專利名稱：用于壓力變送器的改進(jìn)的鐵磁流體填充流體的制作方法
用于壓力變送器的改進(jìn)的鐵磁流體填充流體本發(fā)明一般地涉及用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的過程儀器。更具體地說，本發(fā)明涉及油填充過程變送器，諸如具有電容式壓力傳感器的壓力變送器。
背景技術(shù)：
過程儀器用于監(jiān)控在工業(yè)生產(chǎn)過程中所用的過程流體的諸如壓力、溫度、流量和水平的過程參數(shù)。例如，過程變送器通常在多個位置處應(yīng)用在工業(yè)制造設(shè)施中以沿著各種生產(chǎn)線監(jiān)控各種過程參數(shù)。過程變送器包括響應(yīng)于過程參數(shù)中的物理變化產(chǎn)生電輸出的傳感器。例如，壓力變送器包括電容式壓力傳感器，產(chǎn)生作為諸如水管線、化學(xué)罐或類似物的過程流體的壓力的函數(shù)的電輸出。每個過程變送器還包括變送器電子元件，用于接收和處理傳感器的電輸出，使變送器和過程參數(shù)可以在本地或遠(yuǎn)程監(jiān)測。本地監(jiān)測的變送器包括顯示器，諸如LCD屏幕，顯示在過程變送器現(xiàn)場的電輸出。遠(yuǎn)程監(jiān)測的變送器包括電子元件，在控制回路或網(wǎng)絡(luò)上傳送電輸出到諸如控制室的中央監(jiān)控位置。如此配置，過程參數(shù)可以通過包括自動開關(guān)、閥門、泵和其它相似元件在控制回路中從控制室調(diào)節(jié)。使用在壓力變送器中的典型的電容式壓力傳感器包括固定的電極板和可動電極板，其通常包括柔性傳感膜片。傳感膜片通過連通過程流體壓力到傳感器的簡單液壓系統(tǒng)連接到過程流體。該液壓系統(tǒng)包括密封的通道，傳感膜片在密封的通道中被定位在第一端處，并且柔性隔離膜片定位在第二端處以接合過程流體。密封通道填充有精確數(shù)量的液壓流體，在過程流體影響隔離膜片時，液壓流體調(diào)整傳感膜片的位置。在過程流體的壓力變化時，傳感膜片的位置變化，導(dǎo)致壓力傳感器的電容變化。該壓力傳感器的電輸出與電容相關(guān)，并且因而在過程流體壓力變化時改變。壓力傳感器的電容由三個主要因素控制:電極板的表面面積、電極板之間的距離和電極板之間物質(zhì)，典型地，液壓流體，的介電常數(shù)的大小。通常期望生產(chǎn)盡可能小的壓力傳感器，使得它們可以在更多應(yīng)用中使用。電極之間的間距的下限由電容器適當(dāng)作用的能力限制。板的表面面積的下限取決于壓力傳感器產(chǎn)生具有與變送器電子元件兼容的最小強(qiáng)度的信號的所需。間距和表面積參數(shù)也限于制造公差。板之間物質(zhì)的介電常數(shù)由與液壓系統(tǒng)是兼容的填充流體的類型限制。因此，需要具有更高電容的電容式壓力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
用于測量過程流體的壓力的壓力變送器，包括:變送器殼體、壓力傳感器、液壓中繼系統(tǒng)、鐵磁流體和變送器電子元件。基于電容的壓力傳感器感測過程流體的壓力和被布置在殼體內(nèi)。液壓中繼系統(tǒng)包括定位在變送器殼體的外部的隔離膜片，和從壓力傳感器延伸到第一隔離膜片的第一隔離管。鐵磁流體定位在第一隔離管中，以傳送在第一隔離膜片處的過程流體的壓力的變化到傳感器。變送器電子元件定位在殼體內(nèi)，并且被配置為接收和調(diào)節(jié)來自壓力傳感器的壓力信號。


圖1示出包括壓力變送器的過程控制系統(tǒng)，其中使用本發(fā)明的改進(jìn)的鐵磁流體填充流體。圖2是圖1的壓力變送器的示意性側(cè)視圖，包括配置用于壓差測量的電容式壓力傳感器。圖3是圖2的壓力變送器使用的壓差模塊的透視圖。圖4示出圖3的壓差模塊的隔離管，具有包裹在磁屏蔽中的電磁鐵。圖5示出施加磁場到具有改進(jìn)的鐵磁流體填充流體的壓力傳感器與壓力傳感器的電容和由壓力傳感器產(chǎn)生的信號的關(guān)聯(lián)的曲線圖。
具體實施例方式圖1示出其中使用本發(fā)明的過程變送器12的過程控制系統(tǒng)10。過程控制系統(tǒng)10包括過程變送器12、管道14、控制室16和控制回路18?？刂剖?6包括通信系統(tǒng)20和電源22。在本實施例中，過程變送器12通過過程法蘭24和歧管26與管道14連接，過程流體在管道14中流動。過程變送器12包括過程傳感器和用于基于過程流體的檢測到的壓力產(chǎn)生電信號的變送器電路。過程變送器12還包括其他電器元件，用于在控制回路18上傳輸電信號到控制室16或諸如LCD屏幕的本地顯示器，或兩者。在一個實施例中，過程變送器12是用于在4_20mA回路上操作的兩線式變送器。在這樣一個實施例中，控制回路18包括一對導(dǎo)線，用于從電源22供給能量到過程變送器12。控制回路18還能夠使控制室16利用通信系統(tǒng)20傳送數(shù)據(jù)到過程變送器12和從過程變送器12接收數(shù)據(jù)。典型地，4毫安直流電流提供足夠用于操作過程變送器12的傳感器和變送器電路和任何本地顯示器的能量。在其它實施例中，過程變送器12與控制室16在無線網(wǎng)絡(luò)上通信。變送器12包括填充有鐵磁流體的液壓系統(tǒng)，如參照圖2所討論，鐵磁流體改變壓力傳感器內(nèi)的流體的介電常數(shù)以增加傳感器的電容。圖2示出包括變送器電子元件28和電容式壓力傳感器30的壓力變送器12，電容式壓力傳感器30在本發(fā)明的一個實施例中包括具有由鐵磁流體組成的填充流體的差壓傳感器。過程變送器12還包括液壓隔離管38A和38B、殼體40、模塊42、底座44和IXD 45。傳感器30感測壓差P1-P2的物理變化。傳感器30通過電纜46與變送器電路28電子通信。電路28調(diào)節(jié)傳感器30的輸出到與控制回路18兼容的格式，從而使輸出中繼用于在連接到電子設(shè)備28的IXD 45處本地監(jiān)測，或通過控制回路18連接到控制室16 (圖1)。在其它實施例中，變送器電路28通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在另一些實施例中，傳感器30的被調(diào)節(jié)的輸出通過手持式裝置可讀，手持式裝置與壓力變送器12有線或無線鏈接?？梢岳斫?，本發(fā)明可以在使用填充流體以隔離壓力傳感器的各種壓力傳感器中實現(xiàn)。隔離管38A和38B允許壓力傳感器30與變送器12的外部接觸。隔離管38A和38B連接傳感器30到隔離膜片52A和52B。隔離膜片52A和52B被安裝到底座44的平坦外表面，與過程法蘭24 (圖1)連接。在一個實施例中，過程法蘭24包括C0PLANAR 過程法蘭。傳感器30響應(yīng)于壓差P1-P2產(chǎn)生電子信號的換能器。在本實施例中，傳感器30包括差分式基于電容的壓力電池，包括傳感膜片58、第一電極板60A和第二電極板60B。傳感器30通過在定位在模塊42內(nèi)的隔離管38A和38B內(nèi)的填充流體A液壓耦合到底座44上的膜片52A和52B。隔離膜片52A和52B的液壓耦合到過程流體壓力Pl和P2。與壓力Pl和P2相關(guān)的作用力通過填充流體A從隔離膜片52A和52B傳送到傳感膜片58，使得在隔離管38A和38B中的壓力分別與壓力Pl和P2相同。由此，通過填充流體A在傳感器30的傳感膜片58上產(chǎn)生壓差P1-P2。填充流體A填充傳感器30以圍繞傳感膜片58，并且占據(jù)傳感膜片58與電極板60A和60B之間的空間。因此，壓力傳感器30的電容直接地關(guān)系到填充流體A的介電常數(shù)。填充流體A是一種膠體混合物，包括具有懸浮的鐵磁顆粒的載體流體。鐵磁顆粒允許變送器12的診斷測試。此外，鐵磁顆粒增強(qiáng)傳感器元件30的性能和介電特性。在本實施例中，傳感膜片58典型地包括在電極板60A和60B之間設(shè)置的圓形的、不銹鋼盤，電極板60A和60B典型地包括圓形、金屬涂層，涂層沉積在傳感器30的內(nèi)部的彎曲表面上以與膜片58相對。傳感膜片58夾緊在彎曲表面的外周之間，使得傳感膜片58能夠在電極板60A和60B之間彎曲。因此,傳感器30包括三個電隔離金屬板,布置為兩個電容器串聯(lián)，形成具有寬度和直徑的大致圓柱形傳感器。在膜片58的曲率由于通過填充流體A呈現(xiàn)的壓力Pl和P2中的變化而改變時，膜片58和第一電極板60A之間的電容以及膜片58和第二電極板60B之間的電容變化。膜片58與電極板60A或60B的一個之間的電容將增加，而另一個將降低。由于壓力變化引起的每個電容器的電容的變化由變送器電路28測量，作為壓力Pl和P2之間的壓差的大小的變化的指示。一般來說，電容器的電容指示存儲在包括電容器的電極板上的能量的數(shù)量。如等式(I)中所示，電容C與電極板的面積Ap以及在電極板之間的材料的介電常數(shù)ε成正比，并且與電極板之間的距離X成反比:C= ε Αρ/Χ等式(I) 對于電容式壓力傳感器中，由壓力傳感器產(chǎn)生的信號的輸出強(qiáng)度由存儲在電容器上的電荷確定。在傳感器30中，第一電容器由傳感膜片58和第一電極板60Α形成,第二電容器由傳感膜片58和第二電極板60Β形成。必須有足夠的電荷存儲在第一和第二電容器上，使得傳感器30能夠解析非常小的壓力變化。典型地，電容式壓力傳感器具有約60皮法(PF)的滿標(biāo)度(fullscale)電容。介電材料的介電常數(shù)ε由所選擇的填充流體固定。第一和第二電容器的尺寸也固定用于給定設(shè)計，約束傳感器30的板的區(qū)域ΑΡ。典型地，由于填充流體所需的力學(xué)性能要求，填充流體的介電常數(shù)ε已經(jīng)被限制成小量級。例如，填充流體必須大致不可壓縮，使得填充流體能夠有效和準(zhǔn)確地傳遞壓力。例如，在傳感器30中，填充流體A必須是能夠在偏轉(zhuǎn)沒有被壓縮填充流體A完全吸收的情況下，將膜片52Α的非常小的偏轉(zhuǎn)傳送至傳感膜片58。填充流體也必須是穩(wěn)定的并且大致是惰性的，以防止與其他傳感器元件反應(yīng)。例如，在傳感器30中，填補(bǔ)流體A必須不能與傳感膜片58和電極板60Α反應(yīng)。填充流體也必須在寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮作用，并且具有理想的毒性和可燃性特性。滿足這些要求的填充流體典型地包括硅氧烷油液壓流體，諸如DC 200 、DC 704 或Syl therm XLT 硅氧烷油，如在商業(yè)上可從DowCorningCorporation,Midland,MI, USA獲得。在其它實施例中，類似的液壓流體可以使用，諸如來自 Halocarbon Products Corporation, River Edge, NJ, USA 的Halocarbon 或者來自 Stepan Company,Northfield, IL,USA 的Neobee M-200。在其它實施例中，填充流體A可以補(bǔ)充有額外的添加劑。例如，在需要的時候，泄漏檢測和預(yù)防添加劑可以包含在填充流體組合物中。在本發(fā)明中,填充流體包括鐵磁流體。鐵磁流體包括載體流體,具有納米級鐵磁顆粒的膠體混合物，鐵磁顆粒賦予載體流體順磁性，同時增加在磁化和非磁化狀態(tài)兩者中的載體流體的介電常數(shù)。鐵磁顆粒不會沉淀出載體流體以及沿著鐵磁顆粒被散布的通道和毛細(xì)血管堆積。鐵磁顆粒足夠小，使得布朗運動保持顆粒懸浮在載體流體中。典型的鐵磁顆粒的直徑在約100埃(10納米)級別或更小。鐵磁顆粒可以是任何磁性顆粒，諸如鐵或鐵合金。鐵磁流體中使用的典型的顆粒涂覆有分散劑，或表面活性劑，如在是本領(lǐng)域中已知的，例如油酸。表面活性劑可以防止顆粒在載體流體內(nèi)的附聚或凝結(jié)。表面活性劑保持顆粒間隔距離比可以由范德華力或吸引力克服的距離更大。表面活性劑附加地在顆粒和載體流體之間提供屏障，從而防止不希望的反應(yīng)。此外，鐵磁顆粒是惰性的，從而鐵磁顆粒將不會與載體流體反應(yīng)，并且將不會以不希望的方式改變載體流體的屬性。然而，鐵磁顆粒對填充流體的整體性能做出貢獻(xiàn)，在量上與載體流體和鐵磁顆粒體積的體積分布成比例。也就是說，具有50% (體積)的載體流體和50% (體積)鐵磁顆粒的填充流體將具有的電子和機(jī)械性能(例如介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù))是載體流體和鐵磁顆粒的平均的電子和機(jī)械性能。然而，為了保持填充流體的壓力傳遞的能力，優(yōu)選地，鐵磁顆粒包括從約5%至約20%的填充流體。在第一實施例中，載體流體包括傳統(tǒng)的填充流體，如上述的液壓流體或有機(jī)的化合物的流體，并且簡單混合有鐵磁顆粒。在第二實施例中，傳統(tǒng)的填充流體通過預(yù)配制的鐵磁流體代替，預(yù)配制的鐵磁流體具有混入專門選擇用于鐵磁顆粒的載體流體的鐵磁顆粒。受讓給FerrotecCorporation的美國專利N0.7, 063, 802公開鐵磁流體,包括烴基或娃基載體流體，使用各種不同的鐵磁顆粒，諸如磁鐵礦，其為鐵素體，和磁赤鐵礦，其為氧化鐵。受讓給Ferrotec Corporation的美國專利N0.4, 356, 098公開鐵磁流體包括聚娃氧燒油載體和鐵磁顆粒，諸如磁鐵礦、Fe3O4和a Fe2O3。這種鐵磁流體適合用于本發(fā)明。具有高介電常數(shù)的鐵磁顆粒用來增加傳感器30的信號。大量鐵磁顆粒懸浮在填充流體A中以增加壓力膜片58和電容器板60Α和60Β之間的材料的介電常數(shù)。因此，可用于存儲在傳感器30中的電荷量隨著介電常數(shù)增大而增加。如果包括傳感器的電容器能夠存儲更多的能量，傳感器30能夠產(chǎn)生更明顯的信號用于較小的壓力變化。因此，具有高介電常數(shù)的鐵磁顆?？梢员惶砑拥教畛淞黧wA以增加傳感器30的靈敏度。此外，從設(shè)計的角度來看，形成傳感器30的電容極板的尺寸可以減少，以保持壓力傳感器30的剩余電容信號。通過將磁場施加到填充流體Α，傳感器30的電容進(jìn)一步增加。磁流體的膠體混合物保持不受磁場的施加的影響。這就是說，盡管存在磁場，鐵磁顆粒保持懸浮在載體流體中。然而，磁場聚集鐵磁顆粒以增加流體的介電常數(shù)。然而，載體流體被在磁場中的鐵磁顆粒的存在影響，并且在磁場的影響下改變屬性。磁場增加載體流體的粘度到成為粘彈性固體的點。磁場的施加和作為結(jié)果的載體流體的屬性變化以形成粘彈性固體也可以潛在地用于診斷諸如由隔離膜片52Α、隔離管38Α和傳感膜片58和傳感器30形成的液壓系統(tǒng)的性倉泛。圖3示出使用在圖2的差壓變送器12內(nèi)的壓力傳感器30和模塊42的一個實施例的透視圖。壓力傳感器30被布置在變送器12的模塊42內(nèi)的底座44上。壓力傳感器30包括隔離管38A、隔離管38B、傳感膜片58、第一電極板60A、第二電極板60B、第一電磁鐵61A、第二電磁鐵61B、第一單元半部62A、第二單元半部62B、第一絕緣體64A、第二絕緣體64B、第一傳感器引線66A和第二傳感器引線66B。電磁鐵6IA和6IB供電以磁化包括填充的流體A的鐵磁流體以增加傳感器30的電容。模塊42和底部44典型地鑄造和加工成整塊，模塊42主要地包括用于保持傳感器30的中空腔。模塊42和底座44 一起提供框架，該框架允許膜片52A和52B通過隔離管38A和38B與傳感器30進(jìn)行通信。底座44包括孔68，使得變送器12可以連接到法蘭47或一些其他過程連接。模塊42包括螺紋70，用于與變送器12中的殼體40連接。底座44還包括埋頭孔，連同隔離膜片52A和52B分別地形成隔離室72A和72B。隔離室72A和72B分別由設(shè)置在底座44中的孔74A和74B與隔離管38A和38B連接。隔離管38A和38B典型地包括焊接到基座44和單元半部62A和62B的不銹鋼管段。隔離管38A和38B分別地連接有絕緣件64A和64B，絕緣件64A和64B分別地設(shè)置在傳感器單元半部62A和62B內(nèi)的孔76A和76B中。絕緣件64A和64B包括電極60A和60B分別地沉積在其上的杯形平臺。在單元半部62A和62B被裝配以形成在傳感器30內(nèi)的內(nèi)部腔室78時，杯形平臺配合。絕緣件64A和64B由任何合適的絕緣材料組成，例如玻璃或陶瓷。絕緣件64A和64B包括孔，該孔延伸通過到內(nèi)部空腔78，使得隔離管38A和38B連接隔離室72A和72B與內(nèi)部腔體78。傳感膜片58設(shè)置在內(nèi)部腔室78內(nèi)的單元半部62A和62B之間，使得膜片58與電極60A和60B相對。典型地，膜片58和電極板60A和60B包括耐腐蝕材料。電極60A和60B分別地連接到引線66A和66B，引線66A和66B分別地延伸穿過絕緣體64A和64B，并且在開口 80A和80B處退出單元半部62A和62B。引線66A和66B被連接到電路板82，電路板82包括各種傳感器電子元件84。電路板82通過帶狀電纜46連接到殼體40內(nèi)的變送器電子元件28。傳感膜片58在焊縫85處接合到的單元半部62A和單元半部62B。這樣配置,傳感膜片58和電極60A和60B包括傳感器30內(nèi)的第一和第二電容器。當(dāng)壓力Pl和P2作用在傳感膜片58時，每個電容器產(chǎn)生電信號。壓力傳感器30因此產(chǎn)生雙電容信號，這有助于減少由傳感器30產(chǎn)生的錯誤。填充流體A，在包括上述鐵磁流體時，增加填充流體A的介電常數(shù)ε在常規(guī)填充流體的介電常數(shù)之上。傳統(tǒng)的液壓流體具有約2的介電常數(shù)ε。磁流體以類似的方式增加填充流體的極化率和偶極矩，如其他填充流體添加劑(諸如洗滌劑和抗氧化劑)所做，其增加電介質(zhì)常數(shù)ε到約6至約10。增加的介電常數(shù)的特定幅度的變化取決于懸浮在膠體混合物中的鐵磁顆粒的比例。在本發(fā)明的各種實施例中，不同的電介質(zhì)常數(shù)的鐵磁流體可以使用在每個隔離管38Α和38Β來區(qū)分從各電極60Α和60Β到壓力傳感器信號的貢獻(xiàn)。鐵磁流體從而增加傳感器30的電容超過使用標(biāo)準(zhǔn)
1.25英寸直徑壓力傳感器實現(xiàn)的典型的約60pF到300pF。電磁鐵61A和61B被用于進(jìn)一步增加傳感器30的電容。例如，來自變送器電路28或電路板82的電力通過如圖4所示的適當(dāng)?shù)呐渚€被傳遞到在電磁鐵61A和61B內(nèi)的磁性線圈。圖4示出圖3的電磁鐵61A的一個實施例。電磁鐵裝置61A包括圍繞隔離管38A同心地纏繞的線圈繞組86、屏蔽套88和芯套筒90。引線92A和92B連接線圈繞組86到電路板82(圖3)。屏蔽套88在圖4中剖視顯示，以顯示芯套筒90和線圈繞組86。如圖3中所示，電磁鐵61A延伸只跨過隔離管38A的一部分。然而，在其他實施例中，芯套筒90、線圈繞組86和屏蔽套88可以延伸跨過隔離管38A的整個長度，或沿著單元半部62A和底座44之間的隔離管38A的長度。在其它實施例中，電磁鐵被定位在殼體40內(nèi)的任何位置中，只要電磁鐵磁靠近填充流體。也就是說，電磁鐵必須被定位，以使其能夠以磁性地影響填充流體。而在本發(fā)明的其他實施例中，具有已知的磁場強(qiáng)度的永磁體可以施加到殼體40的外部以激活鐵磁顆粒。在本發(fā)明的一個實施例中，隔離管38A包括0.065英寸(約0.165厘米)直徑不銹鋼管。線圈繞組86可以包括作為市售任何合適的金屬絲。在一個實施例中，繞組86包括通常用于生產(chǎn)電磁鐵的銅線。芯套筒90包括諸如軟鐵的鐵磁材料層，其具有高的磁導(dǎo)率μ。在其它實施例中，隔離管38Α作為芯或沒有使用芯。屏蔽套88圍繞線圈繞組86以及芯套筒90定位以防止外界磁場影響線圈繞組86。此外，需要磁屏蔽以防止外界與在隔離管38Α內(nèi)的鐵磁流體干擾。在一個實施例中，屏蔽套88包括金屬材料的網(wǎng)狀套筒。因此，屏蔽套筒88提供對外部磁場的屏障，但允許由線圈繞組86所產(chǎn)生的磁場穿透隔離管38Α。在本發(fā)明的其他實施例中，變送器殼體40提供足夠的屏蔽給線圈繞組86。殼體40提供由磁材料組成的封閉容器，磁材料具有足夠高的磁導(dǎo)率，以抑制與外部磁場的干擾。特別地，殼體40由鑄件316不銹鋼制成，這導(dǎo)致鋼有某種程度的保留的鐵素體。保留的鐵素體的磁性吸引外部的磁場以提供磁通路徑，該磁通路徑與隔離管38Α內(nèi)的填充流體通路不相交。根據(jù)本實施例，引線92Α和92Β從電路板82獲得電能。通過導(dǎo)線92Α和92Β的電流的流動產(chǎn)生磁場。磁場由于芯套筒90的存在而增強(qiáng)。產(chǎn)生的電磁場激勵在載體流體中的鐵磁顆粒，引起鐵磁顆粒形成聚集。聚集的粒子增加隔離管38Α內(nèi)的填充流體A的介電常數(shù)ε。使用礦物油和Fe3O4的鐵磁顆粒的載體流體，測試已經(jīng)表明，相比于在沒有磁場時，被施加到鐵磁流體時所施加的磁場形成約2至約3微米長的聚集，增加介電常數(shù)ε約20%。介電常數(shù)增加20%將產(chǎn)生在傳感器30的輸出信號中20%的增長。這種公知的比例可以用于診斷傳感器30的性能。施加磁場以填充流體會產(chǎn)生壓力傳感器的信號的階躍增加，獨立于傳感器的壓力范圍，階躍增加可以根據(jù)所施加的磁場強(qiáng)度變化。如果所施加的磁場強(qiáng)度和信號強(qiáng)度的相應(yīng)階躍增加提前已知，關(guān)系可以被用來作為診斷工具，以評估傳感器30的可操作性。關(guān)系也可以用來作為校準(zhǔn)檢查。圖5示出曲線圖，使到具有鐵磁流體作為填充流體A的壓力傳感器30的磁場H施加與壓力傳感器30的電容C和由壓力傳感器30產(chǎn)生的信號S相關(guān)聯(lián)。如圖所示，在曲線圖的左手側(cè)，在零時間時磁場為零。若干秒后在時刻t處，磁場H施加到壓力傳感器30，使得磁場H經(jīng)受增加的高斯，AG。相應(yīng)地，在時間t處，傳感器30的電容C增大到C+X，其中X等于以皮法表示的某一增加，ApF,且傳感器30的信號S增加到S+Y，其中Y等于信號的某一增加Al。電容C表示傳感器30比傳統(tǒng)的填充流體改進(jìn)的電容，使得，其中Ctl是常規(guī)的液壓流體的電容而電容由于強(qiáng)磁性納米粒子的存在的增加。電容X中的增加和信號Y中的增加保持一段時間Z，其中Z等于幾秒Λ s的某一增加，在該點處的電容C和信號S返回預(yù)磁化水平。電容X的增加和信號Y的增加可以通過簡單地重新施加相同的磁場H而再生。X和Y的大小可以在不同的時間間隔處或在相同的時間間隔之內(nèi)通過改變磁場強(qiáng)度而變化。電容C的增加幾乎瞬間發(fā)生，并且只要施加磁場H，在增加的水平C+X保持恒定。當(dāng)磁場H終止，電容C幾乎是瞬間返回到其在時間零處的水平。同樣地，信號S幾乎在磁場H的施加和終止的情況下分別瞬間增大和減小。然而，信號S在時間t經(jīng)歷進(jìn)一步的、瞬時增加，該進(jìn)一步的、瞬時增加由由于從鐵磁流體中的鐵磁顆粒的磁化所產(chǎn)生的壓力增加Λ P的鐵磁流體的形狀改變特性所引起。圖5還示出標(biāo)記為ΛΡ的這種效果，類似于通過壓電材料的形狀改變屬性產(chǎn)生壓力脈沖。因此使用鐵磁流體作為填充流體導(dǎo)致三種效果:1)由于增加流體的介電常數(shù)，固定增加電容信號，2)由于通過施加磁場增加流體的介電常數(shù)，電容信號可控增加，和3)在磁場施加時的瞬間壓力脈沖ΛΡ。介電常數(shù)和瞬時壓力脈沖的可控增加可以被用于評估和診斷傳感器30的操作。由磁場H產(chǎn)生的壓力ΛΡ被施加到懸浮在填充流體中的鐵磁顆?？梢杂糜诜治鰤毫鞲衅?0、變送器12和過程控制系統(tǒng)10的其他情況。信號的增加S+Y和壓力Λ P的形狀和磁場H的已知強(qiáng)度可以是預(yù)先確定并且存儲在用于變送器12的設(shè)置配置的變送器電子元件28中。來自磁場H的施加的壓力的被感測變化可以與壓力ΛΡ存儲值進(jìn)行比較以診斷系統(tǒng)條件。例如，檢測到的壓力的大小可能大于壓力Δ P的大小，表示過程連接堵塞，其中膜片52Α被抑制移動使得傳感膜片58被偏轉(zhuǎn)比預(yù)期更大的量。檢測到的壓力的大小可以小于壓力ΛΡ的大小，表示傳感膜片58破裂，從而在填充流體內(nèi)的壓力不產(chǎn)生或很少變化。有時，填充流體有可能泄漏出感測系統(tǒng)。如此，傳感膜片將不會移動或檢測壓力Λ P的變化。同樣地，如果液壓系統(tǒng)被不正確地填充以及空氣密封在傳感器系統(tǒng)內(nèi)，空氣將在壓力ΛΡ下壓縮。因此，響應(yīng)于到電磁鐵裝置的脈沖功率輸入的平坦線壓力輸出，可以指示液壓系統(tǒng)有泄漏(低的填充流體水平)、過程連接斷開或空氣存在。這種平坦線壓力輸出也可以指示過程連接斷開，其中，過程流體的壓力變化導(dǎo)致壓力信號沒有可見的變化。這種關(guān)系是已知的，并且在美國專利7，918，134和美國專利申請公開號2010/0083731中描述，以上兩個專利受讓給羅斯蒙特股份有限公司。另外，可以在利用諸如液位指示器的液壓系統(tǒng)的其他類型工業(yè)過程變送器中進(jìn)行類似的診斷程序。變送器電路28可以使用變化的磁場強(qiáng)度來校準(zhǔn)傳感器30的輸出。例如，使用進(jìn)入電磁鐵裝置61Α的一系列功率輸入以在壓力信號輸出中產(chǎn)生一組相應(yīng)的階躍增加。功率脈沖產(chǎn)生不同強(qiáng)度的磁場，不同強(qiáng)度的磁場增加填充流體的介電常數(shù)到不同的水平，介電常數(shù)不同水平的增加增加傳感器30的電容到不同水平。不同水平的電容相應(yīng)地產(chǎn)生壓力傳感器信號輸出的電流上的增加。由于功率輸入、磁場強(qiáng)度、介電常數(shù)和電容之間已知的關(guān)系，最終得到的傳感器信號輸出的大小的變化應(yīng)該對應(yīng)于輸入功率的大小的變化。壓力信號輸出的大小的變化隨著電容的大小的變化線性地變化。磁場強(qiáng)度的大小基于線圈和鐵心的尺寸已知。因此，通過使用已知的功率脈沖引起系列磁場，產(chǎn)生的壓力信號響應(yīng)可以與預(yù)期的壓力響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，以驗證該壓力傳感器被正確地校準(zhǔn)。如果壓力信號響應(yīng)不符合預(yù)期的關(guān)系或曲線，表明壓力傳感器沒有校準(zhǔn)。預(yù)期壓力響應(yīng)數(shù)據(jù)被存儲在連接到變送器電路28或電路板82的存儲器中。在本發(fā)明的其他實施例中，代替提供功率輸入到電磁鐵，具有已知磁場強(qiáng)度的永磁體可以施加到殼體40上的基準(zhǔn)位置，以引起傳感器30的電容的增加。在這樣的配置中，有利的，在每個隔離管38Α和38Β中提供不同濃度的鐵磁流體以方便磁場的施加。例如，其中一個隔離管可以位于進(jìn)一步遠(yuǎn)離殼體的壁的殼體40內(nèi)，使之更難以被施加永磁體的磁場。從永磁體到每一個隔離管的距離差可以通過改變在每個隔離管中的鐵磁顆粒的量偏置。如在先前描述的實施例的情況，施加具有已知磁場強(qiáng)度的永磁體應(yīng)在健康的、正常運轉(zhuǎn)的壓力傳感器和變送器中產(chǎn)生已知的預(yù)定的響應(yīng)。
增加的電容允許更多的可調(diào)范圍和更好的信號噪聲比。例如，典型的變送器可以從測量0in/H20到1000in/H20 (約250千帕)降至0in/H20到100in/H20 (約25千帕)范圍。在于100in/H20處，仍然有足夠的信號以提供足夠性能。然而，在本發(fā)明的增加的電容的情況下，由于可用的額外信號，變送器可以范圍下降到例如50in/H20 (約12.5千帕)。雖然已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出各種改變，并且等同物可以代替其元件。此外，可以進(jìn)行許多修改以使特定的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，而沒有脫離其實質(zhì)范圍。因此，期望本發(fā)明不局限于披露的特定的實施例，而是本發(fā)明將包括落入所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于測量過程流體的壓力的壓力變送器，所述壓力變送器包括: 變送器殼體； 壓力傳感器，用于感測過程流體的壓力，所述壓力傳感器設(shè)置在所述變送器殼體內(nèi)； 液壓中繼系統(tǒng)，包括: 第一隔離膜片，定位在變送器殼體的外部；和 第一隔離管，從壓力傳感器延伸到第一隔離膜片； 第一鐵磁流體，定位在第一隔離管中，用于將第一隔離膜片處的過程流體的壓力的變化傳送到傳感器；以及 變送器電子元件，定位在變送器殼體內(nèi)，變送器電子元件被配置為接收和調(diào)節(jié)來自壓力傳感器的壓力信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中:第一鐵磁流體包括: 載體流體；和 第一體積的鐵磁顆粒，懸浮在載體流體內(nèi)，用于改變壓力傳感器填充流體的屬性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力變送器，其中:鐵磁顆粒涂覆有表面活性劑以防止結(jié)塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力變送器，其中:載體流體選自礦物油和硅酮油組成的組中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力變送器，其中:鐵磁顆粒選自Fe3CV^ Fe2O3、磁鐵礦和磁赤鐵礦組成的組中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力變送器，其中:鐵磁顆粒增加載體流體的介電常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力變送器，其中:所述鐵磁流體包括懸浮在載體流體內(nèi)從而形成順磁流體的鐵磁顆粒的膠體溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中:液壓中繼系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 第二隔離膜片，定位在變送器殼體的外部； 第二隔離管，從壓力傳感器延伸到所述第二隔離膜片；以及 第二鐵磁流體，設(shè)置在第二隔離管內(nèi)，第二鐵磁流體具有與第一鐵磁流體不同的鐵磁顆粒濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，進(jìn)一步包括: 電磁鐵，在適當(dāng)位置耦合到壓力變送器以便能夠施加磁場到液壓中繼系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力變送器，其中:電磁鐵包括: 鐵磁性芯，圍繞第一隔離管纏繞；和 導(dǎo)電線圈，圍繞鐵磁性芯纏繞并且電耦合到變送器電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓力變送器，進(jìn)一步包括: 圍繞導(dǎo)電線圈纏繞的磁屏蔽。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中:所述變送器殼體包括鐵磁材料，以便對第一鐵磁流體提供磁屏蔽。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中:壓力傳感器包括基于電容的壓力傳感器。
14.一種用于診斷在工業(yè)過程變送器中壓力傳感器的性能的方法，所述方法包括步驟:通過具有鐵磁流體的液壓系統(tǒng)施加流體壓力到壓力傳感器以產(chǎn)生表示被檢測到的壓力的壓力信號； 施加磁場到鐵磁流體，以引起壓力傳感器的電容變化； 監(jiān)測壓力傳感器的壓力信號輸出響應(yīng)于磁場的施加的變化；和 基于壓力信號輸出和磁場診斷工業(yè)過程變送器的性能。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括步驟:比較磁場的磁場強(qiáng)度與壓力信號輸出的階躍增加的大小。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括步驟: 基于比較磁場強(qiáng)度與壓力信號輸出的階躍增加的大小產(chǎn)生診斷信號；以及 在連接到變送器內(nèi)的電路的控制回路上通信診斷信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中:所述診斷信號與存儲在變送器中的預(yù)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中:所述的診斷壓力傳感器的性能的步驟包括:檢查壓力傳感器的校準(zhǔn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中:施加磁場到鐵磁流體的步驟包括: 靠近鐵磁流體放置永磁體。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中:施加磁場到鐵磁流體的步驟包括: 傳送來自變送器電子元件的功率輸入到耦合到液壓系統(tǒng)的電磁鐵。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中:診斷壓力傳感器的性能的步驟包括:比較功率輸入與壓力信號輸出。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中:施加磁場到鐵磁流體的步驟還包括改變磁場的場強(qiáng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中:施加磁場到鐵磁流體的步驟還包括在鐵磁流體內(nèi)產(chǎn)生影響壓力信號輸出的壓力脈沖。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中:通過比較響應(yīng)于壓力脈沖的壓力信號輸出的預(yù)期變化與壓力信號輸出的實際響應(yīng)產(chǎn)生診斷測試結(jié)果。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中:診斷工業(yè)過程變送器的性能的步驟包括在磁場不產(chǎn)生壓力信號輸出的變化或產(chǎn)生能夠忽略不計的壓力信號輸出的變化時，確定在填充流體中存在空氣或氣體、隔離膜片破裂、填充流體不足或過程連接斷開。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中:所述診斷的工業(yè)過程變送器的性能的步驟包括:在壓力信號輸出的實際響應(yīng)大于壓力信號輸出的預(yù)期變化時確定過程連接堵塞。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中:所述診斷工業(yè)過程變送器的性能的步驟包括:在壓力信號輸出的實際響應(yīng)小于壓力信號輸出的預(yù)期變化時，確定傳感器膜片損壞。
28.一種壓力傳感器,包括: 單元體,所述單元體包括: 內(nèi)部空腔； 傳感膜片，設(shè)置在所述內(nèi)部空腔的內(nèi)部以將內(nèi)部空腔劃分成第一腔室和第二腔室； 第一內(nèi)表面，在第一腔室內(nèi)，面向傳感膜片；以及 第二內(nèi)表面，在第二腔室內(nèi)，面向傳感膜片；第一電極，設(shè)置在第一內(nèi)表面上，以與傳感膜片形成第一電容器； 第二電極，設(shè)置在第二內(nèi)表面上，以與傳感膜片形成第二電容器；以及 填充流體，設(shè)置在所述第一腔室和第二腔室內(nèi)，所述填充流體包括: 載體流體；和 一定體積的鐵磁顆粒，懸浮在載體流體內(nèi)，用于改變壓力傳感器填充流體的屬性。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的壓力傳感器，其中: 載體流體選自礦物油和硅酮油組成的組中； 鐵磁顆粒選自Fe304、aFe203、磁鐵礦和磁赤鐵礦組成的組中； 其中:所述鐵磁顆粒涂覆油酸表面活性劑，以防止結(jié)塊。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的壓力傳感器，進(jìn)一步包括: 第一引線，從第一電極延伸到單元體的外部； 第二引線，從第二電極延伸到單元體的外部； 第一絕緣體，定位在所述第一腔室內(nèi)，以包括第一內(nèi)部表面； 第二絕緣體，定位在所述第二腔室內(nèi)，以包括第二內(nèi)部表面； 第一隔離管，具有連接到第一腔室的第一端和打開到單元體的外部的第二端；以及 第二隔離管，具有連接到第二腔室的第一端和打開到單元體的外部的第二端； 其中，填充流體包括: 第一鐵磁流體，設(shè)置在第一隔離管中；和 第二鐵磁流體，設(shè)置在第二隔離管中。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的壓力傳感器，其中:所述第二鐵磁流體具有與第一鐵磁流體不同的介電常數(shù)。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的壓力傳感器，還包括: 第一電磁鐵，磁靠近第一隔離管；和 第二電磁鐵，磁靠近第二隔離管。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的壓力傳感器，其中:第一電磁鐵和第二電磁鐵每一個都包括: 鐵磁芯層，圍繞隔離管纏繞；和 導(dǎo)電線圈，圍繞鐵磁芯層纏繞。
34.根據(jù)權(quán)利要求32 所述的壓力傳感器，包括: 磁屏蔽，保護(hù)第一電磁鐵和第二電磁鐵免受外部磁場。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于測量過程流體的壓力的壓力變送器，包括變送器殼體、壓力傳感器、液壓中繼系統(tǒng)、鐵磁流體和變送器電子元件。基于電容的壓力傳感器感測過程流體的壓力和被布置在殼體內(nèi)。液壓中繼系統(tǒng)包括定位在變送器殼體的外部的隔離膜片，和從壓力傳感器延伸到第一隔離膜片的第一隔離管。鐵磁流體定位在第一隔離管中，以傳送在第一隔離膜片處的過程流體的壓力的變化到傳感器。變送器電子元件定位在殼體內(nèi)，并且被配置為接收和調(diào)節(jié)來自壓力傳感器的壓力信號。
文檔編號G01L19/00GK103148976SQ20121045863
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者羅伯特·卡爾·海德克 申請人:羅斯蒙德公司