專利名稱：用于過程壓力測量的改進的隔離系統(tǒng)的制作方法
用于過程壓力測量的改進的隔離系統(tǒng)
背景技術(shù)：
工業(yè)過程壓力變送器用力測量工業(yè)過程流體(如化工、紙漿、石油、天然氣、制藥、 食品和/或其它流體處理設(shè)備中的泥漿、液體、蒸汽或氣體)的壓力。工業(yè)過程流體壓力變 送器通常放置在過程流體附近，或者放置在現(xiàn)場應(yīng)用中。通常這些現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)受嚴(yán)格且變 化的環(huán)境條件，這對這種變送器的設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)。多種過程流體壓力變送器中的感測元件通常是電容基的傳感器，包括可偏轉(zhuǎn)感測 隔膜和兩個或多個電容電極。電介質(zhì)填充流體通常用在電容板和隔膜之間。隔離膜通常與 過程流體界面連接并防止過程流體(其有時可以是苛刻的、腐蝕性的、臟的、受污染的或處 于極高的溫度)與該傳感器的元件相互影響。通常，過程流體作用在隔離膜上，使隔離膜偏 轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)移動或移位隔膜后面的填充流體，該填充流體隨后相應(yīng)地移動或移位壓力傳 感器的感測隔膜。壓力傳感器具有隨施加的壓力變化的諸如電容之類的電特性，該電特性 由過程流體壓力變送器內(nèi)的測量電路測量或確定，產(chǎn)生與過程流體壓力相關(guān)的輸出信號。 還可以根據(jù)公知的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議對該輸出信號進行格式化，并通過過程通信回路將其 傳輸至其它現(xiàn)場設(shè)備或控制器。隨著過程流體壓力變送器的技術(shù)狀態(tài)的提高，感測技術(shù)和精度也改善了。然而，仍 然要求這種設(shè)備的制造廠商提供具有更嚴(yán)格的精度和準(zhǔn)度的設(shè)備。因此，提供具有改善的 準(zhǔn)度和精度的過程流體壓力變送器將有利于工業(yè)過程測量和控制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
一種過程流體壓力變送器，包括壓力傳感器、變送器電子組件和隔離系統(tǒng)。壓力傳 感器具有隨著壓力改變的電特性。變送器電子組件連接至壓力傳感器，用于感測所述電特 性并計算壓力輸出。隔離系統(tǒng)包括基底構(gòu)件、隔離膜和填充流體。隔離膜安裝至基底構(gòu)件 并插入壓力傳感器和過程流體之間。填充流體位于隔離膜和壓力傳感器之間?；讟?gòu)件和 隔離膜由不同的材料構(gòu)造而成以使隔離膜的熱膨脹系數(shù)大于基底構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)。


圖IA為本發(fā)明的各實施方式特別適用的過程流體壓力變送器的示意圖。圖IB為隔離系統(tǒng)的一部分的示意圖。圖2圖示了隔離系統(tǒng)對溫度升高的響應(yīng)。圖3A為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的隔離裝置容積相對隔離膜壓力的圖表。圖;3B為根據(jù)本發(fā)明實施方式的隔離裝置容積相對隔離膜壓力的圖表。圖4為本發(fā)明的實施方式可以實踐的過程流體壓力測量系統(tǒng)的示意圖。圖5為沿著圖4中的剖面線A-A截取的橫截面示意圖，圖示了隔離膜和基底。
具體實施例方式本發(fā)明的一些方面和實施方式源于對已經(jīng)困擾隔離系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的問題的獨特理解。具體地，測量諸如蒸汽之類的熱的工業(yè)流體的工業(yè)過程流體壓力變送器通常在“恒穩(wěn) 態(tài)”和瞬態(tài)條件兩個情況下展現(xiàn)出較大誤差。這些測量誤差在采用單隔膜隔離裝置測量表 壓(gauge pressure)或絕對壓力的過程流體壓力測量變送器中是常見的。此外，這些測量 誤差還存在于遠(yuǎn)程密封(remote seal)系統(tǒng)以及壓差測量系統(tǒng)中。當(dāng)采用單個隔離量表或絕對壓力變送器測量非常熱的過程流體時，電子組件和溫 度補償傳感器通常遠(yuǎn)離彈性金屬過程流體隔離膜設(shè)置。當(dāng)在實質(zhì)上高于典型的工業(yè)電子組 件可以承受的溫度(即，185下)的過程流體溫度下測量時特別如此。在這些設(shè)備中，熱的 過程非?？斓丶訜岣綦x流體(如硅油或DC200)和隔離裝置隔膜。填充流體膨脹，使隔離裝 置隔膜伸展，隔離裝置隔膜產(chǎn)生背壓(用作容積應(yīng)變彈簧)。壓力傳感器將這種情況測量為 誤差。這種溫度引起的誤差不能由熱瞬變系統(tǒng)中的“環(huán)境”溫度修正測量系統(tǒng)完全補償。取決于過程流體壓力變送器的結(jié)構(gòu)，上述誤差即使在系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時 仍然存在。這通常在當(dāng)在絕對壓力或表壓測量變送器的情況中連接單個隔膜裝置遠(yuǎn)程密封 件時發(fā)生。用于與熱過程熱隔離(具有或不具有毛細(xì)管)目的的遠(yuǎn)程密封件的添加可能具 有本質(zhì)上的測量誤差。上述誤差幾乎是零基測量誤差。然而，跨度(斜率)也受到影響。因為所述誤差 幾乎是零基的，較低的壓力測量是非常脆弱的。這些誤差還由于油或填充流體體積和隔膜 剛度而增加。隔離膜剛度隨著直徑的減小而增加，因此較小的隔離膜易于產(chǎn)生更大的誤差。 為了解決這種誤差，在高溫遠(yuǎn)程密封的情況下通常使用大的隔離膜。圖IA為本發(fā)明的各實施方式特別適用的過程流體壓力變送器的示意圖。變送器 10包括過程流體端口 12，其構(gòu)造為容納螺紋入口，以輸送到那里的過程流體。變送器10還 包括隔離系統(tǒng)14，其在圖IB中被更詳細(xì)地示出。隔離系統(tǒng)14構(gòu)造為與存在于端口 12處 的過程流體直接接觸，并將壓力施加至填充流體，如硅油，或從Michigan州米德蘭市的Dow Corning公司購買到的DC200，其將壓力傳遞至圖IA中以虛線圖示的壓力傳感器16。壓力 傳感器16產(chǎn)生由變送器電子組件18感測的電信號或特性。變送器電子組件18還構(gòu)造為 基于傳感器信號計算過程流體壓力，并在過程通信回路(示意性地圖示為電線20)上傳輸 計算出的過程流體壓力。過程流體壓力變送器10為諸如表壓或絕對壓力變送器之類的單入口過程流體壓 力變送器的例子。本發(fā)明的各實施方式特別使用的其它示例性的過程流體壓力變送器包括 壓差變送器。本質(zhì)上，無論何時隔離系統(tǒng)用來采用填充流體將過程流體與壓力傳感器物理 隔離，都可以采用本發(fā)明的實施方式。因此，即使在遠(yuǎn)程密封應(yīng)用中，也可以實現(xiàn)本發(fā)明的 實施方式。圖IB為隔離系統(tǒng)14的示意圖。隔離系統(tǒng)14包括支撐基底30，其優(yōu)選是圓柱形 的，且具有約3/4英寸的直徑。用于支撐基底30結(jié)構(gòu)的常規(guī)材料是316型不銹鋼。隔離裝 置隔膜32優(yōu)選是圓形的并圍繞其周邊34焊接至支撐基底30。隔離裝置隔膜32通常包括 至少一個盤旋結(jié)構(gòu)36，并且通常約千分之一英寸(0.001英寸)厚。而且，隔離裝置隔膜32 通常由與支撐基底30相同的材料形成。因此，隔離裝置隔膜32也通常由316型不銹鋼構(gòu) 造。如圖IB所示，過程流體在隔離裝置隔膜32的外表面上施加壓力，該壓力傳遞至隔離膜 32后面的且在通道40內(nèi)的填充流體38。通道40—直向上延伸至壓力傳感器16，在那里由 傳感器16測量填充流體38的壓力。
圖2圖示了隔離系統(tǒng)對溫度升高的響應(yīng)。具體地，當(dāng)溫度增加時，支撐基底和隔離 裝置隔膜的直徑都隨著它們的熱膨脹系數(shù)而增加。此外，靠近隔離裝置隔膜的填充流體還 通過薄的金屬隔膜經(jīng)由傳導(dǎo)而暴露至升高的溫度，并且其膨脹。因此，當(dāng)溫度增加時，隔膜 從圖示50的實線移向圖示52的虛線。如可理解，當(dāng)隔膜暴露至熱的過程流體時，填充流體 膨脹，使隔膜伸展。在如隔離剛度圖表所示(圖3A)從第一溫度移動至升高的第二溫度的 過程中，這引起背壓的增加。如果溫度持續(xù)增加，則在隔膜中產(chǎn)生徑向張力，這增加了背壓。 最終，當(dāng)超過極限時隔膜會永久變形。溫度升高時的隔離膜剛度實質(zhì)上是相同的，因為隔離 裝置安裝在與該隔離裝置具有近似相同的熱膨脹的基底材料上。本發(fā)明的實施方式大體上產(chǎn)生一種系統(tǒng)，其中一些填充流體的熱膨脹由隔離裝置 隔膜的張力減小而逆向平衡。可以實施這種系統(tǒng)的一種方式是選擇用于隔離膜和支撐/基 底構(gòu)件的材料，使得隔離裝置隔膜具有比它沿周邊連接到其上的支撐/基底構(gòu)件高的熱膨 脹系數(shù)。因此，當(dāng)溫度增加時，隔離膜相對于它連接到其上的基底構(gòu)件擴大。這種熱誘導(dǎo)擴 大使得隔離膜中的張力減小，這抵消了填充流體的熱膨脹。圖3A為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的隔離裝置容積相對隔離膜壓力的圖表。當(dāng)溫度從參考條 件改變至升高條件時，隔離流體體積改變。此外，隔離膜的剛度保持固定。因此，產(chǎn)生壓力 誤差60。圖;3B為根據(jù)本發(fā)明實施方式的隔離裝置容積相對隔離膜壓力的圖表。與圖3A相 反，如可以看到的那樣，當(dāng)溫度從參考條件改變至升高條件時，隔離膜的剛度從實線改變至 虛線。此外，當(dāng)隔離體積流體改變時，隔離膜上的壓力保持不變，并且因而不存在熱誘導(dǎo)壓 力誤差。因此，如果進行恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計，隨著溫度的升高，隔離膜比其基底膨脹快。這有效地 釋放了通過使填充流體膨脹而產(chǎn)生的張力。人們相信，采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，有效效應(yīng)是基本上 可以減少或消除任何溫度誘導(dǎo)的隔離系統(tǒng)誤差。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，提供了具體的材料的例子。如可以認(rèn)識到的那樣，基 底材料、隔離膜材料和隔離膜尺寸和結(jié)構(gòu)的選擇可以改變。在這種情況中，隔離膜由316型 不銹鋼制成。這種材料以17X10_6/°C的速率膨脹。然而，將基底材料選擇為400型系列不 銹鋼?；撞牧弦?1X10_6/°C的速率膨脹。高溫誤差可以以10倍從當(dāng)前狀態(tài)減小。雖然 這個例子示出了僅6X10_6/°C的差異，但其它應(yīng)用可能要求熱膨脹系數(shù)之間具有更明顯的 差異。圖4為本發(fā)明實施方式可以實現(xiàn)的過程流體壓力測量系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)100包 括差動過程流體壓力變送器102，其通過對應(yīng)的毛細(xì)管線108、110連接至一對遠(yuǎn)程密封件 104、106。每個遠(yuǎn)程密封件104、106構(gòu)造為經(jīng)由其法蘭112安裝至諸如管道或箱之類的過 程流體容器。此外，每個遠(yuǎn)程密封件包括構(gòu)造為接觸過程流體的隔離膜114。差動過程流體 壓力變送器102構(gòu)造為測量由每個遠(yuǎn)程密封件104、106觀測到的壓力之間的壓力差，并通 過過程通信回路提供過程變量輸出，如箱中的流體液位。如可以認(rèn)識到的那樣，如果遠(yuǎn)程密 封件104、106安裝在箱上的不同垂直水平面處，則壓力差與動水壓力差相關(guān)聯(lián)，并且因此 與箱中的過程流體的液位相關(guān)聯(lián)。圖5為沿著圖4中的剖面線A-A截取的橫截面視圖，圖示了隔離膜和基底。遠(yuǎn)程 密封件104包括圍繞隔離膜112的基底構(gòu)件110。基底構(gòu)件110和隔離膜112優(yōu)選都是圓 形的。而且，隔膜112的周邊優(yōu)選焊接至基底構(gòu)件110。填充流體114設(shè)置在隔離膜112的后面，并通過毛細(xì)管108將壓力傳遞至變送器102的壓差傳感器。根據(jù)本發(fā)明的實施方式， 隔離膜和基底構(gòu)件110由不同的材料構(gòu)造而成，使得隔膜112隨著溫度膨脹至比基底構(gòu)件 110大的程度。通過減小或消除隔離組件中的熱誘導(dǎo)誤差，本發(fā)明的實施方式提供了更大的準(zhǔn)確 度。然而，本發(fā)明的實施方式還允許測量更高的溫度過程(假設(shè)填充流體適合高溫)。因 此，現(xiàn)在可以更好地監(jiān)測和控制由于過程流體的溫度而不能可靠地監(jiān)測的過程流體壓力。本發(fā)明的實施方式在無論何時靠近隔膜(感測或隔離)被加熱的油會以不希望的 方式影響系統(tǒng)時都是有用的。本發(fā)明的實施方式允許在經(jīng)歷加熱整個系統(tǒng)或者即使它的一 部分的環(huán)境溫度增加時膨脹，以至少部分地容納來自該系統(tǒng)的其它部件(如毛細(xì)管)的膨 脹流體。該系統(tǒng)的其余部分通常保持比隔離裝置的冷卻高度多的填充流體。作為另一個例子，由316系列不銹鋼形成的具有0. 75英寸直徑的隔離膜可以與 由400系列不銹鋼形成的基底聯(lián)合使用。DC200填充流體可以填充至0. 008英寸的初始液 位。這形成了約0.00062立方英寸的初始隔離容積。100攝氏度的溫度增加使該容器增加 約0. 0000672立方英寸。實際上，在管子和傳感器系統(tǒng)中存在也需要膨脹到隔離裝置中的 油，因為那里是它唯一可以去的地方。假設(shè)采用所有上述參數(shù)，則計算結(jié)果表明，由于隔離 裝置和基底之間的膨脹差異約為0. 00175立方英寸，因此隔離容積增加。因此，本發(fā)明的實 施方式可以適用于傳感器和/或毛細(xì)管內(nèi)的油的相對真實的膨脹。雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施方式描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在不偏 離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面進行改變。例如，雖然本發(fā)明的大 部分內(nèi)容涉及單隔離膜絕對壓力或表壓過程流體壓力變送器，但本發(fā)明的實施方式適用于 遠(yuǎn)程密封件以及壓差過程流體壓力變送器。
權(quán)利要求
1.一種過程流體壓力變送器，包括 壓力傳感器，具有隨著壓力改變的電特性；變送器電子組件，連接至壓力傳感器，用于感測所述電特性并計算壓力輸出；和 隔離系統(tǒng)，包括 基底構(gòu)件，隔離膜，安裝至基底構(gòu)件并插入壓力傳感器和過程流體之間， 填充流體，位于隔離膜和壓力傳感器之間，并且其中基底構(gòu)件和隔離膜由不同的材料構(gòu)造而成，并且其中隔離膜的熱膨脹系數(shù)大于基 底構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中隔離膜和基底構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)的差約為 6Xl(r7°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中隔離膜由316型不銹鋼構(gòu)造而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變送器，其中基底構(gòu)件由400型不銹鋼構(gòu)造而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中填充流體為DC200。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中隔離膜和基底構(gòu)件中的每一個都是圓形的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中變送器為絕對過程流體壓力變送器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中變送器為表壓過程流體壓力變送器。
9.一種用于將過程流體壓力傳遞至過程流體壓力變送器的壓力傳感器的隔離系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括基底構(gòu)件；隔離膜，安裝至基底構(gòu)件并具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)設(shè)置為與過程流體接觸；填充流體，靠近隔離膜的所述第二側(cè)設(shè)置；并且其中基底構(gòu)件和隔離膜由不同的材料構(gòu)造而成，并且其中隔離膜的熱膨脹系數(shù)大于基 底構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)為遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括包含至少一些填充流體的毛細(xì)管。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括連接毛細(xì)管的壓差變送器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括連接至壓差變送器的第二遠(yuǎn)程密封件。
14.一種在不同熱條件下測量過程流體壓力的方法，該方法包括下述步驟 將過程流體輸送到隔離膜上，以移位隔離膜；使隔離膜移位以通過填充流體使壓力傳感器的感測隔膜移位，其中填充流體隨著溫度 的升高而膨脹；以及利用溫度的升高降低隔離膜的張力，以抵消填充流體的至少一部分膨脹。
全文摘要
一種過程流體壓力變送器(10)，包括壓力傳感器(16)、變送器電子組件(18)和隔離系統(tǒng)(14)。壓力傳感器(16)具有隨著壓力改變的電特性。變送器電子組件連接至壓力傳感器(16)，用于感測所述電特性并計算壓力輸出。隔離系統(tǒng)(14)包括基底構(gòu)件(30)、隔離膜(32)和填充流體(38)。隔離膜(32)安裝至基底構(gòu)件(30)并插入壓力傳感器(16)和過程流體之間。填充流體(38)位于隔離膜(32)和壓力傳感器(16)之間?；讟?gòu)件(30)和隔離膜(32)由不同的材料構(gòu)造而成，以使隔離膜(32)的熱膨脹系數(shù)大于基底構(gòu)件(30)的熱膨脹系數(shù)。
文檔編號G01L9/00GK102057265SQ200980121145
公開日2011年5月11日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者大衛(wèi)·A·布羅登 申請人:羅斯蒙德公司