用于單晶過程流體壓力傳感器的熱診斷的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種驗(yàn)證單晶壓力傳感器的狀態(tài)的方法。該方法包括提供單晶壓力傳感器，其具有隨著所施加的被連接到第一輸出和第二輸出的壓力變化的至少一個(gè)電特性。壓力傳感器還具有位于其中的至少一個(gè)電阻元件。電流通過電阻元件施加以加熱壓力傳感器。壓力傳感器的至少一個(gè)輸出被監(jiān)測(cè)以確定壓力傳感器對(duì)電流感應(yīng)熱量的響應(yīng)?；谒鲰憫?yīng)提供驗(yàn)證輸出。
【專利說明】用于單晶過程流體壓力傳感器的熱診斷
【背景技術(shù)】
[0001]壓力傳感器在許多工業(yè)應(yīng)用中用于測(cè)量壓力。一種類型的壓力傳感器被稱為可偏轉(zhuǎn)隔膜壓力傳感器。在這些壓力傳感器中，壓力直接地或通過不可壓縮的填充流體施加到可偏轉(zhuǎn)隔膜。諸如電容板之類的電極連接到可偏轉(zhuǎn)隔膜，使得隔膜板的運(yùn)動(dòng)改變諸如電容之類的電特性，電特性可以被測(cè)量并且與壓力有關(guān)?；诳善D(zhuǎn)隔膜的壓力傳感器用在差壓、絕對(duì)壓力和表壓力傳感器中。
[0002]壓力傳感器經(jīng)常工作在惡劣的環(huán)境中，如高的過程溫度或腐蝕性流體。已經(jīng)在這樣苛刻條件下使用的一種技術(shù)是分開和隔離壓力傳感器和其壓力正被測(cè)量的過程流體。一種技術(shù)使用隔離隔膜，其使過程流體在一側(cè)，隔離流體在另一側(cè)。隔離流體將隔離隔膜連接到壓力傳感器的監(jiān)測(cè)隔膜。在過程流體壓力變化時(shí)，隔離隔膜響應(yīng)地偏轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致將通過隔離流體傳送到壓力傳感器隔膜的壓力變化。具有隔離隔膜的壓力傳感器在本領(lǐng)域中是眾所周知的。但是，要建立這樣的隔離系統(tǒng)增加成本和復(fù)雜性。而且，流體會(huì)由于過壓或機(jī)械損壞而泄漏，導(dǎo)致已經(jīng)由過程流體污染的流體體積或填充流體的損失。
[0003]在一些應(yīng)用中，理想的是使用單晶壓力傳感器。與其他類型的可偏轉(zhuǎn)隔膜的壓力傳感器相比，單晶壓力傳感器提供許多優(yōu)點(diǎn)。單晶壓力傳感器提供極低的滯后性、高頻響應(yīng)、以及極強(qiáng)的抗化學(xué)侵蝕和抗熱分解。一個(gè)特定的單晶壓力傳感器是由藍(lán)寶石構(gòu)造的。由于單晶壓力傳感器具有這種極端的耐化學(xué)侵蝕和耐熱分解，其可以用在其中沒有使用填充流體的應(yīng)用中。因此，過程流體可以直接地接觸單晶壓力傳感器隔膜。因此，對(duì)于一些應(yīng)用，單晶壓力傳感器是用于過程流體壓力的測(cè)量的主要選擇。
[0004]雖然過程控制測(cè)量工業(yè)已經(jīng)開發(fā)重要的診斷能力，用于確定過程通信、過程裝置電子元件以及甚至一些過程傳感器的健康和操作狀態(tài)，但用于單晶壓力傳感器的這種診斷還沒有被開發(fā)出來(lái)。美國(guó)專利7，918，134提供一種用于壓力變送器的基于熱的診斷系統(tǒng)，其中熱脈沖被施加到過程流體壓力變送器中的填充流體。熱脈沖影響填充流體的體積，并且變化的體積可以使用壓力傳感器測(cè)量，以診斷和/或驗(yàn)證壓力傳感器的操作。雖然這樣的診斷對(duì)于基于填充流體的過程流體壓力傳感器系統(tǒng)是非常有用的，但它們不能夠解決沒有提供這種填充流體的應(yīng)用。特別地，在一些單晶壓力傳感器應(yīng)用中，過程流體本身被直接施加到壓力傳感器的偏轉(zhuǎn)隔膜。因此，沒有填充流體，并且因而’ 134專利的診斷是不可用的。
[0005]提供與單晶壓力傳感器相關(guān)的增強(qiáng)的診斷和驗(yàn)證將增加可靠性，并且相對(duì)于采用這種傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合將增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供一種驗(yàn)證單晶壓力傳感器的狀態(tài)的方法。該方法包括提供單晶壓力傳感器，該單晶壓力傳感器具有隨著所施加的被連接到第一輸出和第二輸出的壓力變化的至少一個(gè)電特性。壓力傳感器還具有位于其中的至少一個(gè)電阻元件。電流通過電阻元件施加以加熱壓力傳感器。壓力傳感器的至少一個(gè)輸出被監(jiān)測(cè)，以確定壓力傳感器對(duì)電流感應(yīng)熱量(current-1nduced heat)的響應(yīng)?；谠擁憫?yīng)提供驗(yàn)證輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是特別地使用本發(fā)明的實(shí)施例的過程流體壓力變送器的分解視圖。
[0008]圖2是特別地使用本發(fā)明的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的示意圖。
[0009]圖3是圖2中圖示的接收過程流體壓力(P)的壓力傳感器的示意圖。
[0010]圖4是特別地使用本發(fā)明的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的示意分解圖。
[0011]圖5是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的壓力傳感器上執(zhí)行診斷的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]單晶過程流體壓力傳感器，特別是基于藍(lán)寶石的單晶過程流體壓力傳感器是已知的。例如，美國(guó)專利6，089，097和6，508，129報(bào)告了這樣的傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。本發(fā)明的實(shí)施例主要提供用于這種單晶過程流體壓力傳感器，并且特別地用于基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的有效的驗(yàn)證診斷。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例有效地實(shí)施診斷對(duì)表驗(yàn)證能力做出貢獻(xiàn)。此外，由于基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的應(yīng)用增加，增強(qiáng)的診斷將在其它情況下是有用的。
[0013]圖1是特別地使用本發(fā)明的實(shí)施例的過程流體壓力變送器50的分解視圖。變送器50包括用于接收壓力差的法蘭52、兩個(gè)絕對(duì)壓力傳感器膜片(未顯示)和電子元件56。變送器50用螺栓固定到法蘭適配器58，法蘭適配器58連接到脈沖管，脈沖管連接到法蘭適配器接頭60或其他連接硬件。圖1描述的過程流體壓力變送器僅是示例性的，并且其他過程流體壓力變送器可以用于本發(fā)明的實(shí)施例。特別地，可以從Emerson ProcessManagement (艾默生過程管理公司)獲得的以商標(biāo)牌號(hào)Rosemount? Model 4600出售的絕對(duì)壓力過程流體壓力變送器也可以結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例。
[0014]圖2是特別地使用本發(fā)明的實(shí)施例的單晶壓力傳感器的一個(gè)示意性的視圖。壓力傳感器100通常以梁的形狀布置，并且由第一層102和第二層104制成，第一層102和第二層104都由諸如藍(lán)寶石之類的單晶材料構(gòu)造。第一層102和第二層104粘結(jié)在一起以形成梁狀主體107，主體107包括第一端部106和相對(duì)的端部110，第一端106具有適于流體加壓的一個(gè)或多個(gè)隔膜108。第一端部106和第二端部110由過程流體容器壁112分開。從本質(zhì)上講，壓力傳感器100通過在壁112中的孔，并且以銅焊、焊接或以其他方式固定在其上，如在標(biāo)號(hào)114處表示。銅焊的安裝提供流體屏障，使得加壓的過程流體不會(huì)到達(dá)位于第二端部110處的電接觸墊，避免接觸墊被加壓流體腐蝕。電接觸墊和隔膜108位于梁狀傳感器主體107的相對(duì)端上，提供所需的機(jī)械隔離，從而使由電引線施加的任何作用力在其可以達(dá)到壓力監(jiān)測(cè)隔膜108之前大大地衰減。
[0015]圖3是圖2中所示的接收過程流體壓力⑵的壓力傳感器的示意圖。正如所指出的，過程流體壓力P導(dǎo)致至少一個(gè)隔膜108向內(nèi)變形(向內(nèi)偏轉(zhuǎn)在圖3中被大大地夸大)。至少一個(gè)隔膜108的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致粘接到隔膜108的內(nèi)表面的電容板移動(dòng)。電容板的這個(gè)移動(dòng)導(dǎo)致電容板之間的電容變化，其因而表示施加的過程流體壓力。電容板(capacitive plate)是具有隨著所施加的壓力變化的電特性的壓敏元件的一個(gè)示例。例如，本發(fā)明的實(shí)施例也可以使用電阻應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)。[0016] 對(duì)于過程工業(yè)來(lái)說重要的是能夠驗(yàn)證壓力變送器和/或壓力傳感器是否正常運(yùn)行。壓力變送器設(shè)備診斷目前只限于特別地在能夠偏轉(zhuǎn)單晶隔膜式壓力傳感器的情況下確定傳感器和傳感器系統(tǒng)的健康的能力。
[0017]藍(lán)寶石壓力傳感器是精密設(shè)備，并且重要的是能夠快速地和準(zhǔn)確地確定這樣的傳感器的驗(yàn)證。當(dāng)前基于藍(lán)寶石的過程流體壓力傳感器一般地提供測(cè)量電容(其基于至少一個(gè)可偏轉(zhuǎn)隔膜的偏轉(zhuǎn)而變化)、參考電容(其不隨著隔膜偏轉(zhuǎn)變化，但是在所有其他方面(如溫度)類似于測(cè)量電容變化)和溫度測(cè)量值。典型地，因?yàn)殡娙菪盘?hào)共享公共引線，這樣的傳感器具有五個(gè)接線端。
[0018]本發(fā)明的實(shí)施例通常利用將在診斷測(cè)試期間被供電的溫度傳感器(為電阻器)，由此產(chǎn)生I2R熱量。由溫度傳感器(瞬間加熱器)施加的熱量將通過機(jī)械地?cái)U(kuò)大傳感器結(jié)構(gòu)而影響壓力傳感器。簡(jiǎn)單實(shí)施例的示例將是將輸出保持在壓力的最后溫度補(bǔ)償值處，通過溫度傳感器使電流轉(zhuǎn)向，以及測(cè)量電容式傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)，并且然后切換回正常操作。對(duì)溫度傳感器引起的熱脈沖的適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)將表示健康的傳感器、傳感器電子元件和互連。
[0019]注意到，基于藍(lán)寶石的過程流體壓力傳感器典型地使用處于真空的傳感器的內(nèi)部容積測(cè)量絕對(duì)壓力。因此，熱量不導(dǎo)致壓力變化。如果傳感器被浸潰在充油型系統(tǒng)中，如用于Kosgi丨丨οιιη--型號(hào)4600，則熱量可能潛在地導(dǎo)致油膨脹，產(chǎn)生增加的壓力。但是，可以相信，因?yàn)楸容^大的油量，這個(gè)增加的壓力會(huì)產(chǎn)生無(wú)關(guān)緊要的信號(hào)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可以用于充油型壓力傳感器。
[0020]圖4是特別地使用本發(fā)明的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的過程流體壓力傳感器的示意性分解圖。層102包括設(shè)置在可偏轉(zhuǎn)隔膜108的內(nèi)表面上的傳感器電容器116。上部電極118、120被設(shè)置為相對(duì)于層102上的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)完成檢測(cè)和參考電容器。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器122優(yōu)選地由諸如鎢之類的高溫金屬構(gòu)成，并且具有1500歐姆的標(biāo)稱電阻。鎢RTD的溫度系數(shù)在5.4歐姆/攝氏度處是相對(duì)線性的。
[0021]圖5是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石壓力傳感器上執(zhí)行診斷的方法的流程圖。方法150包括提供單晶壓力傳感器，該單晶壓力傳感器優(yōu)選地由藍(lán)寶石構(gòu)成，并且具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性，和位于其中的至少一個(gè)電阻元件。方法150在塊152處開始，其中過程流體壓力傳感器被加熱或被暫時(shí)地?zé)釠_擊?？梢允褂萌魏魏线m的熱源施加熱量。優(yōu)選地，使用壓力傳感器內(nèi)的金屬電阻元件作為加熱元件施加熱量。更優(yōu)選地，這個(gè)元件還兼作電阻溫度裝置。功率可以從任何合適的源施加到內(nèi)部電阻元件，合適的源包括廢物提取式變送器電源(scavenged transmitter power)、、諸如超級(jí)電容器或電池之類的內(nèi)部存儲(chǔ)系統(tǒng)、變送器回路電源、外部電源或者其任何組合。在使用超級(jí)電容器的實(shí)施例中，超級(jí)電容器可被連續(xù)充電，或者在診斷測(cè)試順序期間通過分流過量的變送器功率(在靜態(tài)電流和20毫安之間)進(jìn)入電容器而被充電幾分鐘。然后，超級(jí)電容器快速地放電到溫度傳感器中以產(chǎn)生熱脈沖。
[0022]不考慮用于加熱的功率源，當(dāng)施加熱量時(shí)，并且即使在施加熱量以后，如在塊154處所示，過程流體壓力傳感器的至少一個(gè)電特性被監(jiān)測(cè)和/或記錄。所述監(jiān)測(cè)可以包括監(jiān)測(cè)電阻元件的電阻、監(jiān)測(cè)參考電容的電容、監(jiān)測(cè)測(cè)量電容器的電容或它們的任意組合。接著，在塊156處，變送器電子元件，如過程流體壓力變送器的微處理器，根據(jù)監(jiān)測(cè)和/或記錄的傳感器值確定或以其它方式表征傳感器的狀態(tài)，并且提供驗(yàn)證輸出。這可以是在診斷期間在變送器上專門地運(yùn)行的任務(wù)，或者可以是在其它變送器操作期間作為后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行的任務(wù)。傳感器的響應(yīng)的分析可以包括以下分析技術(shù)中的任何一種或全部:測(cè)量輸出信號(hào)的大??；確定信號(hào)的時(shí)間常數(shù)；和/或確定輸出信號(hào)的波形。最后，在塊158處，診斷過程完成，并且壓力傳感器返回到標(biāo)準(zhǔn)操作。
[0023]方法150可以通過在過程通信回路上的通信自動(dòng)地啟動(dòng)、在過程流體壓力變送器被通電時(shí)自動(dòng)地啟動(dòng)或在其后定期地啟動(dòng)、和/或可以由與過程流體壓力變送器的本地用戶接口交互的技術(shù)人員手動(dòng)啟動(dòng)。
[0024]雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不背離在本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面做出改變。
【權(quán)利要求】
1.一種驗(yàn)證單晶壓力傳感器的狀態(tài)的方法，所述方法包括下述步驟: 提供具有電阻元件和壓敏元件的單晶壓力傳感器，該壓敏元件具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性； 將第一輸出連接到壓敏元件； 施加電流通過電阻元件以加熱壓力傳感器； 監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出，以確定壓力傳感器對(duì)熱量的響應(yīng)；和 基于所述響應(yīng)提供驗(yàn)證輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，電阻元件是設(shè)置在壓力傳感器內(nèi)的溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出的步驟包括監(jiān)測(cè)所述第一輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出的步驟還包括監(jiān)測(cè)壓力傳感器的第二輸出，所述第二輸出不具有隨著施加的壓力變化的電特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二輸出被連接到單晶壓力傳感器的參考電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出的步驟包括監(jiān)測(cè)溫度傳感器輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出的步驟包括在施加電流時(shí)監(jiān)測(cè)所述至少一個(gè)輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出的步驟包括在不再施加電流之后立即監(jiān)測(cè)所述至少一個(gè)輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加電流通過電阻元件和監(jiān)測(cè)壓力傳感器的至少一個(gè)輸出的步驟是使用過程流體壓力變送器執(zhí)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，提供驗(yàn)證輸出的步驟由過程流體壓力變送器執(zhí)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將基于藍(lán)寶石的壓力傳感器暴露到不可壓縮的填充流體的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將基于藍(lán)寶石的壓力傳感器暴露到過程流體的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供驗(yàn)證輸出的步驟包括分析所監(jiān)測(cè)的至少一個(gè)輸出的大小。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供驗(yàn)證輸出的步驟包括分析所監(jiān)測(cè)的至少一個(gè)輸出的時(shí)間常數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供驗(yàn)證輸出的步驟包括分析所監(jiān)測(cè)的至少一個(gè)輸出的波形。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，電流由過程流體壓力變送器施加。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，電流是從過程流體壓力變送器電源提取的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，電流由過程流體壓力變送器的內(nèi)部功率存儲(chǔ)系統(tǒng)提供。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，內(nèi)部功率存儲(chǔ)系統(tǒng)包括超級(jí)電容器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述內(nèi)部功率存儲(chǔ)系統(tǒng)包括電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，電流是從過程流體壓力變送器連接到的過程通信回路供給的。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電流是從外部電源施加的。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法由過程流體壓力變送器作為后臺(tái)任務(wù)執(zhí)行。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法響應(yīng)于診斷請(qǐng)求執(zhí)行。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述請(qǐng)求是在過程通信回路上被接收到的。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，所述請(qǐng)求是通過過程流體壓力變送器的本地用戶接口接收的。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述單晶壓力傳感器由藍(lán)寶石構(gòu)成。
28.一種過程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括: 過程流體壓力變送器，具有變送器電子元件，并且被配置為測(cè)量過程流體壓力傳感器的電特性，并且在過程通信回路上提供壓力指示； 單晶過程流體壓力傳感器，連接到過程流體壓力變送器，該過程流體壓力傳感器具有電阻元件和壓敏元件，該壓敏元件具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性，壓敏元件被連接到第一輸出；并且 其中，過程流體壓力變送器包括變送器電子元件，變送器電子元件被配置為施加電流到單晶壓力傳感器的電阻元件、監(jiān)`測(cè)過程流體壓力傳感器對(duì)由電流產(chǎn)生的熱量的電響應(yīng)、并且基于所述電響應(yīng)提供驗(yàn)證輸出。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的過程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)，其中，單晶過程流體壓力傳感器由藍(lán)寶石構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01L27/00GK103575465SQ201210397328
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月8日
【發(fā)明者】羅伯特·C·海德克 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司