使用差壓傳感器的管路壓力測量的製作方法

2023-05-09 09:32:11 1

專利名稱：使用差壓傳感器的管路壓力測量的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量過程流體壓力的壓力傳感器。更具體地，本
發明涉及一種配置為測量差壓(differential pressure)和管路壓力 (line pressure)的壓力傳感器。
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背景技術：
過程監控和控制系統中使用變送器來測量工業過程的各種過程 變量。 一種變送器對過程中的過程流體的壓力進行測量。各種技術已 應用於變送器中所用的壓力傳感器。 一種公知的技術是使用可彎曲隔 15 膜(di鄰hragm)。對關於該隔膜的電容進行測量，其中該隔膜形成了 電容器的電容板之一。當隔膜由於所施加的壓力而發生彎曲時，所測 量的電容發生改變。在這種配置中，壓力測量中存在多種不精確性的 來源。
2001年10月2日授予Frick等的美國專利No. 6，295，875 "PROCESS 20 PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION" 中提出了處理這些不精確性的一種技術，該專利的全部內容在此引入 作為參考。這個專利描述了一種差壓傳感器，其包括用於減小測量不 精確性的附加電極。然而，在一些安裝情況下，除了差壓測量之外， 還希望測量絕對壓力(管路壓力或表壓)。在這種應用中，典型地需要 25 額外的壓力傳感器來測量管路壓力。

發明內容
一種用於感測過程流體的壓力的壓力傳感器裝置，包括其中形成 有空腔的傳感器主體。所述空腔被配置為耦合至第一過程流體壓力。 30所述空腔中的可彎曲隔膜響應於第一過程流體壓力而發生彎曲。第一
主電極耦合至空腔壁，並形成第一主電極和所述可彎曲隔膜之間的第 一主電容器。第一副電極耦合至空腔壁，形成第一副電極和所述可彎 曲隔膜之間的第一副電容器。作為由第一過程流體壓力造成的空腔尺 寸變化而引起的第一主電容器和第一副電容器的變化的函數，計算過
5程流體的管路壓力。還提供了一種相關方法。


圖l示出了具有按照本發明而構造的具有過程變送器的過程測量 系統。
10 圖2是圖1中變送器的示意圖。
圖3示出了圖1中過程變送器的部分截面圖。 圖4是用於說明本發明操作的壓力傳感器56的簡化截面圖。 圖5A是管路壓力與主和有效間隙的關係圖，而圖5B是管路壓力與 環形和有效間隙的關係圖。 15 圖6A和6B是管路壓力與環形和/主和以及(環形間隙/主間隙)x+
(環形間隙/主間隙)Y的關係圖。
圖7A和7B是管路壓力、主傳遞函數以及環形和/主和的三維關係圖。
圖8A是在各個傳遞函數值上管路壓力與環形和/主和的關係圖。 20 圖8B是斜率a與標稱主傳遞函數的關係圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種針對基於多電極電容的壓力傳感器的確定管路 壓力的裝置和方法。通過計算基於多電容的壓力傳感器中適當電容的 25和比率或比率和，可以確定過程流體的管路壓力。
圖1大體示出了過程測量系統32的環境。圖l示出了包含流體的受 壓過程管道(piping) 30與用於測量過程壓力的過程測量系統32相耦 合。過程測量系統32包括與管道30相連的脈衝(impulse)管道34。脈 衝管道34與過程壓力變送器36相連。主元件33 (例如孔板(orifice 30plate)、文氏管(venturi tube)、流量噴嘴(flow nozzel)等)在
脈衝管道34的管道之間的過程管道30中的位置處與過程流體相接觸。 當流體流過主元件33時，主元件33引起流體中的壓力變化。
變送器36是通過脈衝管道34接收過程壓力的過程測量設備。變送 器36感測差動過程壓力，並將其轉換為標準化的傳輸信號，該信號是 5 過程壓力的函數。
過程環路38向變送器36提供來自控制室40的電力信號，並提供雙 向通信，是可以根據多個過程通信協議而構建的。在所示的示例中， 過程環路38是兩線環路。該兩線環路用於在正常操作期間利用4-20mA 信號向變送器36提供全部電力，並與之進行所有通信。計算機42或其
10 他信息處理系統通過數據機44或其他網絡接口與變送器36進行通 信。遠端電壓電源46為變送器36供電。
圖2是壓力變送器36的簡化框圖。壓力變送器36包括通過數據總線 66耦合在一起的傳感器模塊52和電子器件板72。傳感器模塊電子器件 60耦合至壓力傳感器56，壓力傳感器56接收所施加的差壓54。數據連
15 接58把傳感器56耦合至模數轉換器62。還示出了傳感器模塊存儲器64 和可選的溫度傳感器63。電子器件板72包括微計算機系統74、電子器 件存儲器模塊76、數模信號轉換78和數字通信塊80。
根據Frick等的美國專利No.6,295,875中提出的技術，壓力變送器 36感測差壓。然而，本發明不限於該配置。
20 圖3是傳感器模塊52的一個實施例的簡化截面圖，示出了壓力傳感
器56。壓力傳感器56通過隔離隔膜90耦合至過程流體，隔離隔膜90把 過程流體與空腔92隔開。空腔92通過脈衝管道94耦合至壓力傳感器模 塊56。基本上不可壓縮的填充流體填充空腔92和脈衝管道94。當來自 過程流體的壓力施加到隔膜90時，該壓力傳遞至壓力傳感器56。
25 壓力傳感器56由各為一半的兩個壓力傳感器114和116形成，其中
填充有優選為脆性、基本上不可壓縮的材料105。隔膜106懸掛在傳感 器56中形成的空腔132、 134內。空腔132、 134的外壁載有電極146、 144、 148和150。通常，這些電極可以被稱作主電極144和148以及副電極146 和150。這些電極形成關於可移動隔膜106的電容器。同樣，這些電極
30 可以被稱作主和副電容器。如圖3所示，傳感器56中的各個電極通過電連接103、 104、 108和 110耦合至模數轉換器62。另外，可彎曲隔膜106通過連接109耦合至模 數轉換器62。
如美國專利No.6,295,875中所討論的，可以使用電極144-150來測 5量施加到傳感器56的差壓。如下文所討論，使用這些電極測量的電容 也可以用於確定施加至壓力傳感器56的過程流體的管路壓力。
圖4是用於說明本發明操作的傳感器56的簡化截面圖。圖4示出了 各個電容值，即電極144和隔膜106之間的Mx，電極148和隔膜106之間 的My，電極146和隔膜106之間的Rx，以及電極150和隔膜106之間的電 10 容Ry。
己經發現在壓力傳感器56的操作期間，通過毛細管(capillary tube) 94施加到壓力傳感器的管路壓力引起壓力傳感器56的主體220 產生形變。所施加的管路壓力引起主體220內和壓力變送器內部環境中 的壓力之間的壓力差。這個壓力差引起主體220的形變。在圖4所示的
15示例中，示出了相當誇大的形變。具體而言，所施加的管路壓力使主 體220的外壁200和和202向外擴張至200，和202，處的虛線所示的位置。 由於主體變形，空腔132、 134的內壁126和128也分別向外擴張至虛線 126，和128，所示的位置。由於壁126和128向外移動，所以電極144、 146、 148和150也分別向外移動至虛線144'、 146，、 148，和150，所示的位置。
20 電極144、 146、 148和150位置的改變導致Mx、 MY、 Rx和Rv處測量的電容 值的變化。根據本發明，該電容變化用於測量施加至壓力傳感器56的 管路壓力。
如這裡所使用的，電極144和148與隔膜106之間的電容被稱作"主 電容"，而電極146和150與中央隔膜106之間的電容被稱作副電容。根 25據本發明，作為主電容器電容和副電容器電容的函數，確定管路壓力。 在減小管路壓力測量中的誤差的配置中，這些電容值可以用在和比率 或比率和中。
管路壓力(P)信號可以從上文所述的基於多電極電容的差壓傳感 器56中導出。該確定可以通過計算適合的倒數有效電容信號的和比率 30或比率和而進行。如這裡所使用的，有效電容是響應於中央隔膜(CD)
相對於傳感器空腔的移動的電容，而且不包括任何雜散(stray)電容。 有效電容的倒數與彼此分離相對較小距離的兩個大面積(主)電極之 間的間隔或間隙成比例。上文所示的具有中央主電極和環形副電極的 配置可以用於在倒數有效環形電容除以倒數有效主電容時確定管路壓 5力。更詳細地，管路壓力可以根據如下來確定
LP二k求(l/Rx+1/Ry) / (l/Mx+1/My) 方程l 用途等效的不同方程可以寫為
LP=j* (1/Rx) (1/Mx) + (1/Ry) (1/My) 二 j* (Mx/Rx+My/Ry) 方程2 其中M是主電極的有效電容，R是環形電極的有效電容，x和y是指 10 圖4所示的差壓傳感器的低側和高側。常數k和j是比例常數。還可以使 用單個有效電容值來確定管路壓力。然而，在該配置中，電容對於由 例如溫度變化引起的誤差特別敏感。相反，使用上文所討論的比率， 可以獲得更好的信噪比，例如相比於使用單個有效電容，可以獲得100 倍的改進。
15 圖5A是管路壓力(PSI)與主和-有效間隙(ixm)的關係圖，示出
了利用倒數電容的、隔膜106與主電極144、 148之間的間隙之和所受的 溫度效應。圖5B是利用倒數環形電容的類似圖。如圖5A和5B中所示， 利用倒數電容測量管路壓力提供了非常陡峭的斜率或低量規因數，對 於小的溫度變化，表觀管路壓力(y截距)變化較大。圖6A是根據方程
20l在各個溫度上的管路壓力與環形和/主和的關係圖，而圖6B是根據方 程2的管路壓力與(環形間隙/主間隙)(環形間隙/主間隙)Y的關 系圖。如圖6A和6B所示，與圖5A和5B相對，LP信號的斜率大幅度減小 (更高的量規因數)，且由於溫度引起的y截距的偏移相對於LP區間 (span)是較小的。圖6A和6B中的原始溫度誤差與可比的傳感器類似，
25而且至少是局部可修正的。在圖5A、 5B、 6A和6B的圖表中，數據是在 差壓為O時採集的。
在將方程1或2所示比率中任何一個與標準差壓傳遞函數進行組合 以疊加差壓和管路壓力時，也可以獲得管路壓力信號。在方程l的情況 下，該組合的結果是把數據擬合到三維空間的表面上，其中管路壓力
是來自方程1的比率何標準傳遞函數^^的函數。例如，圖7A和7B
Mx + My
是管路壓力、主傳遞函數以及環形和/主和的關係圖。在這個示例中，
通過在各個管路壓力和差壓值上使用標準壓力變送器，對192個數據點 進行擬合。圖7B中對軸的重定向示出了將數據緊密擬合到平面。 5 圖8A是來自圖7A、 7B的管路壓力數據與環形和/主和的關係圖。圖
8B是圖8A中每條線的斜率與標稱主TF的關係圖。如這些圖中所示，可 以通過傳遞函數，以顯著的一致性分隔這些數據。圖8B中的圖示出了 不存在使平面發生彎曲或扭曲的高階效應，並證實了比率/傳遞函數/ 管路壓力的關係的簡單性。 10 利用本發明，在相對較大程度上抵消了由加熱、冷卻、壓縮、解
壓縮和瞬變引起的填充流體的介電常數的不穩定性。這是通過使用壓 力單元中隔膜任一側的多於一個的電極來獲得管路壓力信號而實現的。
在具體實驗中，數據精度提供了95%置信度上的+1-70 PS工管路壓 15力的誤差帶。這種精度水平對於如下情況是足夠的基於管路壓力信 號來校正差壓變送器輸出，以使零和區間線性壓力誤差比標準配置減 小10倍。對電容數據的單獨處理提供了這種改進，並且不需要額外的 管路壓力傳感器。此外，本發明可以用於根據測量的電容值而提取可 用的管路壓力信號，同樣不需要使用額外的管路壓力傳感器。在更加 20 高級的配置中，管路壓力信號可以和差壓一同使用，而且在一些配置 中，與溫度相結合以提供質量流量計算。
在一個示例中，當管路壓力從0變為2000 PSI時，主電容器的電容 改變了大約0.2%。類似地，在該範圍上，環形電容器的電容改變了大 約O. 7%。電容的改變相對於所施加的管路壓力的改變基本上是線性的。 25 這兩個電容用於精確地測量所施加的管路壓力。
儘管已經參考優選實施例對本發明進行了描述，然而本領域的技 術人員可以理解，在不背離本發明的精神和範圍的前提下，可以在形 式和細節上進行改變。在一些實施例中，本發明包括根據所施加的差 壓而對所計算的管路壓力進行補償。如這裡所使用的，"主"電極和電
容器以及"副"電極和電容器分別可以交替地被稱作"主"和"副"。 所測量的或所計算的管路壓力可以獨立地使用，或可以用於例如對所 測量的差壓進行補償。可以設想，所測量的管路壓力可以用於其他目 的。
權利要求
1.一種用於感測過程流體的壓力的壓力傳感器裝置，包括傳感器主體，具有在其中形成的空腔，所述空腔被配置為耦合至第一過程流體壓力；所述空腔中的可彎曲隔膜，被配置為響應於第一過程流體壓力而發生彎曲；第一主電極，耦合至所述空腔的壁，以形成第一主電極和所述可彎曲隔膜之間的第一主電容器；第一副電極，耦合至所述空腔的壁，以形成第一副電極和所述可彎曲隔膜之間的第一副電容器；以及耦合至第一主電容器和第一副電容器的電路，被配置為將過程流體的管路壓力作為至少第一主電容器和第一副電容器的變化的函數而計算，所述第一主電容器和第一副電容器的變化是由於第一過程流體壓力導致所述空腔的尺寸發生變化而引起的。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，第一副電極至少包括局部 環形。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述可彎曲隔膜是盤狀的。 20
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，第一主電極包括中央電極。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器主體的空腔被配置為耦合至第二過程流體壓力，所述裝置還包括相對於所述可彎曲 隔膜與第一主電極相對地設置在所述空腔的壁上的第二主電極，而且所述電路還被配置為測量由第一和第二過程流體壓力施加到所述可彎 25 曲隔膜兩側的差壓。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其中，基於所計算的管路壓力對差壓測量進行補償。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器主體的空腔被 配置為耦合至第二過程流體壓力，所述裝置還包括相對於所述隔膜與30 第一主電極和第一副電極相對地耦合至所述空腔的壁的第二主電極和 第二副電極，由此形成第二主電極和所述可彎曲隔膜之間的第二主電 容器以及第二副電極和所述可彎曲隔膜之間的第二副電容器。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其中，所述電路耦合至第一主電 容器、第一副電容器、第二主電容器和第二副電容器，並如下確定管5 路壓力-formula see original document page 3其中Mx是第一主電容器的電容k是常數My是第二主電容器的電容 10 Rx是第一副電容器的電容，以及Ry是第二副電容器的電容。
9. 根據權利要求7所述的裝置，其中，所述電路耦合至第一主電 容器、第一副電容器、第二主電容器和第二副電容器，並如下確定管 路壓力15 LP=j*(Mx/Rx+My/Ry)其中Mx是第一主電容器的電容 j是常數My是第二主電容器的電容 Rx是第一副電容器的電容，以及 20 Ry是第二副電容器的電容。
10. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器主體由包括陶 瓷或玻璃的剛性絕緣體形成。
11. 一種用於測量過程流體的壓力的過程變送器，包括權利要求l 所述的壓力傳感器。25
12.—種確定過程流體的管路壓力的方法，包括向傳感器主體施加過程流體的壓力，所述傳感器主體中形成有空 腔，所述傳感器主體包括所述空腔中的可彎曲隔膜以及與所述隔膜形 成第一主電容器的第一主電極，所述傳感器主體還包括與空腔形成第 一副電容器的第一副電極；30 作為至少第一主電容器和第一副電容器的變化的函數，計算過程流體的管路壓力，所述第一主電容器和第一副電容器的變化是由於第 一過程流體壓力導致所述空腔的尺寸發生變化而引起的。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述傳感器主體的空腔 被配置為耦合至第二過程流體壓力，而且還包括相對於所述可彎曲的5 隔膜與第一主電極相對地布置在所述空腔的壁上的第二主電極，而且 還包括對第一和第二過程流體壓力施加到所述可彎曲的隔膜兩端的差 壓進行測量。
14. 根據權利要求12所述的方法，包括基於所計算的管路壓力， 對差壓進行補償。10
15.根據權利要求12所述的方法，包括將第二主電極和第二副電極相對於所述隔膜與第一主電極和第一副電極相對地耦合至所述空腔 的壁，由此形成第二主電極和所述可彎曲隔膜之間的第二主電容器以 及第二副電極和所述可彎曲隔膜之間的第二副電容器。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中，通過如下方程來確定管 15 路壓力的計算LP=k* (l/Rx+1/Ry)/(l/Mx+1/My)其中Mx是第一主電容器的電容k是常數My是第二主電容器的電容 20 Rx是第一副電容器的電容，以及Ry是第二副電容器的電容。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中，通過如下方程來確定管 路壓力的計算LP=j*(Mx/Rx+My/Ry) 25 其中Mx是第一主電容器的電容 j是常數My是第二主電容器的電容 Rx是第一副電容器的電容，以及 Ry是第二副電容器的電容。 30
18.根據權利要求12所述的方法，其中，所述傳感器主體由包括陶瓷或玻璃的剛性絕緣體形成。
19. 一種用於測量過程流體的壓力的過程變送器，被配置為執行 權利要求12所述的方法。
20. —種壓力傳感器，包括可彎曲隔膜，被配置為接收施加到相對側的第一和第二壓力；第一和第二主電極，被配置為與所述可彎曲隔膜形成第一和第二 主電容器；第一和第二副電極，被配置為與所述可彎曲隔膜形成第一和第二 雖1」電容器；電路，被配置為計算差壓，並且還被配置為作為第一和第二主電容器以及第一和第二副電容器的變化的函數而計算管路壓力。
21. 根據權利要求20所述的壓力傳感器，其中，所述電路還被配置為基於所計算的管路壓力對差壓進行補償。
22. 根據權利要求20所述的壓力傳感器，其中，所述電路如下確定管路壓力LP=k* (l/Rx+1/Ry)/(l/Mx+1/My)其中Mx是第一主電容器的電容k是常數My是第二主電容器的電容 20 Rx是第一副電容器的電容，以及Ry是第二副電容器的電容。
23. 根據權利要求20所述的壓力傳感器，其中，所述電路如下確 定管路壓力LP=j*(Mx/Rx+My/Ry) 25 其中Mx是第一主電容器的電容 j是常數My是第二主電容器的電容 Rx是第一副電容器的電容，以及 Ry是第二副電容器的電容。
24.根據權利要求20所述的壓力傳感器，包括溫度傳感器，而且其中，所述電路還被配置為作為差壓、管路壓力和溫度的函數而計算 質量流量。
全文摘要
一種用於感測過程流體的壓力的壓力傳感器裝置(56)，包括傳感器主體(220)，所述傳感器主體中形成有空腔(132、134)，所述空腔耦合至過程流體壓力。所述空腔中的可彎曲隔膜(100)響應於第一和第二過程流體壓力而發生彎曲。第一主電極(144)耦合至所述空腔的壁(126)，並形成第一主電極和所述可彎曲隔膜之間的第一主電容器(Mx)。第一副電極(146)耦合至所述空腔的壁，以形成第一副電極和所述可彎曲隔膜之間的第一副電容器(Rx)。第二主電極(148)和第二副電極(150)優選地耦合至與第一主電極和第一副電極相對的空腔壁(128)。基於副電容器相對於主電容器的變化而確定過程流體的管路壓力。
文檔編號G01L9/00GK101184978SQ200680018469
公開日2008年5月21日 申請日期2006年5月25日 優先權日2005年5月27日
發明者唐納德·E·哈森, 查爾斯·R·威勒克斯 申請人:羅斯蒙德公司