具有外部加熱器的壓力變送器的製作方法
2023-05-28 21:32:41 1
專利名稱：具有外部加熱器的壓力變送器的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓力/真空變送器。更具體地說，本發明涉及用在高純度應用中的壓力/真空變送器。
背景技術：
壓力/真空變送器是已知的。這種設備典型地聯接到壓力或真空源；產生根據壓力或真空改變的電特徵；並提供多種電特徵的電錶示，以便操作人員或過程的其它部分能夠了解真空或壓力。
高純度壓力或真空變送器是普通真空或壓力傳感器的很小的子集。這些設備具體適合用於極精密和/或極清潔過程。這些是其中脫離壓力變送器的粒子或甚至從那裡的排氣能夠對整個處理線具有有害影響的過程類型。這種應用的一個實例是半導體加工。
因為多種原因，涉及諸如在半導體工業中的例如材料的沉積或去除(蝕刻)的高純度應用的真空變送器被頻繁加熱。首先，這種真空變送器被加熱以潛在地減小積累在傳感器中的真空傳感器上沉積或蝕刻材料的量。此外，已知真空傳感器和相關部件是溫度敏感的，從而需要變送器的溫度由完全集成的加熱器精確地控制。該集成加熱器保證了真空傳感器和相關部件被保持在精確受控的溫度。
在本領域中，維護真空傳感器和相關部件的精確溫度的集成(或稱為一體的，整體的)加熱器的布置存在許多問題。例如，加熱器的集成特性要求這種設備的供應商和顧客承擔非加熱變送器以及通常覆蓋兩個到三個溫度範圍的加熱的變送器的存貨。這要求有非加熱傳感器的三到四倍存貨，從而產生比如果不需要完全集成加熱器將需要的高得多的存貨。當前設計的另一問題在於當顧客購買真空傳感器時，它們必須決定變送器用到的確切位置並且如果有的話，將需要的加熱水平。非加熱真空傳感器不能簡單地被轉換為加熱傳感器。因此，當前設計對顧客希望應用它們的多種應用是不可擴展的。當前設計的另一問題在於對於給定過程，希望評估真空傳感器在各種溫度加熱效果的用戶必須購買不同傳感器，用於評估的每種溫度。顧客通常可在單個真空傳感器上試用不同加熱器，並指出效果。因此，確定使用哪個傳感器的簡單試圖將通常產生購買一個或多個無用(至少為所述應用)真空傳感器的附加成本，以及在過程期間去除和安裝各種傳感器的附加時間。當前設計的另一問題在於加熱器被集成在與傳感器和電子裝置相同的外殼中。這意味著電子裝置總暴露於較高的溫度，這限制其使用壽命。
發明內容
公開了改進的壓力變送器。所述變送器特別適用於在高純度應用中傳感真空。所述變送器包括連接器；外殼；傳感器部；和設置為用於加熱傳感器部的外部加熱器。在一些實施例中，傳感器部包括由脆性材料構成的傳感器，並且不在傳感器內使用任何填充流體。在另一方面，本發明包括使非加熱高純度真空變送器適合用於加熱用途的組件(或稱為套件，成套用具)。所述組件包括連接器部和聯接到連接器部的加熱器部。所述連接器部還可包括一個或多個指示器。
圖1和2是本發明的實施例特別有用其的高純度真空變送器的簡圖。
圖3是根據現有技術的高純度真空變送器簡略圖。
圖4是為實施本發明實施例的能夠被應用於非加熱高純度真空變送器的組件的簡圖。
圖5是根據本發明的實施例的聯接到外部加熱組件52的高純度真空變送器50的簡圖。
圖6是包括由一對脆性材料基片形成的傳感器60的傳感器部58的簡圖。
圖7是根據本發明的另一實施例的高純度真空變送器系統70的簡圖。
圖8是根據本發明的一個實施例的罩76的放大簡圖；圖9是根據本發明的另一實施例的外部加熱高純度真空變送器系統的簡略圖。
具體實施例方式
圖1和2是本發明的實施例特別有用其的高純度真空變送器的簡略圖。變送器10一般包括傳感器電子裝置外殼12；傳感器部14；過程聯接(或過程聯接器，過程耦合器)16；和電連接器18。過程聯接16通常被聯接到高純度環境中的真空或壓力源，並將真空或壓力源流體地聯接到傳感器部14。模塊14內的壓力傳感器具有隨壓力改變的電特徵。這種壓力傳感器的實例包括，但不限於，可偏振膜電容式傳感器和可偏振膜應變式傳感器。傳感器電子裝置外殼12內的電子裝置電聯接到傳感器部14，以便能夠測量變化的電特徵。外殼12內的附加的電子裝置可執行諸如將電信號轉換為數字表示以及線性化和/或特性化數字輸出的附加功能。此外，電輸出可被配置用於根據諸如HART或FOUNDATIONTMFieldbus協議的任何適合的工業標準過程通信協議的傳送。過程控制系統和/或附加的過程相關設備可被聯接到電連接器18。
圖3顯示了根據現有技術的高純度真空變送器。變送器20與變送器10具有許多類似處，並且類似部件具有類似的標號。變送器20包括設置在傳感器電子外殼12內的傳感器電子裝置22。加熱源24和26被分別熱聯接(或稱為熱耦合)到外殼12和傳感部14。為減小累積在變送器中的真空傳感器上沉積或蝕刻材料的量，加熱源24和26提供熱量。對於傳統設計，由於真空傳感器和相關部件是溫度敏感的，加熱器必須得到極精確的控制以保持變送器的精度。因此，熱源24和26通常與變送器20-起製造，並且集成在變送器20內(即，在變送器20成一體)。這產生了其中完全製造的變送器具有具體溫度範圍的情況。
圖4是為實施本發明的實施例的能夠被應用於高純度壓力變送器的組件的簡圖。組件30通常包括兩部分。首先，組件30包括適合聯接到傳感器部14的加熱部32。在圖4中所示實施例中，加熱部32包括尺寸形成為能夠穿過傳感器部14的外徑的孔34。加熱部32包括能夠採取包括線圈、筒、被蝕刻的跡線等任意適合形式的一個或多個加熱元件35。能夠使用將加熱部32連接到傳感器部14的夾緊和/或其它方法。連接器36經電連接38被電聯接到加熱部32。連接器部36優選地包括電路，以便使用設置在加熱部32的溫度傳感器33計算加熱部32的溫度。此外，連接器部36包括已知的加熱器控制電路(未示出)，以便有選擇地為加熱部32內的加熱元件35提供能量，以將加熱部32保持在升高的溫度。連接器部36和加熱部32之間的電連接38能夠包括任何適合數目的導體。例如，在其中加熱部32包括電加熱元件和溫度敏感元件的實施例中，電連接38將包括適合用於加熱部32內的所有電加熱元件和/或傳感器的導體。
連接器部36優選地被確定尺寸和配置為直接聯接到輸入40處的高純度壓力變送器的連接器18。例如，當連接器18是25針D-微型公連接器時，輸入40將是25針D-微型母連接器。連接器部36也包括輸出42，輸出42優選地配置為模仿連接器18的輸出。在上述實例中，輸出42將是25針D-微型公連接。輸入40和輸出42彼此是公母型的這種布置是優選的。然而，很明顯它們能夠是不同類型的連接。例如，只要適合的連接器彼此被配置並且聯接到輸出42的系統容納所述布置，輸入40能夠是9針D-微型母連接，並且輸出能夠是25針D-微型母連接。
圖5是根據本發明的實施例的聯接到外部加熱組件52的高純度壓力變送器50的簡略圖。包括變送器50和組件52的系統54被認為是根據本發明的實施例的外部加熱高純度真空傳感器系統54。
在這個實施例中，變送器50在至少一個重要方面與傳感器20不同。變送器50包括在下面公開得更全面的改進的傳感器部58。傳感器部58呈現減小的滯後和溫度效果。傳感器部58實現了傳感器部的潛在更少成本的溫度控制，以及分離的傳感器溫度補償。
圖6是包括由一對脆性材料基片62，64形成的傳感器60的典型傳感器部58的簡略圖。這種結構在壓力傳感領域是已知的，並且進一步的信息能夠在授予Frick等的美國專利5,637,802和6,089,097中找到，上述兩個均被授予本發明的申請人。圖6顯示了具有在它們之間形成腔66的上部基片62和下部基片64的傳感器60。圖6顯示了總長度L、厚度T、寬度W、傳感腔的偏轉結構的最小腔寬度w和由於施加的壓力的中央偏轉y。優選地，基片62和64由諸如蘭寶石的單晶體材料形成，並被熔合結合在一起以形成整體結構。換言之，基片62和64之間的結合實質不會有引導錯誤或汙染的外界材料。此外，優選地，傳感器60在沒有作為潛在汙染的另一來源的任何填充流體的情況下操作。
回到圖5，組件52包括設置在變送器50的傳感器部58周圍並被聯接到傳感器50的傳感器部58的加熱部32。除了指示器58，組件52的連接器部56優選地與連接器部36(圖4所示)相同。指示器58被聯接到連接器部36內的電路，以便向外部指示外部加熱組件52和/或高純度壓力變送器50的狀態。在一個實施例中，指示器58是LED。LED能夠用於指示總的系統功率、加熱部32內的加熱元件的加電、期望溫度以下的實際溫度、期望溫度處的實際溫度，和/或超過期望溫度的實際溫度。此外，指示器58可採取任何適合的形式，包括但不局限於顯示當前溫度、設置點和/或告警代碼的數字顯示器。最後，指示器58還能夠被用於指示高純度真空變送器的條件。例如，高純度真空變送器50可被賦予診斷電路/軟體，以便使變送器50能夠判斷它是否有效地操作，或是否它需要修理。這種情況然後被一個或多個指示器58向外部指示。
如圖4和5所示，連接器部36和56優選地具有相同類型的連接(諸如25針D微型)的輸入和輸出，但具有相反性別的輸入和輸出。
圖7是根據本發明的另一實施例的高純度壓力變送器系統70的簡略圖。變送器70包括有點類似於參照圖5描述的組件52的外部電加熱器組件72。然而，組件72的加熱部74與加熱部54的不同之外在於加熱部74包括包著的加熱器傳感器76。加熱器傳感器76由當平放時具有矩形形狀的大體柔性單元形成。加熱器傳感器76包括加熱元件和諸如熱敏電阻、熱耦或RTD的熱敏元件。加熱器傳感器罩76的矩形尺寸為罩76能夠被應用於壓力傳感器部58，並將實質包圍傳感器部58。為了將加熱器罩76固定到傳感器部58，能夠使用任何適合的粘性和/或夾緊裝置。
圖8是根據本發明的一個實施例的罩76的放大簡圖。如所示，罩76適合被放置在傳感器傳感器部58周圍，並且利用粘合劑、夾緊裝置或兩者被固定到傳感器部58上。
圖9是根據本發明的另一實施例的外部加熱高純度真空變送器系統80的簡略圖。系統80包括外部加熱組件82，該外部加熱組件82包括電聯接到連接器部84的加熱罩部76。連接器部84與先前描述的連接器部的不同之外在於連接器部84被確定尺寸以與傳感器電子外殼12具有相同的外部尺寸(諸如直徑)。連接器部84提供了用於其中電路的附加空間。優選地，連接器部84包括一對實質相同的連接器，其中輸入和輸出連接器具有相反的性別。如所示，連接器部84優選地包括一個或多個緊固件86(諸如螺釘)，這確保了連接器部84能夠被緊固地固定到傳感器電子裝置外殼12。連接器部84還包括多個指示器58，以提供如上所述的指示。指示器58被顯示在圖9中，且被設置在連接器部84的頂部表面88。然而，指示器58能夠被設置在任何適合的位置。
在壓力傳送器的傳感器部附近使用加熱器/傳感器組件具有許多益處。首先，如果它發生故障，組件能夠被去除並被替換。此外，不同加熱器傳感器組件能夠被快速和容易地相互交換，以適合多種應用和溫度範圍。例如，一個組件可用於高溫；另一組件可用於高熱功率要求；並且另一組件可用於極精確的熱控制。因此，一個組件可被用於第一溫度範圍，同時第二組件可用於第二溫度範圍。第一和第二範圍可重疊，但它們無需重疊。因此，組件的選擇能夠提供寬的可擴展性。
雖然本發明是參考優選實施進行描述的，但本領域中的技術人員將會意識到在不離開本發明的精神和範圍的情況下，可以做一些形式與細節的變動。例如，當本發明的實施例通常專注於在高純度環境中傳感真空，本發明的實施例也能夠與其中變送器受到由膨脹氣體產生的JouleThompson冷卻的氣體壓力變送器一起使用。
權利要求
1.一種壓力變送器，包括連接器；傳感器電子裝置外殼；傳感器部，所述傳感器部具有形成在其中的傳感器並被聯接到傳感器電子裝置外殼；和外部加熱器，所述外部加熱器被設置在傳感器部周圍以提高傳感器部的溫度。
2.根據權利要求1所述的變送器，其中所述傳感器由單晶材料形成。
3.根據權利要求1所述的變送器，其中所述傳感器被熔合結合。
4.根據權利要求1所述變送器，進一步包括具有輸入和輸出的可去除連接器部，所述輸入被聯接到變送器的連接器。
5.根據權利要求1所述變送器，進一步包括設置在連接器部內並聯接到外部加熱器的加熱器控制電路。
6.根據權利要求5所述變送器，進一步包括溫度傳感器，所述溫度傳感器被聯接到加熱器控制電路且被設置用於傳感傳感器部的溫度。
7.根據權利要求4所述的變送器，其中外部加熱器被聯接到傳感器電子裝置外殼外部的連接器部。
8.根據權利要求4所述的變送器，其中輸入和輸出是相同類型的連接，但性別彼此相反。
9.根據權利要求4所述的變送器，其中所述連接器部包括至少一個指示器。
10.根據權利要求9所述的變送器，其中所述至少一個指示器包括LED。
11.根據權利要求1所述的變送器，其中所述外部加熱器包括孔，所述孔的尺寸被確定為能夠穿過傳感器部。
12.根據權利要求1所述的變送器，其中所述外部加熱器包括用於傳感傳感器部的溫度的溫度傳感器。
13.根據權利要求1所述的變送器，其中所述外部加熱器包括被固定到傳感器部的加熱器罩。
14.根據權利要求13所述的變送器，其中所述加熱器罩包括用於傳感傳感器部的溫度的溫度傳感器。
15.根據權利要求1所述的變送器，其中所述變送器是傳感真空的高純度傳感器。
16.根據權利要求1所述的變送器，其中所述傳感器由脆性材料形成。
17.根據權利要求1所述的變送器，其中外部加熱器可更換以改變變送器的工作溫度範圍。
18.根據權利要求1所述的變送器，其中所述外部加熱器包括至少一個加熱元件。
19.根據權利要求18所述的變送器，其中所述至少一個加熱元件是線圈。
20.根據權利要求18所述的變送器，其中所述至少一個加熱元件是蝕刻的跡線。
21.一種用於外部加熱壓力變送器的傳感器部的組件，所述組件包括加熱器部，所述加熱器部尺寸被確定以便外部地固定到壓力傳感器的傳感器部；和連接器部，所述連接器部被聯接到加熱器部並適於有選擇地為加熱器提供能量，以將加熱器部保持在升高的溫度。
22.根據權利要求21所述的組件，其中所述加熱器部包括孔，所述孔的尺寸被確定為能夠穿過壓力傳感器的傳感器部。
23.根據權利要求21所述的組件，其中所述加熱器部還包括聯接到連接器部的溫度傳感器。
24.根據權利要求21所述的組件，其中所述加熱器部包括適於固定到傳感器部的外部表面的加熱器罩。
25.根據權利要求24所述的組件，其中所述加熱器罩包括聯接到連接器部的溫度傳感器。
26.根據權利要求21所述的組件，其中所述連接器部包括輸入和輸出，其中所述輸入和輸出是相同類型的連接，但彼此性別相反。
27.根據權利要求21所述的組件，其中所述連接器部包括至少一個指示器。
28.根據權利要求21所述的組件，其中所述壓力傳感器是高純度真空傳感器。
29.一種用於外部加熱壓力變送器的傳感器部的多個組件，所述多個組件包括第一組件，所述第一組件包括第一組件加熱器部，所述第一組件加熱器部的尺寸被確定以便外部地固定到壓力變送器的傳感器部；和第一組件連接器部，所述第一組件連接器部被聯接到第一組件加熱器部，並適於有選擇地為第一組件加熱器提供能量，以將第一組件加熱器部保持在第一溫度範圍內的升高的溫度；和第二組件，所述第二組件包括第二組件加熱器部，所述第二組件加熱器部的尺寸被確定以便外部地固定到壓力變送器的傳感器部；和第二組件連接器部，所述第二組件連接器部被聯接到第二組件加熱器部，並適合有選擇地為第二組件加熱器提供能量，以將第二組件加熱器部保持在第二溫度範圍內的升高的溫度。
30.根據權利要求29所述的多個組件，其中第一和第二溫度範圍不重疊。
31.一種操作具有連接器部和傳感器部的壓力變送器的方法，所述方法包括提供電加熱器；和設置電加熱器以便加熱傳感器部的外部表面。
32.一種壓力變送器，包括連接器；傳感器電子裝置外殼；傳感器部，所述傳感器部具有形成在其中的傳感器，並被聯接到傳感器電子裝置外殼；和用於加熱傳感器部的裝置。
全文摘要
本發明公開了改進的壓力變送器(50，70，80)。所述變送器(50，70，80)包括連接器；外殼；傳感器部(58)；和設置用於加熱傳感器部(58)的外部加熱器(32，76)。在一些方面，傳感器部(58)包括由脆性材料構成，並且不在傳感器內使用任何填充流體。另一方面，本發明包括適於加熱用途的非加熱高純度真空變送器(10)的組件(30，52，72，82)。所述組件(30，52，72，82)包括連接器部(36，84)和聯接到連接器部(36，84)的加熱器部(32，76)。連接器部(36，84)還可包括一個或多個指示器(58)。
文檔編號G01L19/06GK1969174SQ200580019560
公開日2007年5月23日 申請日期2005年4月25日 優先權日2004年7月16日
發明者威斯利·E·桑德, 克裡斯蒂·A·諾德, 弗雷德·C·西特勒, 約翰·麥金泰 申請人:羅斯蒙德公司