背景技術：

工業(yè)過程控制系統(tǒng)被用于監(jiān)測和控制生產(chǎn)或傳輸諸如過程流體等的材料的工業(yè)過程。在此種系統(tǒng)中，典型地，測量諸如溫度、壓力、流量和其他的過程變量是重要的。過程控制變送器被用于測量此種過程變量并且將與所測量的過程變量相關的信息傳輸回諸如中心控制室的中心位置。

一種類型的過程變量變送器是壓力變送器，該壓力變送器測量過程流體的一種或多種壓力(諸如，表壓或絕對壓力)，并且提供與所測量的壓力相關的輸出。壓力變送器被構造為典型地經(jīng)由有線過程通信回路將壓力信息傳輸回控制室或其他適當?shù)难b置。然而，可以替代地使用或也使用諸如無線通信技術等的其他技術。

過程壓力變送器一般地使用壓力傳感器感測壓力，該壓力傳感器被流體地聯(lián)接到隔離膜片。該隔離膜片將壓力傳感器與正被感測的過程流體隔開。能夠是高腐蝕性和/或高溫的過程流體因此被保持為與壓力傳感器隔開，從而避免對壓力傳感器的腐蝕或損壞。使用諸如硅油等的基本上不可壓縮、惰性填充流體將壓力從隔離膜片傳送到壓力傳感器。壓力傳感器自身具有諸如感測膜片的物理結構，該感測膜片諸如通過變形對壓力作出反應。壓力傳感器也包括電結構，諸如對物理變形作出反應的應變計或電容板或電極。例如，一些已知的壓力傳感器具有可偏轉膜片，該可偏轉膜片承載電容板或電極，使得膜的偏轉產(chǎn)生傳感器的電容的改變。另外其他的壓力傳感器采用電阻式應變計結構，該結構被設置在易碎的可變形硅基板上。隨著硅基板響應于壓力而變形，應變計的電阻改變。

現(xiàn)有的壓力變送器的限制中的一個是其對超高壓的潛在敏感性。因為，基于隔離器的變送器使用基本上不可壓縮的流體將壓力感測元件聯(lián)接到過程流體或氣體，該填充流體在超壓事件期間將高壓傳輸?shù)礁袦y元件。這能夠導致傳感器的故障。此外，即使在超壓不會立即導致傳感器故障的情況下，由于較高超壓的重復偏離能夠隨著時間而劣化壓力傳感器并且影響其性能。

技術實現(xiàn)要素：

提供一種過程流體壓力變送器。該過程流體壓力變送器包括壓力傳感器，其具有響應于壓力傳感器的變形而改變的電特性，該壓力傳感器響應于壓力而變形。測量電路被聯(lián)接到壓力傳感器并且被構造為提供電特性的指示。隔離膜片被構造為接觸過程流體并且響應于過程流體壓力而變形?；静豢蓧嚎s的填充流體將隔離膜片與壓力傳感器流體地聯(lián)接。超壓順應結構被聯(lián)接到填充流體并且被構造為在低壓下基本剛性，但是在高壓下能夠足夠變形以使得隔離膜片能夠使其自身就坐，或者“從底部回升”，因此防止另外的壓力到達壓力傳感器。

附圖說明

圖1示出了對于本發(fā)明的實施例而言尤其有用的示例性過程流體壓力變送器。

圖2是對于本發(fā)明的實施例而言尤其有用的示例性壓力變送器的方框圖。

圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術的壓力傳感器模塊的示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的壓力傳感器模塊的剖視圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有對超壓事件的提高彈性的壓力傳感器模塊的示意性剖視圖。

圖6a和6b分別是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的填充流體路線通道的、順應插件的外部部分的示意頂部俯視圖和側視圖。

圖7a和7b分別是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有填充流體路線通道的順應插件的內(nèi)部視圖的頂部俯視圖和側視圖。

圖8a示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在非超壓狀態(tài)下被設置在腔體中的順應插件。

圖8b示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在超壓狀態(tài)下被設置在腔體中的順應插件。

圖9a和9b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的順應插件在正常操作壓力和超壓狀態(tài)下的操作。

具體實施方式

圖1示出了對于本發(fā)明的實施例而言尤其有用的示例性過程流體壓力變送器12。過程控制或測量系統(tǒng)10包括被聯(lián)接到過程管道14的壓力變送器12，該過程管道14承載過程流體16。過程流體16向壓力變送器12施加壓力p。壓力變送器12例如在雙線過程控制回路20上向諸如控制室22的遠程位置提供輸出。過程控制回路20能夠根據(jù)任何適當?shù)倪^程通信協(xié)議而操作。在一個構造中，過程控制回路20包括雙線過程控制回路，在該回路中，模擬電流強度被用于體現(xiàn)與過程壓力p有關的“過程變量”。在另一示例實施例中，過程控制回路20承載與過程壓力p相關的數(shù)字值。此種協(xié)議的示例包括可尋址遠程傳感器高速通道或foundationtm現(xiàn)場總線通信協(xié)議。另一示例過程控制回路包括諸如根據(jù)iec62591的無線通信鏈路。在此種構造中，元件20表示變送器12和過程控制室22之間的無線通信鏈路。

變送器12包括壓力傳感器(在該示例中，壓力傳感器管芯)40，該壓力傳感器40能夠根據(jù)任何適當?shù)募夹g操作。示例性技術包括微機械加工構造，例如，該微機械加工構造具有如下的元件，該元件具有響應于施加的壓力而改變的電特性。過程聯(lián)接件42將變送器12的主體或殼體18聯(lián)接到過程管道14。這允許過程壓力p被施加到變送器12的隔離膜片50。壓力p使得膜片50偏轉，該偏轉通過通路52中的諸如硅油的填充流體傳輸?shù)綁毫鞲衅?0。因此，隔離膜片50具有接觸過程流體的第一側和接觸填充流體的相反側。通路52延伸通過壓力傳感器模塊54，該模塊也支撐壓力傳感器40。壓力傳感器40向測量電路62提供電輸出60。測量電路62連接到端子板70，該端子板被聯(lián)接到過程控制回路20。在一個示例性構造中，過程控制回路20也被用于向變送器12的諸如測量電路62的電路提供電力。

圖2是壓力變送器12的方框圖。壓力變送器12包括電力模塊150和回路通信器152，電力模塊150和回路通信器152中的每一個都被聯(lián)接到過程控制回路20。在一個實施例中，電力模塊150從回路20接收能量，并且將電力提供到壓力變送器12的所有部件。回路通信器152被聯(lián)接到控制器156，從而回路通信器152向控制器156提供數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)指示接收自回路20的過程通信信號。相反地，回路通信器152能夠接收來自控制器156的數(shù)據(jù)并且在回路20上生成適當?shù)倪^程通信信號。

回路通信器152能夠是任何適當?shù)难b置，該裝置適于根據(jù)過程通信工業(yè)標準協(xié)議在過程通信回路20上生成適當?shù)男盘?。此種過程工業(yè)通信協(xié)議的適當示例包括如上所述的那些。另外，至少在一些實施例中，變送器12依靠電力模塊150和回路通信模塊152之間的協(xié)作，能夠在與變送器12從其接收電力的通信介質相同的通信介質上通信。根據(jù)該應用，回路通信器152可以是或者包括無線收發(fā)器，該無線收發(fā)器適于根據(jù)包括如前所述的任何適當?shù)臒o線通信協(xié)議通信。

控制器156是任何適當?shù)难b置，該裝置能夠執(zhí)行一系列程序指令以提供控制或監(jiān)測功能。在一個實施例中，控制器156是微處理器?？刂破?56被聯(lián)接到測量電路62，該測量電路62被聯(lián)接到傳感器40。測量電路62包括適當?shù)碾娐芬詼y量傳感器40的一個或多個可變電特性，并且向控制器156提供指示過程流體壓力的數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，測量電路62包括至少一個數(shù)模轉換器，該數(shù)模轉換器適于將壓力傳感器40的電容或電阻轉換為被傳輸?shù)娇刂破?56的數(shù)字數(shù)據(jù)。

圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術的壓力傳感器模塊100的示意圖。壓力傳感器模塊100一般地包括主體102，該主體102由諸如不銹鋼的金屬形成并且具有在其中延伸的填充流體通路52。填充流體通路52流體地聯(lián)接到腔體106，該腔體106可以填充有基本上不可壓縮的填充流體，諸如硅油。因此，在一些環(huán)境下，陶瓷盤204被設置在腔體106中。陶瓷盤具有與填充流體和金屬主體102的熱膨脹系數(shù)不同的熱膨脹系數(shù)。陶瓷盤204和其關聯(lián)的熱膨脹/收縮有助于抵消主體102和填充流體的熱膨脹/收縮的改變。以此方式，陶瓷盤204可以用于補償用于溫度效應的壓力變送器。壓力傳感器40被聯(lián)接到腔體106并且響應于腔體106中的壓力而偏轉。到壓力傳感器40的電觸點被制作為通過頂蓋104，該頂蓋104被機械地附接到主體102。如圖3所示，壓力p被聯(lián)接到隔離膜片50。因此，作用在隔離膜片50上的壓力p生成膜片50的移動，該膜片50通過通路52中的填充流體將關聯(lián)的壓力傳輸?shù)角惑w106。在如圖3所示的裝置中，當超壓狀態(tài)出現(xiàn)時，由于通過填充流體而傳輸?shù)某繅毫Χ軌驌p壞或破壞傳感器40。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，較剛硬或非撓性的結構被設置，當在選定閾值的壓力下或者在低于該閾值的壓力下操作時，較剛硬或非撓性的結構保持固定，但是在比選定閾值高時變得撓性。在一個示例中，選定閾值可以比所期望測量的最大壓力高25％。因此，當壓力變送器在標稱設計范圍內(nèi)操作時，結構是基本剛性的。因此，隔離膜片的偏轉使得填充流體產(chǎn)生經(jīng)過通路的相關移動，并且在聯(lián)接到壓力傳感器的腔體中產(chǎn)生相關的壓力。然而，在過程流體壓力超過選定閾值的情況下，本來剛性的結構將變得順應環(huán)境或者偏轉，從而填充流體不會逆著相對柔弱的壓力傳感器傳遞否則會是損壞流體的移位。本發(fā)明的實施例將針對于兩個不同的實施例描述，各個實施例提供此種超壓順應結構。在一個實施例中，該順應結構是較撓性的，直到達到設定的壓力閾值，并且在另一實施例中，結構是連續(xù)順應的，但是在較低壓力下是足夠小的，以不會影響傳感器的正常操作。容易看出，能夠使用其他適當結構以及這些適當結構的組合來實現(xiàn)本發(fā)明的替代實施例。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的壓力傳感器模塊的剖視圖。壓力傳感器模塊200分別包括上部分201和下部分202。部分201、201被焊接在一起或者以其他方式適當?shù)乇还潭ǖ奖舜恕Ｔ谌鐖D4所示的實施例中，剛硬的撓性膜片208被安裝在第一部分201和第二部分202之間的空間中。雖然術語“剛硬的撓性膜片”似乎自相矛盾，但是事實上是對其功能的非常合適的說明。具體地，對于選定閾值下的壓力或者比選定閾值(諸如，壓力變送器的范圍上限值的1.2倍)低的壓力，膜片50基本是剛性的。因此，在此種情況下，隔離膜片50的彎曲將產(chǎn)生填充流體經(jīng)過通路209并且進入到通路211中的移動，該通路211被聯(lián)接到通路210并且最終被流體地聯(lián)接到腔207和壓力傳感器206。因此，對于選定閾值下的壓力或者比選定閾值低的壓力，隔離膜片50的特定量的彎曲將產(chǎn)生填充流體經(jīng)過通路210的相關移動，并且因此被壓力傳感器206轉換或以其他方式測量。

然而，當過程流體壓力超過選定閾值(諸如，壓力變送器的范圍上限值的1.2倍)時，剛硬的撓性膜片208將彎曲并且因此生成更多可用的油體積，從而允許隔離件在不增加傳感器上的壓力的情況下進一步移位。以此方式，與當不存在超壓時填充流體的響應于隔離膜片50的移動而流動的量相比，流過通路210的填充流體的量將是較恒定的。因此，最終施加到壓力傳感器206的壓力被限定，并且因此壓力傳感器206免受超壓事件的影響。因此，壓力傳感器206將更加容易承受超壓事件。在足夠高的壓力下(例如，范圍上限值的2-3倍)，隔離膜片50抵靠第二部分202固定停止(即，從底部回升)，從而另外的壓力僅僅增大對入口腔體的沖擊，即，隔離膜片50的表面和連接器和殼體202的下部之間的焊接部，因此消除了高超壓對觸感器206的影響。這有助于維持傳感器206可用性和計量特征以及增大變送器的可用時間和可靠性。隨著超壓事件消退，剛硬的撓性膜片208將恢復到其原始位置，并且因此在遭受來自超壓狀態(tài)的損壞的情況下變送器能夠繼續(xù)提供壓力讀數(shù)。

如圖4所示，提供一對流體體積。第一填充流體體積被設置成靠近隔離膜片50，并且通過通路209、211、210和最終的填充腔體207。第一流體體積能夠通過通道211被填充，該通道211的端部215然后能夠被密封。注意，在如圖4所示的實施例中，腔體207也基本上被陶瓷盤204填充，該陶瓷盤204如上所述可以提供溫度補償作用。第二流體體積被設置在剛硬的撓性膜片208的與第一填充流體體積相反的一側上。第二填充流體通過端口213被填充或以其他方式被提供，該端口213隨后被密封或焊接封閉。第二填充流體在膜片208的相反側被包含在第二腔體中從而允許膜片在超壓情況下彎曲。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的、示出具有對超壓事件的提高彈性的壓力傳感器模塊的另一實施例的示意性剖視圖。模塊300包括聯(lián)接到頂蓋304的主體302，該頂蓋304支撐壓力傳感器306。在如圖5所示的實施例中，壓力傳感器模塊300提供表壓力測量，其中作用在隔離膜片50上的壓力參照經(jīng)由通風孔308而提供的大氣壓力。與參考圖4所示的實施例不同，壓力傳感器模塊300不包括剛硬的撓性膜片。替代地，在腔室310中，中空結構312被設置以替代陶瓷插件，諸如插件204(如圖4所示)。順應插件312能夠被放置在現(xiàn)有技術的壓力傳感器模塊的適當?shù)那惑w中，由此允許此種傳統(tǒng)裝置利用本發(fā)明的實施例。另外或替代地，順應插件312也能夠被設置在如圖4所示的實施例的腔室207中，從而提供進一步的超壓順應彈性。因為順應插件312替代現(xiàn)有技術陶瓷盤204，所以重要的是在一些實施例中，順應插件312具有與被替代的陶瓷盤的熱膨脹特性相同或類似的熱膨脹特性。滿足此種需求的金屬的適當示例包括鐵鎳合金，諸如nispan-c合金902，可從康乃迪克州的紐黑文市的ulbrichstainlesssteelsandspecialmetals，inc.購得。另外，雖然本發(fā)明的一些實施例提供作為中空金屬罐的順應插件312，但是只要此結構具有足夠的壓縮性，則在使用適當?shù)捻槕腆w結構的情況下能夠實施實施例。事實上，在順應插件312由諸如聚合物或泡沫陶瓷等的非金屬材料制成的情況下，能夠實施實施例。

在正常的操作壓力下有限地變形的情況下，順應插件312能夠響應于壓力而彈性地變形?；诓牧线x擇、壁厚和內(nèi)部壓力，順應插件312在高壓下將充分地變形，從而增大用于填充流體的可用體積，由此允許隔離膜片50從底部回升以抵靠主體302。一旦從底部回升，壓力的進一步增大將不能創(chuàng)建額外的填充流體壓縮，由此防止過大的壓力到達更加脆性的壓力傳感器306。由于順應插件312在壓力的作用下的變形而引起的有效填充流體體積的增大，足以允許隔離膜片50在比壓力傳感器306的最大額定值低的壓力下從底部回升。然而，由于順應插件的變形而引起的有效填充流體體積的增大不應當太大以使得隔離膜片在傳感器306的最低溫度和最大工作壓力下從底部回升。進一步地，順應插件312中的最大應力應當被保持為比形成順應插件312的材料在導致隔離件從底部回升的最大壓力下的彎曲水平更低。以此方式，順應插件312將不能響應于超壓事件而維持塑性變形，而是替代地一旦超壓事件結束則將恢復到其原始形狀和體積。

圖6a和6b分別是根據(jù)本發(fā)明的實施例的順應插件312的外部部分的示例頂部俯視圖和側視圖。如圖所示，順應插件312一般地具有圓形外直徑314和在中心318和外直徑314之間延伸的油道316。如圖5b所示，油道316一般地不能經(jīng)過順應插件312，而是替代地在順應插件312的外表面周圍行進。因為順應插件312可以尺寸規(guī)定為基本填充腔體310，所以油道312是有用的。當發(fā)生此種事件時，油道318提供從填充流體通路320到腔體310的靠近壓力傳感器306的一部分的路徑。

圖7a和7b分別是順應插件312的內(nèi)部視圖的頂部俯視圖和側試圖。圖7a、7b以及圖6a、6b之間的主要不同是內(nèi)部體積322的描述。該內(nèi)部體積322被密封。因此，順應插件312一般地被制作為具有特定的內(nèi)部壓力。然而，該特定的內(nèi)部壓力按照需要能夠是真空或者適當?shù)牡蛪?。順應插?12的壁厚以及材料選擇和順應插件312的內(nèi)部壓力和施加的外部壓力之間的差壓將導致順應插件312的可選擇的變形量。

圖8a示出了非超壓條件下的順應插件312。當壓力增加到變送器的最大操作壓力之上時，順應插件312經(jīng)受足夠的變形以增大腔體310中的用于填充流體的可用體積。圖8b示出了該條件。此外，圖9a和9b分別示出了在隔離件沒有從底部回升的正常操作壓力期間以及順應插件已經(jīng)充分地變形從而隔離件已經(jīng)完全從底部回升的超壓事件期間，順應插件的操作。

本文中說明的本發(fā)明的實施例一般地提供用于壓力變送器的增大的超壓彈性。此種實施例能夠被用于壓力變送器，該壓力變送器提供絕對壓力測量、表壓測量、差壓測量或它們的任何組合。另外，雖然已經(jīng)說明了兩種不同的實施例，但是通過組合不同的實施例以及使用響應于超壓事件提供順應性的其他物理設置，清楚地可以想到額外的實施例。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選的實施例說明了本發(fā)明，但是本領域的技術人員將意識到在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的基礎上可以對形式和細節(jié)做出改變。