專利名稱：具有管線壓力測(cè)量的壓差傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用了測(cè)量過程流體的壓力的類型的壓力傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及構(gòu)造為測(cè)量過程流體中的壓力差以及管線壓力二者的壓力傳感器。
背景技術(shù)：
變送器用在過程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)中以測(cè)量工業(yè)過程的各種過程變量。一種類型的變送器測(cè)量過程中的過程流體的壓力差。這種壓力差測(cè)量值隨后可以用了計(jì)算過程流體的流量。多種技術(shù)已經(jīng)用在這種變送器中的壓力傳感器中。一種公知的技術(shù)是采用可偏轉(zhuǎn)隔膜。測(cè)量關(guān)于隔膜的電容，隔膜形成電容器的電容極板中的一個(gè)。由于隔膜由于施加的壓力而偏轉(zhuǎn)，因此測(cè)量的電容變化。在這種結(jié)構(gòu)中，壓力測(cè)量存在大量的誤差源。在200 年 10 月 2 日授權(quán)給 Frick 等人的名稱為“PROCESS PRESSUREMEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERR0RC0MPENSATI0N(具有改進(jìn)誤差補(bǔ)償?shù)倪^程壓力測(cè)量裝置)“ 的美國(guó)專利No. 6，295, 875中提出了一種解決這些誤差的技術(shù)，通過引用將該美國(guó)專利的全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此。該專利描述了壓差傳感器，其包括用了降低測(cè)量誤差的附加電極。然而，在一些設(shè)備中，期望的是，除了壓力差測(cè)量，還測(cè)量過程流體的管線壓力(絕對(duì)值或儀表值)。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于感測(cè)過程流體的壓力的壓力傳感器組件，包括傳感器本體，其具有形成在其中的空腔以及通向空腔的第一開口和第二開口，第一開口和第二開口構(gòu)造為施加第一壓力和第二壓力。位于空腔中的隔膜將第一開口與第二開口隔開，并構(gòu)造為響應(yīng)于第一壓力和第二壓力之間的壓力差變形?；陔娙莸淖冃蝹鞲衅鞅辉O(shè)置并且構(gòu)造為響應(yīng)于施加至傳感器本體的管線壓力感測(cè)傳感器本體的變形。


圖1示出具有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的過程變送器的過程測(cè)量系統(tǒng)。圖2為圖1的變送器的示意圖。圖3示出圖1的過程變送器的部分的剖視圖。圖4為壓力傳感器的用于圖示本發(fā)明的操作的簡(jiǎn)化剖視圖。圖5為包括用來測(cè)量管線壓力的電極的壓力傳感器的剖視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供用于確定用于基于電容的壓力傳感器的管線壓力和壓力差的設(shè)備和方法。通過計(jì)算在多個(gè)基于電容的壓力傳感器中的合適的電容的和的比率(ratio of sum)或比率的和(sum of ratio)，可以確定過程流體的壓力差。如在背景技術(shù)部分中討論的那樣，在一些設(shè)備中，除了壓力差測(cè)量，可能還希望測(cè)量管線壓力(絕對(duì)值或表壓值)。在Donald Ε. Harasyn等人于2005年5月27日遞交的、名稱為〃 LINE PRESSURE MEASUREMENTUSING DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR"美國(guó)共同未決專利申請(qǐng) 11/140，681 和與本申請(qǐng)共同轉(zhuǎn)讓的David A. Broden等人于2005年5月沈日遞交的、名稱為“PRESSURE SENSOR USING COMPRESSIBLESENSOR BODY，，的美國(guó)專利申請(qǐng) 11/138，977 中示出并描述了用來測(cè)量管線壓力的一種這種技術(shù)，通過引用將這兩個(gè)美國(guó)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此。圖1大體示出了過程測(cè)量系統(tǒng)32的環(huán)境。圖1示出了包含處于壓力下的流體的過程管道30，其連接至用于測(cè)量過程壓力的過程測(cè)量系統(tǒng)32。過程測(cè)量系統(tǒng)32包括連接至管道30的導(dǎo)壓管道34。導(dǎo)壓管道34連接至過程壓力變送器36?；驹?3，如孔板、文丘里管、流量噴嘴等等，接觸過程管道3中的在導(dǎo)壓管道34的管子之間的位置處的過程流體?；驹?3在流體流經(jīng)基本元件33時(shí)在該流體中引起壓力變化。這種壓力變化(壓力差變化)與過程流體的流量相關(guān)聯(lián)。壓差傳感可以用來測(cè)量這種壓力差變化，并且測(cè)量電路用來提供與過程流體的流量相關(guān)的輸出。變送器36為接收通過導(dǎo)壓管道34的過程壓力的過程測(cè)量裝置。變送器36感測(cè)過程壓力差，并將它轉(zhuǎn)化為過程流量的函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸信號(hào)。過程回路38優(yōu)選從控制室40向變送器36提供功率信號(hào)，并提供雙向通信，且可以根據(jù)多個(gè)過程通信協(xié)議進(jìn)行構(gòu)建。在圖示的實(shí)施例中，過程回路38為二線回路。二線回路用來在正常操作期間以4-20mA信號(hào)將所有的功率和所有的通信傳遞至變送器36，或傳遞來自變送器36的所有的功率和所有的通信。計(jì)算機(jī)42或其它信息處理系統(tǒng)通過調(diào)制解調(diào)器44或其它網(wǎng)絡(luò)接口用于與變送器36通信。遠(yuǎn)程電壓源46向變送器36供電。過程控制回路的另一個(gè)例子是無線通信，其中數(shù)據(jù)或者直接無線傳輸至中央位置，或者傳輸至網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)類型結(jié)構(gòu)，或采用其它技術(shù)。圖2為壓力變送器36的一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。壓力變送器36包括通過數(shù)據(jù)線66連接在一起的傳感器模塊52和電子元件板72。傳感器模塊電子元件60連接至接收施加的壓力差M的壓力傳感器56。數(shù)據(jù)連接器58將傳感器56連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器62。 任選的溫度傳感器63與傳感器模塊存儲(chǔ)器64 —起被圖示。電子元件板72包括微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)74、電存儲(chǔ)器模塊76、數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置78和數(shù)字通信塊80。與感測(cè)的壓力相關(guān)的輸出在回路38上提供。圖2還示意性地圖示了基于外部電容的變形傳感器59，其位于壓力傳感器56的本體的外面，并設(shè)置為提供電容值。傳感器59設(shè)置為具有響應(yīng)于壓力傳感器56 的本體的由施加壓力產(chǎn)生的變形而變化的電容值。如圖2中示意性地圖示的那樣，由于施加了壓力54，管線壓力施加至壓力傳感器56的本體。根據(jù)在授權(quán)給Frick等人的美國(guó)專利No. 6，295，875中提出的技術(shù)，壓力變送器36 感測(cè)壓力差。然而，本發(fā)明不限于這種結(jié)構(gòu)。圖3為傳感器模塊52的一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化剖視圖，示出了壓力傳感器56。壓力傳感器56通過隔膜90連接至過程流體，隔膜90將過程流體與空腔92隔開?？涨?2通過毛細(xì)管94連接至壓力傳感器模塊56?；静豢蓧嚎s填充流體填充空腔92和毛細(xì)管94。 當(dāng)來自過程流體的壓力施加至隔膜90時(shí)，它被傳遞至壓力傳感器56。根據(jù)一種實(shí)施方式，壓力傳感器56由兩半壓力傳感器114和116形成，并用諸如玻璃或陶瓷之類的基本不可壓縮固體材料105填充。中間隔膜106設(shè)置在形成在傳感器56 內(nèi)的空腔132、134中?？涨?32、134的外壁支撐電極144、146、148和150。這些電極通常稱為主電極144和148，以及輔助電極146和150。這些電極形成關(guān)于活動(dòng)隔膜106的電容器。該電容器再次被分別稱為主電容器和輔助電容器。如圖3所示，傳感器56中的各種電極通過電連接103、104、108和110連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器62。此外，可變形隔膜106通過連接109連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器62。如美國(guó)專利No. 6，295，875中討論的那樣，可以采用電極144、146、148和150測(cè)量施加至傳感器56的壓力差。如下文討論那樣，圖3示意性地圖示了基于電容的壓力差56， 下文將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在操作中，壓力PJPP2S在隔膜90上，由此壓在填充中間隔膜106和隔膜90之間的空腔的基本不可壓縮填充流體上。這引起中間隔膜106變形，導(dǎo)致隔膜106與電極146、 144、148和150之間的電容變化。采用熟知的技術(shù)，這些電容變化可以被測(cè)量并用來確定壓力差。圖4為用來圖示本發(fā)明的操作的傳感器56的簡(jiǎn)化剖視圖。圖4圖示了至電極144、 146、148和150的各種電連接。在壓力傳感器56的操作期間，通過毛細(xì)管94(參見圖幻施加至壓力傳感器的管線壓力引起壓力傳感器56的本體220變形。同時(shí)兩個(gè)壓力P1和P2都引起傳感器變形。傳感器將以三種不同的條件為基礎(chǔ)高上游壓力和低下游壓力、低上游壓力和高下游壓力、以及伴隨高下游壓力的高上游壓力。傳感器將測(cè)量如由上游或下游壓力中的最大值限定的管線壓力。所施加的管線壓力在本體220內(nèi)的壓力和壓力變送器的內(nèi)部環(huán)境之間產(chǎn)生壓力差。這種壓力差引起本體220中變形。在圖4中示出的例子中，示出了被極大地夸大的變形。具體地，所施加的管線壓力使本體220的外壁200和202向外膨脹至在200’和202’ 處的虛影示出的位置。本發(fā)明提供了用于基于沿著壓力傳感器56的邊緣扭曲或彎曲測(cè)量管線壓力的技術(shù)。這種彎曲由200’和202’標(biāo)記的虛線圖示?？拷鼈鞲衅?6的中間端，位移率圖示為 Adi。如圖4所示，傳感器56中心附近的位移Adl大于邊緣附近的位移Ad2。管線壓力與Adl和Δ d2兩者相關(guān)，也與諸如Adl-Ad2或Δ dl/Δ d2之類的相對(duì)測(cè)量值相關(guān)。圖5為傳感器56的簡(jiǎn)化剖視圖，圖示一種用于測(cè)量位移Δ dl或Δ d2的技術(shù)。在圖5的示例性實(shí)施方式中，通過將環(huán)形電容性電極240和242靠近傳感器56的一端放置而監(jiān)測(cè)所述位移。電極對(duì)0、242被支承在由支撐裝置248支撐的絕緣背墊板244上。在一種結(jié)構(gòu)中，支撐裝置248包括管子或類似物。支撐裝置248可以連續(xù)地或在一些位置處連接至傳感器56和絕緣背墊板M4。在另一種示例性結(jié)構(gòu)中，支撐裝置248包括多個(gè)支撐裝置， 或具有未連續(xù)地沿著傳感器56的外圓周延伸的結(jié)構(gòu)。在另一種示例性結(jié)構(gòu)中，絕緣背墊板 244采用粘結(jié)劑250安裝至毛細(xì)管94。這種結(jié)構(gòu)可以任選地包括支撐結(jié)構(gòu)M8。在這種結(jié)構(gòu)中，絕緣背墊板244可以連接至或不連接至支撐裝置M8。優(yōu)選地，背墊板244構(gòu)造為或者響應(yīng)于管線壓力經(jīng)歷很少的扭曲，或者以有助于Adl和/或Δ(12以從而增加裝置的靈敏度的方式扭曲。電連接提供至電極240和Μ2，并且可以用來測(cè)量關(guān)于傳感器本體220形成的電容 Cl 禾口 C2。當(dāng)相對(duì)于傳感器本體220安裝絕緣背墊板M4時(shí)，可以控制電極240和242與傳感器之間的標(biāo)稱距離d0。電極240、242和傳感器本體之間的電介體可以為圍繞傳感器56的環(huán)境氣體，例如氮。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，電容器Cl和C2在靜止條件下具有相同的值 (即，Cl = C2)。在這種結(jié)構(gòu)中，間距d0或氣體的介電常數(shù)的微小變化不影響Cl和C2之間的差異，因?yàn)樵陟o止時(shí)C1-C2 = 0。通過將電容傳感器放置在傳感器56的兩側(cè)，可以獲得一定的改進(jìn)的冗余度。在一種結(jié)構(gòu)中，還提供了溫度傳感器，并且其用來向管線壓力測(cè)量值提供溫度補(bǔ)償，因?yàn)殡娙軨l，C2存在基于溫度的變化。圖2中圖示的變形傳感器59因此由圖5中示出的電極形成，所述電極以它們的電容響應(yīng)于傳感器本體的變形而變化的方式安裝至傳感器本體的外面。 雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行改變。例如，傳感器本體和絕緣背墊板不需要是圓形的。多種連接技術(shù)可以用來降低施加至背電板的應(yīng)力。如在此使用的那樣，“流體”包括液體和氣體或可以包括固體的混合物。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量過程流體的壓力的壓力傳感器組件，包括傳感器本體，具有形成在其中的空腔以及通向空腔的第一開口和第二開口，第一開口和第二開口構(gòu)造為施加第一壓力和第二壓力；位于空腔中的隔膜，用于響應(yīng)于壓力差將第一開口與第二開口隔開；第一電極，安裝在傳感器本體的外面，設(shè)置為與傳感器本體形成第一電容，其中第一電容響應(yīng)于由傳感器本體的變形引起的過程流體的管線壓力而變化；和測(cè)量電路，連接至所述電極，設(shè)置為基于第一電容測(cè)量管線壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器組件，包括安裝在傳感器本體外面的第二電極， 并且其中第二電容形成在所安裝的第二電極和傳感器本體之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器組件，包括安裝在傳感器本體外面的第二電極， 并且其中測(cè)量電路具有與基于采用第一電極測(cè)量的第一電容和采用第二電極測(cè)量的第二電容的管線壓力相關(guān)的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器組件，包括構(gòu)造為承載所述電極的絕緣板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力傳感器組件，其中絕緣板安裝至傳感器本體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器組件，其中絕緣板安裝至支撐裝置，該支撐裝置安裝至傳感器本體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力傳感器組件，其中絕緣板安裝至毛細(xì)管，該毛細(xì)管連接至傳感器本體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器組件，包括與所述隔膜相關(guān)聯(lián)的壓差傳感器，該壓差傳感器具有與基于隔膜在空腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的壓力差相關(guān)的輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器組件，其中所述輸出基于由所述隔膜形成的可變電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器組件，其中管線壓力測(cè)量值基于溫度被補(bǔ)償。
11.一種用于測(cè)量過程流體壓力的過程變送器，包括權(quán)利要求1的壓力傳感器。
12.一種用于測(cè)量過程流體的壓力差和管線壓力的方法，包括下述步驟將可變形隔膜安裝在傳感器本體中的空腔中；將過程流體的第一壓力施加至空腔中的可變形隔膜的一側(cè)；將過程流體的第二壓力施加至空腔中的可變形隔膜的另一側(cè)；基于可變形隔膜的變形確定壓力差；用定位在傳感器本體外面的第一電極形成第一電容，第一電容形成在所述電極和傳感器本體之間，并具有基于傳感器本體的由過程流體的管線壓力引起的變形而變化的電容; 以及基于所述電容的變化確定過程流體的管線壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括提供安裝在傳感器本體外面的第二電極的步驟，其中基于采用第一電極測(cè)量的第一電容和采用第二電極測(cè)量的第二電容確定管線壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括基于隔膜電容通過在隔膜在空腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行測(cè)量來確定壓力差的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括基于溫度補(bǔ)償管線壓力測(cè)量值的步驟。
全文摘要
一種用于感測(cè)過程流體的壓力的壓力傳感器組件，包括傳感器本體，其具有形成在其中的空腔以及通向空腔的第一開口和第二開口，第一開口和第二開口構(gòu)造為施加第一壓力和第二壓力。位于空腔中的隔膜將第一開口與第二開口隔開，并構(gòu)造為響應(yīng)于第一壓力和第二壓力之間的壓力差變形。提供基于電容的變形傳感器，其構(gòu)造為響應(yīng)于施加至傳感器本體的管線壓力感測(cè)傳感器本體的變形。
文檔編號(hào)G01L13/06GK102279075SQ20111009758
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者大衛(wèi)·G·泰森, 安德魯·J·科樂森斯基, 約翰·P·舒爾特 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司