過程流體壓力變送器中的改進的壓差傳感器隔離裝置的製作方法

2023-04-24 12:38:51 3

專利名稱：過程流體壓力變送器中的改進的壓差傳感器隔離裝置的製作方法
過程流體壓力變送器中的改進的壓差傳感器隔離裝置
背景技術：
過程變送器通常包括響應於過程變量的轉換器或傳感器。過程變量通常涉及物質的物理或化學狀態或者能量的轉換。過程變量的例子包括壓力、溫度、流量、傳導性、PH值 和其它性質。壓力被認為是基本過程變量，在於它可以用來測量流量、水平甚至溫度。壓力變送器通常用在工業過程中，用於測量和監測各種工業過程流體(如化合 物、紙漿、石油、氣體、藥物、食物和其它流體類型處理工廠的漿體、液體、蒸汽和氣體)的壓 力。壓差變送器通常包括一對過程壓力流體輸入裝置，其可操作地連接至響應於所述兩個 輸入裝置之間的壓力差的(在變送器內的)壓差傳感器。壓差變送器典型地包括可操作地 連接至一對隔離隔膜的壓差傳感器。隔離隔膜設置在過程流體入口處，並將壓差傳感器與 被感測的令人難受的過程流體隔離開。壓力通過基本不能壓縮的填充流體從過程流體傳遞 至壓差傳感器，所述填充流體在從隔離隔膜延伸至壓差傳感器的通路中被運載。壓差傳感器通常包括可移動的隔膜，該隔膜具有連接至第一壓力的第一側和連接 至第二壓力的第二側。壓力之間的差在可移動的隔膜上產生淨位移。該隔膜具有電特性， 如隨著所述位移變化的電容或電阻。隨後可以監測或測量所述電特性，作為壓力差的指示。 壓差傳感器在許多應用中是有用的。然而，通常在測量過程流體流量的應用中發現它們。 在這些應用中，壓差產生裝置設置在過程流體導管(如管道)內，並且流過產生裝置的流體 流量產生壓力差。跨過產生裝置產生的壓力差隨後在數學上與通過導管的過程流體流量相 關。雖然依賴於過程流體流量、粘性、密度等，壓力差本身可以為任何大小，在導管內 的過程流體的實際管線壓力可以獨立於壓力差進行改變。例如，流過小的障礙的具有相對 低的密度的過程流體僅可以產生小的壓力差。然而，流動導管內的整個壓力可能非常大。因 此，壓力差感測系統通常指定可以轉換的最大壓力差，以及該系統可以面對的最大管線壓 力。這種系統通常被設計，用於調節超出最大規定管線壓力的至少一部分壓力偏移。這些 偏移通常稱為過壓事件。這種壓力差系統響應於這樣的過壓事件並從這樣的過壓事件恢復 的方式是極其重要。例如，如果過壓事件使感測系統內的過程流體接頭破裂或損壞，則破壞 該感測系統繼續工作的能力。此外，如果在壓差感測系統內出現塑性變形，則會從該點將來 開始引入系統錯誤，這種錯誤將影響所有的後續壓力差測量。這種系統的過壓事件可能會導致傳感器的可移動隔膜完全接合感測室的壁。在這 種情況中，壓差傳感器的內部本身在過壓事件期間完全承受管線壓力。雖然這明顯是不期 望的，但對半導體基壓力傳感器更是不被期望的。這些半導體基壓差傳感器典型地採用易 碎材料，如半導體材料，並且由半導體材料層堆疊而成。它們通常結合在一起形成整個傳感 器，但已知的是這種傳感器不能夠在層界面上承受非常大的張力。具有對過壓情況更好的響應的過程流體壓差變送器將推動感測壓差過程流體的 技術向前發展。此外，這種變送器可以允許在要求更苛刻的應用中工作，和/或提供較長的 工作壽命。

發明內容
一種壓差變送器，包括第一過程流體入口和第二過程流體入口。壓差傳感器設置在該變送器內，並具有第一傳感器入口和第二傳感器入口。第一隔離隔膜靠近所述第一過 程流體入口設置，並且通過第一填充流體體積可操作地連接至所述第一傳感器入口。第二 隔離隔膜靠近所述第二過程流體入口設置，並且通過第二填充流體體積可操作地連接至所 述第二傳感器入口。測量電路可操作地連接至所述壓差傳感器，並且被配置用於測量所述 傳感器的電學參數並提供所測量的參數的指示。第三流體體積基本上包圍所述壓差傳感 器。第三流體體積將壓縮力施加到所述壓差傳感器上。


圖1為連接至法蘭的示例性壓力變送器的示意圖。圖2為在本發明的實施例一起使用的壓差變送器環境的截面圖。圖3為根據本發明的實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。圖4為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。圖5為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。圖6為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。圖7為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。
具體實施例方式本發明實施例的至少一些方面來源於對現有技術的壓差感測系統在所述系統響應於過壓事件且從過壓事件恢復的方式上的不足的獨特理解。採用半導體基壓差傳感器的 壓差變送器(如採用高性能微機電系統(MEMS)壓差傳感器的這些壓差變送器)在它們的 最終性能規格方面受限於用來消除這樣的傳感器上的全部管線壓力限制和過壓要求的油 隔離技術。這種要求通常包括非常大的油體積，用於浸沒傳感器且允許隔離隔膜工作。隔 離隔膜本身具有溫度和壓力滯後現象以及不重複性。除了壓力傳感器本身的誤差之外，這 些誤差總是存在的。為了避免將壓差傳感器浸沒在油中，增強壓差傳感器本身的嘗試包括 使用夾持部件。然而，這種夾持部件通常會產生誤差。夾持部件在傳感器中產生壓力和溫 度滯後。而且，來自感測機構的誤差量通常直接與和感測機構物理接觸量成比例。如將在下文中更詳細地闡述的，本發明的各個實施例通常將壓差傳感器密封在獨 立體積的填充流體內。所公開的各種實施例提供了解決過壓事件的不同方案，以及管線壓 力和/或工作溫度變化的測量和補償。圖1圖示了所公開的實施例所使用的示例性壓力變送器100。壓力變送器100通 常包括連接至傳感器主體106的變送器主體104，其中傳感器主體106還連接至隔離組件 108，該隔離組件108最終連接至法蘭或歧管102。可替換地，變送器主體104和傳感器主體 106可以形成為一體的設備。在圖1中，法蘭102為CoPlanar 型產品。CoPlanar 類型產 品包括法蘭102，該法蘭102接通出入的過程流體，相對於與過程流體一致的法蘭。這種法 蘭是明尼蘇達州的查哈森市的羅斯蒙德公司所銷售的商標為Model 305和306的歧管。然 而，所述實施例可以與採用用於接收過程流體的其它類型的接頭的其它類型的法蘭或歧管 一起使用。
法蘭102包括一對過程流體入口 110和112以及一對出口組件114和116。過程 流體入口 110和112允許壓力變送器100測量過程流體的壓力差(或儀表壓力)。圖2圖示了連接至法蘭或歧管202的壓力變送器200的截面圖。壓力變送器200 包括變送器主體204和傳感器主體206。變送器主體204和傳感器主體206由相同的材料 製成。典型地，傳感器主體206由諸如316or316L不鏽鋼之類的可鑄合金形成。變送器主體 204可以由鋁或不鏽鋼形成。傳感器主體206構造為容納壓差傳感器214和隔離組件208。 變送器主體204構造為容納變送器電路218。傳感器214經由引線220連接至變送器電路 218。變送器電路218在通信鏈路上發送與過程流體的壓力相關的信息(例如圖2中圖示 的變送器輸出)。例如，變送器電路218可以在兩個有線通信電路(如在4-20mA電流迴路 或過程控制工業標準HART 或Fieldbus迴路)上發送與過程流體的壓力差相關的信息。 壓力變送器200可以通過它在通信電路上的連接由控制器供電。可替換地或另外地，變送 器200可以採用無線網絡。壓力傳感器214通常測量法蘭202的第一入口 210中的壓力Pl和法蘭202的第 二入口 212中的壓力P2之間的壓力差。壓力Pl通過第一通路222連接至壓力傳感器214。 壓力P2通過第二通路224連接至壓力傳感器214。第一通路222從壓力變送器200中的 第一開口 226延伸至壓力傳感器214，並穿過第一傳感器安裝管227。第二通路224從壓力 變送器200中的第二開口 228延伸至壓力傳感器214，並穿過第二傳感器安裝管229。通路 222和224填充有相對不能壓縮的填充流體，如油、矽油、甘油和水、丙二醇和水、或任何其 它適合的流體。隔離組件208包括設置在第一開口 226並連接至傳感器主體206的第一隔離隔膜 230。隔離組件208還包括設置在第二開口 228中並連接至傳感器主體206的第二隔離隔 膜232。第一隔離隔膜230與第一通路222中的填充流體連通，同時與入口 210中的過程流 體連通。第二隔離隔膜232與第二通路224中的填充流體連通，同時與入口 212中的過程 流體連通。隔離隔膜230和232將入口 210和212處的過程流體的性質和特性傳輸至通路 222和224中的填充流體。壓力傳感器214感測包含在通路222和224中的填充流體的性 質和特性。當壓力變送器200暴露至具有變化的環境條件(如具有極端溫度波動)的周圍 溫度和/或過程流體時，填充流體隨著溫度的升高而膨脹。圖3為根據本發明的實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。變送器300包 括一對過程流體壓力入口 310和312，其分別連接至單獨的過程流體壓力源。每個過程流 體壓力入口 310，312分別包括隔離隔膜330，332。隔離隔膜響應於過程流體壓力入口中的 壓力而偏轉，所述偏轉通過隔離流體334和336傳遞這種壓力。隔離流體334將來自隔離 隔膜330的壓力輸送至壓差傳感器338的感測隔膜的第一側。類似地，隔離流體336將來 自隔離隔膜332的壓力輸送至壓差傳感器338的感測隔膜的第二側。隔離流體334可以認 為是隔離流體的第一體積，隔離流體336可以認為是第二體積。第一和第二體積的隔離流 體相互流體分離開。可以理解，由於管線壓力增加，第一體積334和第二體積336中的壓力 對推動壓差傳感器338的第一層342和第二層348的分離起作用。這通常將使壓差傳感器 338的各層處於拉伸中，這是不期望的，尤其對於基於脆性材料的壓力傳感器來說。然而，如 圖3所示，壓差傳感器338設置在密封室350內，並安裝在基座352上。根據本發明的實施 例，室350被加壓。優選地，室350加壓到基本等於壓差傳感器338將面對的最大預期管線壓力的水平。此外，優選的是，採用不可壓縮的填充流體(如與用於體積334和336的填充 流體相同類型的填充流體)進行室350的加壓。因此，第三流體體積354存在於室350中， 並具有基於壓差傳感器338的預期工作條件而指定的壓力。一旦加壓達到正確的水平，密 封諸如導管356的導管，以在其中保持相對高的壓力。
當壓差傳感器和/或壓差變送器的溫度改變時，其中的各種材料會經歷相對的膨 脹或收縮。甚至在感測隔膜340時的微小的位移將表示壓力變化時，這些改變可能是特別 令人討厭的。因此，優選的是，溫度補償體358設置在室350中並設置在第三流體體積354 中。補償體358優選由具有特定熱膨脹係數的合適材料構造。選擇用於體358的材料的熱 膨脹係數，使得體358的材料和密封油354的體積隨著溫度的變化之和等於室350的體積 變化減去壓差傳感器338的體積變化。隨著溫度改變至膨脹係數容差的實際極限，這為第 三體積354提供了相對恆定的壓力。壓差變送器的溫度補償優選包括補償與第三體積354 相關的誤差。此外，第三體積354的壓力指示還可以用作為診斷，並且可以由壓差傳感器 338測量或轉換。例如，流體354的壓縮力將第一層342和第二層348相互向一起靠攏。這 種力可以引起頂層向底層的位移，可以由從感測隔膜340至第一層342的電容測量和從感 測隔膜340至第二層348的電容測量來測量這種位移。上文給出的實例採用基於感測的電 容，但可以使用響應於感測隔膜與第一和第二層342、348之間的位移的任何感測機制。此 夕卜，特別期望的是另一壓力傳感器可以流體連接至第三體積354，用於直接測量壓力。由於第三體積354被加壓至變送器的最大能預測的工作管線壓力，要注意的是壓 差傳感器338內的各種接頭和聯結裝置在傳感器338的整個工作壽命期間被保持處於壓縮 中，除非且直到管線壓力明顯超過保持在第三體積354中的壓力。圖3中圖示的實施例允許隔離隔膜的衝程僅被限制為壓差感測隔膜340、油的熱 膨脹以及具有管線壓力的油的整體壓縮所需要的量。如果一個或多個附加的補償體包括在 體積334、336內，衝程被更多地限制。相信通過減小隔離隔膜所要求的衝程，壓差傳感器的 響應時間將降低。此外，存在收縮隔離隔膜的潛力。最終，第三體積354的流體可潛在地獨 立於體積334和336的流體而選擇，以優化特定參數，如最佳熱膨脹性能。圖4為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。變送器 400具有一些與變送器300相類似之處，相同的部件採用相似的方式進行標號。壓差變送器 400包括第一和第二過程流體壓力入口 310、312以及對應的隔離隔膜330、332。埠 310 處的壓力通過隔離隔膜330經由第一隔離流體體積334施加在感測隔膜340的第一側上。 類似地，埠 312處的壓力經由隔離隔膜332和第二隔離流體體積336施加在傳感器隔膜 340的第二表面上。相對於圖4示出的實施例與圖3的實施例的不同之處在於，隔離流體體 積334和336中的每一個連接至對應的次級隔離隔膜402、404。第三流體體積406圍繞壓 差傳感器338，但加壓至隔離隔膜330、332上經歷的壓力的最大值。次級隔離裝置402、404 僅僅是過壓情況期間降至最低點的隔離裝置。例如，次級隔離裝置404將在入口 310的壓 力處於高壓力時，且入口 312處的壓力被釋放時，降至最低點。在這種情況中，次級隔離裝 置402將不降至最低點，並且進入埠 310處經歷的壓力仍傳送至油體積334中，並還被傳 送至油體積406中，其又將次級隔離裝置404驅動至次級隔離裝置停止件408上。在相反 的情況中，在進入埠 312的壓力處於高壓力且進入埠 310處的壓力被釋放時，次級隔離 裝置402降至最低點，抵靠在次級隔離裝置停止件410上。另外，在這種情況中，次級隔離裝置404不降至最低點，並且進入埠 312處的壓力仍傳送至油體積336中，並傳送至油體 積406中，由此將次級隔離裝置402驅動至次級隔離裝置停止件410上。因此，在所有的情 況中，壓差傳感器338的外部保持在管線壓力之下，或者保持在壓力入口 310、312中任一個 的最大壓力下。以這種方式，管線壓力被使得管道連接至油體積406或流體連接至油體積 406。次級隔離裝置402，404僅需要在操作情形中與它們各自的停止表面410、408分離。在該系統需要的所有油衝程用於將次級隔離裝置402、404驅動至各自的停止裝置410、 408上。由於次級隔離裝置402、404將總是僅在一個方向上降至最低點，由於隔離作用來自 過壓事件的輸出上具有最小作用。在基於脆性材料的壓差傳感器的情況中，在過壓偏移之 後，由於任一方向上的過壓事件，輸出上的作用很小。圖5為根據本發明的實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。參照圖5示出 的實施例與前述實施例共有一些部件，並且相同的部件採用類似的標號。參照圖5圖示的 實施例提供了連接至隔離隔膜330並連接至壓差傳感器338的第一壓力入口的第一隔離 流體體積334。類似地，第二油體積336連接至隔離隔膜332和壓差傳感器338的相反側 或第二側。第一和第二體積334和336中的每一個經由各自的管子502、504流體連接至次 級封殼506。次級封殼506分別提供了第一和第二次級隔離裝置508、510。次級隔離隔膜 508和510將第一和第二流體體積334、336分別與第三流體體積512分離開。第三流體體 積512經由管子514連接至壓差傳感器封殼518內的室516。第三流體體積512圍繞壓差 傳感器336。用於第一、第二和第三流體體積的各填充管分別以520、522和524示出。填 充管520、522和524用來填充各自的流體體積，並且隨後填充管被彎曲或密封，以在其中保 持流體體積。如圖5所示，以虛影示出的獨立的管線壓力傳感器526可以連接至管子514， 用於提供第三體積512內的流體壓力的直接指示。壓差測量系統500的基本操作類似於系 統400(圖4中示出)的基本操作，在於次級隔離隔膜508、510接合至隔離裝置停止件，以 解決其中壓力入口 310、312中的一個處於高壓且另一個被釋放的情況。此外，雖然未在圖 5中明確示出，次級封殼506還可以包括一個或多個熱補償體，如上文參照圖3圖示的。圖6為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。變送器 600具有一些與(圖4中示出的)變送器400相類似之處，並且相同的部件採用類似的標 號。變送器600與變送器400不同的主要方面在於與(圖4中示出的)壓差傳感器338相 比壓差傳感器638的配置。具體地，壓差傳感器638僅分別由第一和第二層602和604形 成。層602和604在邊緣606、608和區域610處結合在一起。通過在區域610處將第一層 602固定至第二層604，產生了一對基本獨立的壓力傳感器區域612、614。每個區域612，614 經由各自的第一和第二隔離流體體積334、336流體連接至相應的進入埠 310、312。設置 在表面612A，612B，614A和614B上區域612、614內的合適的傳導電路(圖6中未示出)具 有基於第一層602和第二層604在傳感器區域612、614中相互偏轉的量改變的電特性。可 替換地，這種電路可以安裝至第一和第二層602、604中的任一個或兩個的外表面上。合適 的電路可以包括壓電元件、電容板或任何其它合適的電路以及這種電路的組合。採用壓電 電路，每個隔膜區域612、614可以具有完整的惠斯通電橋，並且輸出可以單獨地表徵為壓 力差的相減。可替換地，在它具有正的輸出時，可以使用一個隔膜上的直接測量。來自第一 傳感器的正的輸出可以認為是正的壓力差，來自第二傳感器的正的輸出則可以認為是負的壓力差。這提供了非常重要的優點，在於使用了僅提供正的輸出的電路。此外，為這種系統 提供了達到約兩倍的因子的更好的靈敏度。可替換地，一個惠斯通電橋可以分配至兩個隔 膜區域612、614，以提供一個輸出。因此其特徵在於壓力差測量僅有一個輸出。類似地，電容技術可以提供重大的靈活性。每個隔膜區域612、614可以提供電容 值，其可以用壓力單獨表徵，隨後壓力差變為讀數的差。可替換地，可以在電學上使電容為 由壓力差表徵或與壓力差相關的比率輸出。圖7為根據本發明的另一實施例的壓差變送器的一部分的橫截面視圖。壓差變送 器700與變送器600具有一些類似之處，並且相同的部件採用類似的標號。壓差變送器700 與變送器600不同之處在於，壓差變送器700提供了物理上相互分開的多個壓力測量傳感 器712、714，而壓差變送器600提供了連接在一起作為單個壓差傳感器638的傳感器部分 612和614。然而，表面712A、712B、714A和714B的各種電路和特性可以與之前參照表面 612A、612B、614A和614B描述的電路和特性相同。可替換地，這種電路可以安裝至傳感器的 外表面。本發明的實施例通常採用預壓縮隔離流體或過程流體的管線壓力本身將壓差 傳感器或傳感器部分保持在壓縮狀態中。將壓差傳感器保持在壓縮狀態允許更穩定地 (robust)操作，並將潛在地延長這種傳感器的工作壽命。雖然已經以具體到結構特徵和/或方法動作的語言的形式描述了所述 主題，但應 當理解，隨附的權利要求中限定的主題不必限於上述具體的特徵或動作。更確切地說，上述 具體特徵和動作是作為實現權利要求的實施例的形式公開的。
權利要求
一種壓差變送器，該壓差變送器包括第一過程流體入口和第二過程流體入口；壓差傳感器，該壓差傳感器具有第一傳感器入口和第二傳感器入口；第一隔離隔膜，該第一隔離隔膜靠近所述第一過程流體入口設置，且通過第一填充流體體積可操作地連接至所述第一傳感器入口；第二隔離隔膜，該第二隔離隔膜靠近所述第二過程流體入口設置，並且通過第二填充流體體積可操作地連接至所述第二傳感器入口；變送器電路，該變送器電路可操作地連接至所述壓差傳感器，並且被配置用於測量所述傳感器的電學參數並提供其指示；和第三流體體積，該第三流體體積基本上包圍所述壓差傳感器，該第三流體體積將壓縮力施加到所述壓差傳感器上。
2.根據權利要求1所述的變送器，其中所述壓差傳感器為基於脆性材料的壓力傳感器。
3.根據權利要求2所述的變送器，其中所述基於脆性材料的壓力傳感器為MEMS器件。
4.根據權利要求1所述的變送器，還包括設置在所述第三流體體積內的補償體。
5.根據權利要求4所述的變送器，其中所述補償體由具有能夠抵消至少一種流體體積 的熱效應的熱膨脹係數的材料構成。
6.根據權利要求1所述的變送器，其中所述第一填充流體和第二填充流體為不可壓縮 流體。
7.根據權利要求1所述的變送器，其中所述第三流體為不可壓縮流體。
8.根據權利要求1所述的變送器，還包括第一次級隔離隔膜和第二次級隔離隔膜，其 中所述第一次級隔離隔膜可操作地連接至所述第一隔離隔膜，並將所述第一填充流體體積 與所述第三流體體積分離開，並且其中所述第二次級隔離隔膜可操作地連接至所述第二隔 離隔膜，並將所述第二填充流體體積與所述第三流體體積分離開。
9.根據權利要求8所述的變送器，其中所述第一次級隔離隔膜和第二次級隔離隔膜設 置在封殼內。
10.根據權利要求1所述的變送器，還包括可操作地連接至所述第三流體體積並電連 接至所述變送器電路的管線壓力傳感器。
11.根據權利要求1所述的變送器，其中所述變送器完全由過程通信迴路供電。
12.—種壓差變送器，該壓差變送器包括 具有第一傳感器入口的第一壓力傳感器； 具有第二傳感器入口的第二壓力傳感器 第一過程流體入口和第二過程流體入口；第一隔離隔膜，該第一隔離隔膜靠近所述第一過程流體入口設置，並且通過第一填充 流體體積可操作地連接至所述第一傳感器入口；第二隔離隔膜，該第二隔離隔膜靠近所述第二過程流體入口設置，並且通過第二填充 流體體積可操作地連接至所述第二傳感器入口；變送器電路，該變送器電路可操作地連接至所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器， 並且被配置用於測量所述傳感器的電學參數並提供壓力差的指示；和第三流體體積，該第三流體體積基本上包圍所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器，所述第三流體體積施加壓縮力到所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器上。
全文摘要
一種壓差變送器(200、300、400、500、600、700)包括第一過程流體入口(210、310)和第二過程流體入口(212、312)。壓差傳感器(214、338、518、638)設置在變送器(200、300、400、500、600、700)內並具有第一和第二傳感器入口。第一隔離隔膜(230、330)靠近第一過程流體入口(210、310)設置，並通過第一填充流體體積(334)可操作地連接至第一傳感器入口。第二隔離隔膜(232、332)靠近第二過程流體入口(212、312)設置，並通過第二填充流體體積(336)可操作地連接至第二傳感器入口。測量電路(218)可以操作地連接至壓差傳感器(214、338、518、638)，並被配置用於測量傳感器(214、338、518、638)的電學參數並提供所測量的參數的指示。第三流體體積(354)基本上包圍壓差傳感器。第三流體體積(354)將壓縮力施加到壓差傳感器(214、338、518、638)上。
文檔編號G01L9/00GK101802581SQ200880107723
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月4日 優先權日2007年9月20日
發明者馬克·G·羅莫 申請人:羅斯蒙德公司