第一內(nèi)表面上以與感測膜形成第一電容器； 第二電極，其設(shè)置在第二內(nèi)表面上以與感測膜形成第二電容器； 設(shè)置在第一和第二室內(nèi)的填充流體，所述填充流體適于接受壓力以調(diào)節(jié)感測膜的位置 和改變第一和第二電容器的電容；和其中，所述填充流體具有大于約3. 5的介電常數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，還包括 第一引線，從第一電極延伸到所述元件主體的外部； 第二引線，從所述第二電極延伸到所述元件主體的外部； 第一絕緣件，位于第一室內(nèi)以包括所述第一內(nèi)表面； 第二絕緣件，位于第二室內(nèi)以包括第二內(nèi)表面；及第一隔離管，具有連接到第一室的第一端和開放到所述元件主體的外部的第二端；及 第二隔離管，具有連接到第二室的第一端和開放到所述元件主體的外部的第二端； 其中，所述填充流體設(shè)置在第一隔離管和第二隔離管中。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，其中，填充流體從由異丙醇、丙酮、乙烯乙二 醇以及丙三醇組成的組中選出。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，其中，所述填充流體包括液壓流體和液體添 加劑的溶液，所述溶液至少部分混溶。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的壓力傳感器，其中所述液體添加劑從由異丙醇、丙酮、乙烯乙二醇以及丙三醇組成的組中選出；及 所述液壓流體包括硅油。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，其中，所述液體添加劑減小填充流體的粘性。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力傳感器，其中，第一和第二電極的直徑大約小于1厘米 ( 0. 4英寸)，第一和第二電容器的電容大約為5到10皮法。
22.一種用于測量過程流體的壓力的壓力變送器，該壓力變送器包括 變送器殼體；基于電容的壓力傳感器，用于感測過程流體的壓力，其中，該壓力傳感器 被設(shè)置在所述殼體內(nèi)；包括元件主體，所述元件主體的直徑大約小于3. 175厘米( 1. 25英寸)；及具有在大約5到10皮法范圍內(nèi)的電容；液壓中繼系統(tǒng)，包括位于變送器殼體的外部的隔離膜；及從所述壓力傳感器延伸到所述隔離膜的隔離管；壓力傳感器填充流體，其位于所述液壓中繼系統(tǒng)內(nèi)并包括高介電常數(shù)液體流體，所述 高介電常數(shù)液體流體從由異丙醇、丙酮、乙烯乙二醇以及丙三醇組成的組中選出；及位于所述殼體內(nèi)的變送器電子裝置，該變送器電子裝置構(gòu)造成接受和調(diào)控來自壓力傳 感器的壓力信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的壓力變送器，其中，壓力傳感器的管線能力大約是 12，OOOpsi ( 82. 7Mpa)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的壓力變送器，其中，填充流體具有大于約3.5的介電常數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的壓力變送器，其中，填充流體還包括用于將過程流體的壓 力的變化傳遞到傳感器上的液壓流體。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的壓力變送器，其中，所述液體流體具有高于所述液壓流體 的介電常數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的壓力變送器，其中，所述元件主體具有大約1.27厘米( 0.5英寸)的直徑。
全文摘要
一種用于工業(yè)過程變送器(12)的電容壓力傳感器(30)，包括殼體(62A和62B)、感測膜(58)、電極(60A或60B)和填充流體。該殼體(62A和62B)包括內(nèi)部腔(78)以及從殼體(62A和62B)的外部延伸到該腔(78)的通路。感測膜(58)設(shè)置在內(nèi)部腔(78)內(nèi)與電極(60A或60B)相對。填充流體占據(jù)內(nèi)部腔(78)從而來自通路的壓力被傳遞到感測膜(58)上以調(diào)節(jié)電極(60A或60B)和感測膜(58)之間的電容。填充流體具有高于約3.5的介電常數(shù)。在其他實施例中，壓力傳感器(30)具有小于大約3.175厘米(～1.25英寸)的直徑，電極(60A或60B)具有小于大約1厘米(～0.4英寸)的直徑，傳感器(30)在大約5到大約10皮法范圍內(nèi)的電容，填充流體包括具有液體添加劑的液壓流體。
文檔編號G01L9/12GK101981425SQ200980111505
公開日2011年2月23日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者大衛(wèi)·A·布羅登 申請人:羅斯蒙德公司