專利名稱：過(guò)程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及過(guò)程流體壓力測(cè)量領(lǐng)域，并且更具體地，涉及用于單晶過(guò)程流體壓力傳感器的熱診斷。
背景技術(shù)：
壓力傳感器在許多工業(yè)應(yīng)用中用于測(cè)量壓力。一種類型的壓力傳感器被稱為可偏轉(zhuǎn)隔膜壓力傳感器。在這些壓力傳感器中，壓力直接地或通過(guò)不可壓縮的填充流體施加到可偏轉(zhuǎn)隔膜。諸如電容板之類的電極連接到可偏轉(zhuǎn)隔膜，使得隔膜板的運(yùn)動(dòng)改變諸如電容之類的電特性，電特性可以被測(cè)量并且與壓力有關(guān)?；诳善D(zhuǎn)隔膜的壓力傳感器用在差壓、絕對(duì)壓力和表壓力傳感器中。壓力傳感器經(jīng)常工作在惡劣的環(huán)境中，如高的過(guò)程溫度或腐蝕性流體。已經(jīng)在這樣苛刻條件下使用的一種技術(shù)是分開(kāi)和隔離壓力傳感器和其壓力正被測(cè)量的過(guò)程流體。一種技術(shù)使用隔離隔膜，其使過(guò)程流體在一側(cè)，隔離流體在另一側(cè)。隔離流體將隔離隔膜連接到壓力傳感器的監(jiān)測(cè)隔膜。在過(guò)程流體壓力變化時(shí)，隔離隔膜響應(yīng)地偏轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致將通過(guò)隔離流體傳送到壓力傳感器隔膜的壓力變化。具有隔離隔膜的壓力傳感器在本領(lǐng)域中是眾所周知的。但是，要建立這樣的隔離系統(tǒng)增加成本和復(fù)雜性。而且，流體會(huì)由于過(guò)壓或機(jī)械損壞而泄漏，導(dǎo)致已經(jīng)由過(guò)程流體污染的流體體積或填充流體的損失。在一些應(yīng)用中，理想的是使用單晶壓力傳感器。與其他類型的可偏轉(zhuǎn)隔膜的壓力傳感器相比，單晶壓力傳感器提供許多優(yōu)點(diǎn)。單晶壓力傳感器提供極低的滯后性、高頻響應(yīng)、以及極強(qiáng)的抗化學(xué)侵蝕和抗熱分解。一個(gè)特定的單晶壓力傳感器是由藍(lán)寶石構(gòu)造的。由于單晶壓力傳感器具有這種極端的耐化學(xué)侵蝕和耐熱分解，其可以用在其中沒(méi)有使用填充流體的應(yīng)用中。因此，過(guò)程流體可以直接地接觸單晶壓力傳感器隔膜。因此，對(duì)于一些應(yīng)用，單晶壓力傳感器是用于過(guò)程流體壓力的測(cè)量的主要選擇。雖然過(guò)程控制測(cè)量工業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)重要的診斷能力，用于確定過(guò)程通信、過(guò)程裝置電子元件以及甚至一些過(guò)程傳感器的健康和操作狀態(tài)，但用于單晶壓力傳感器的這種診斷還沒(méi)有被開(kāi)發(fā)出來(lái)。美國(guó)專利7，918，134提供一種用于壓力變送器的基于熱的診斷系統(tǒng)，其中熱脈沖被施加到過(guò)程流體壓力變送器中的填充流體。熱脈沖影響填充流體的體積，并且變化的體積可以使用壓力傳感器測(cè)量，以診斷和/或驗(yàn)證壓力傳感器的操作。雖然這樣的診斷對(duì)于基于填充流體的過(guò)程流體壓力傳感器系統(tǒng)是非常有用的，但它們不能夠解決沒(méi)有提供這種填充流體的應(yīng)用。特別地，在一些單晶壓力傳感器應(yīng)用中，過(guò)程流體本身被直接施加到壓力傳感器的偏轉(zhuǎn)隔膜。因此，沒(méi)有填充流體，并且因而’ 134專利的診斷是不可用的。提供與單晶壓力傳感器相關(guān)的增強(qiáng)的診斷和驗(yàn)證將增加可靠性，并且相對(duì)于采用這種傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合將增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種過(guò)程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括過(guò)程流體壓力變送器，具有變送器電子元件，并且被配置為測(cè)量過(guò)程流體壓力傳感器的電特性，并且在過(guò)程通信回路上提供壓力指示；單晶過(guò)程流體壓力傳感器，連接到過(guò)程流體壓力變送器，該過(guò)程流體壓力傳感器具有電阻元件和壓敏元件，該壓敏元件具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性，壓敏元件被連接到第一輸出；并且其中，過(guò)程流體壓力變送器包括變送器電子元件，變送器電子元件被配置為施加電流到單晶壓力傳感器的電阻元件、監(jiān)測(cè)過(guò)程流體壓力傳感器對(duì)由電流產(chǎn)生的熱量的電響應(yīng)、并且基于所述電響應(yīng)提供驗(yàn)證輸出。較佳地，在上述過(guò)程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)中，單晶過(guò)程流體壓力傳感器可以由藍(lán)寶石構(gòu)成。

圖1是特別地使用本實(shí)用新型的實(shí)施例的過(guò)程流體壓力變送器的分解視圖。圖2是特別地使用本實(shí)用新型的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的示意圖。圖3是圖2中圖示的接收過(guò)程流體壓力(P)的壓力傳感器的示意圖。圖4是特別地使用本實(shí)用新型的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的示意分解圖。圖5是在根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的壓力傳感器上執(zhí)行診斷的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
單晶過(guò)程流體壓力傳感器，特別是基于藍(lán)寶石的單晶過(guò)程流體壓力傳感器是已知的。例如，美國(guó)專利6，089，097和6，508，129報(bào)告了這樣的傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。本實(shí)用新型的實(shí)施例主要提供用于這種單晶過(guò)程流體壓力傳感器，并且特別地用于基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的有效的驗(yàn)證診斷。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例有效地實(shí)施診斷對(duì)表驗(yàn)證能力做出貢獻(xiàn)。此外，由于基于藍(lán)寶石的壓力傳感器的應(yīng)用增加，增強(qiáng)的診斷將在其它情況下是有用的。圖1是特別地使用本實(shí)用新型的實(shí)施例的過(guò)程流體壓力變送器50的分解視圖。變送器50包括用于接收壓力差的法蘭52、兩個(gè)絕對(duì)壓力傳感器膜片(未顯示)和電子元件56。變送器50用螺栓固定到法蘭適配器58，法蘭適配器58連接到脈沖管，脈沖管連接到法蘭適配器接頭60或其他連接硬件。圖1描述的過(guò)程流體壓力變送器僅是示例性的，并且其他過(guò)程流體壓力變送器可以用于本實(shí)用新型的實(shí)施例。特別地，可以從Emerson ProcessManagement (艾默生過(guò)程管理公司)獲得的以商標(biāo)牌號(hào)KosomoLllU Model4600出售的絕對(duì)壓力過(guò)程流體壓力變送器也可以結(jié)合本實(shí)用新型的實(shí)施例。圖2是特別地使用本實(shí)用新型的實(shí)施例的單晶壓力傳感器的一個(gè)示意性的視圖。壓力傳感器100通常以梁的形狀布置，并且由第一層102和第二層104制成，第一層102和第二層104都由諸如藍(lán)寶石之類的單晶材料構(gòu)造。第一層102和第二層104粘結(jié)在一起以形成梁狀主體107，主體107包括第一端部106和相對(duì)的端部110，第一端106具有適于流體加壓的一個(gè)或多個(gè)隔膜108。第一端部106和第二端部110由過(guò)程流體容器壁112分開(kāi)。從本質(zhì)上講，壓力傳感器100通過(guò)在壁112中的孔，并且以銅焊、焊接或以其他方式固定在其上，如在標(biāo)號(hào)114處表示。銅焊的安裝提供流體屏障，使得加壓的過(guò)程流體不會(huì)到達(dá)位于第二端部110處的電接觸墊，避免接觸墊被加壓流體腐蝕。電接觸墊和隔膜108位于梁狀傳感器主體107的相對(duì)端上，提供所需的機(jī)械隔離，從而使由電引線施加的任何作用力在其可以達(dá)到壓力監(jiān)測(cè)隔膜108之前大大地衰減。圖3是圖2中所示的接收過(guò)程流體壓力⑵的壓力傳感器的示意圖。正如所指出的，過(guò)程流體壓力P導(dǎo)致至少一個(gè)隔膜108向內(nèi)變形(向內(nèi)偏轉(zhuǎn)在圖3中被大大地夸大)。至少一個(gè)隔膜108的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致粘接到隔膜108的內(nèi)表面的電容板移動(dòng)。電容板的這個(gè)移動(dòng)導(dǎo)致電容板之間的電容變化，其因而表示施加的過(guò)程流體壓力。電容板(capacitive plate)是具有隨著所施加的壓力變化的電特性的壓敏元件的一個(gè)示例。例如，本實(shí)用新型的實(shí)施例也可以使用電阻應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)。對(duì)于過(guò)程工業(yè)來(lái)說(shuō)重要的是能夠驗(yàn)證壓力變送器和/或壓力傳感器是否正常運(yùn)行。壓力變送器設(shè)備診斷目前只限于特別地在能夠偏轉(zhuǎn)單晶隔膜式壓力傳感器的情況下確定傳感器和傳感器系統(tǒng)的健康的能力。藍(lán)寶石壓力傳感器是精密設(shè)備，并且重要的是能夠快速地和準(zhǔn)確地確定這樣的傳感器的驗(yàn)證。當(dāng)前基于藍(lán)寶石的過(guò)程流體壓力傳感器一般地提供測(cè)量電容(其基于至少一個(gè)可偏轉(zhuǎn)隔膜的偏轉(zhuǎn)而變化)、參考電容(其不隨著隔膜偏轉(zhuǎn)變化，但是在所有其他方面(如溫度)類似于測(cè)量電容變化)和溫度測(cè)量值。典型地，因?yàn)殡娙菪盘?hào)共享公共引線，這樣的傳感器具有五個(gè)接線端。本實(shí)用新型的實(shí)施例通常利用將在診斷測(cè)試期間被供電的溫度傳感器(為電阻器)，由此產(chǎn)生I2R熱量。由溫度傳感器(瞬間加熱器)施加的熱量將通過(guò)機(jī)械地?cái)U(kuò)大傳感器結(jié)構(gòu)而影響壓力傳感器。簡(jiǎn)單實(shí)施例的示例將是將輸出保持在壓力的最后溫度補(bǔ)償值處，通過(guò)溫度傳感器使電流轉(zhuǎn)向，以及測(cè)量電容式傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)，并且然后切換回正常操作。對(duì)溫度傳感器引起的熱脈沖的適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)將表示健康的傳感器、傳感器電子元件和互連。注意到，基于藍(lán)寶石的過(guò)程流體壓力傳感器典型地使用處于真空的傳感器的內(nèi)部容積測(cè)量絕對(duì)壓力。因此，熱量不導(dǎo)致壓力變化。如果傳感器被浸潰在充油型系統(tǒng)中，如用于KoscmourU 型號(hào)4600，則熱量可能潛在地導(dǎo)致油膨脹，產(chǎn)生增加的壓力。但是，可以相信，因?yàn)楸容^大的油量，這個(gè)增加的壓力會(huì)產(chǎn)生無(wú)關(guān)緊要的信號(hào)。因此，本實(shí)用新型的實(shí)施例可以用于充油型壓力傳感器。圖4是特別地使用本實(shí)用新型的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石的過(guò)程流體壓力傳感器的示意性分解圖。層102包括設(shè)置在可偏轉(zhuǎn)隔膜108的內(nèi)表面上的傳感器電容器116。上部電極118、120被設(shè)置為相對(duì)于層102上的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)完成檢測(cè)和參考電容器。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器122優(yōu)選地由諸如鎢之類的高溫金屬構(gòu)成，并且具有1500歐姆的標(biāo)稱電阻。鎢RTD的溫度系數(shù)在5. 4歐姆/攝氏度處是相對(duì)線性的。圖5是在根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的基于藍(lán)寶石壓力傳感器上執(zhí)行診斷的方法的流程圖。方法150包括提供單晶壓力傳感器，該單晶壓力傳感器優(yōu)選地由藍(lán)寶石構(gòu)成，并且具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性，和位于其中的至少一個(gè)電阻元件。方法150在塊152處開(kāi)始，其中過(guò)程流體壓力傳感器被加熱或被暫時(shí)地?zé)釠_擊。可以使用任何合適的熱源施加熱量。優(yōu)選地，使用壓力傳感器內(nèi)的金屬電阻元件作為加熱元件施加熱量。更優(yōu)選地，這個(gè)元件還兼作電阻溫度裝置。功率可以從任何合適的源施加到內(nèi)部電阻元件，合適的源包括廢物提取式變送器電源(scavenged transmitter power)、、諸如超級(jí)電容器或電池之類的內(nèi)部存儲(chǔ)系統(tǒng)、變送器回路電源、外部電源或者其任何組合。在使用超級(jí)電容器的實(shí)施例中，超級(jí)電容器可被連續(xù)充電，或者在診斷測(cè)試順序期間通過(guò)分流過(guò)量的變送器功率(在靜態(tài)電流和20毫安之間)進(jìn)入電容器而被充電幾分鐘。然后，超級(jí)電容器快速地放電到溫度傳感器中以產(chǎn)生熱脈沖。不考慮用于加熱的功率源，當(dāng)施加熱量時(shí)，并且即使在施加熱量以后，如在塊154處所示，過(guò)程流體壓力傳感器的至少一個(gè)電特性被監(jiān)測(cè)和/或記錄。所述監(jiān)測(cè)可以包括監(jiān)測(cè)電阻元件的電阻、監(jiān)測(cè)參考電容的電容、監(jiān)測(cè)測(cè)量電容器的電容或它們的任意組合。接著，在塊156處，變送器電子元件，如過(guò)程流體壓力變送器的微處理器，根據(jù)監(jiān)測(cè)和/或記錄的傳感器值確定或以其它方式表征傳感器的狀態(tài)，并且提供驗(yàn)證輸出。這可以是在診斷期間在變送器上專門地運(yùn)行的任務(wù)，或者可以是在其它變送器操作期間作為后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行的任務(wù)。傳感器的響應(yīng)的分析可以包括以下分析技術(shù)中的任何一種或全部測(cè)量輸出信號(hào)的大?。淮_定信號(hào)的時(shí)間常數(shù)；和/或確定輸出信號(hào)的波形。最后，在塊158處，診斷過(guò)程完成，并且壓力傳感器返回到標(biāo)準(zhǔn)操作。方法150可以通過(guò)在過(guò)程通信回路上的通信自動(dòng)地啟動(dòng)、在過(guò)程流體壓力變送器被通電時(shí)自動(dòng)地啟動(dòng)或在其后定期地啟動(dòng)、和/或可以由與過(guò)程流體壓力變送器的本地用戶接口交互的技術(shù)人員手動(dòng)啟動(dòng)。雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不背離在本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面做出改變。
權(quán)利要求1.一種過(guò)程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括過(guò)程流體壓力變送器，具有變送器電子元件，并且被配置為測(cè)量過(guò)程流體壓力傳感器的電特性，并且在過(guò)程通信回路上提供壓力指示；單晶過(guò)程流體壓力傳感器，連接到過(guò)程流體壓力變送器，該過(guò)程流體壓力傳感器具有電阻元件和壓敏元件，該壓敏元件具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性，壓敏元件被連接到第一輸出；并且其中，過(guò)程流體壓力變送器包括變送器電子元件，變送器電子元件被配置為施加電流到單晶壓力傳感器的電阻元件、監(jiān)測(cè)過(guò)程流體壓力傳感器對(duì)由電流產(chǎn)生的熱量的電響應(yīng)、 并且基于所述電響應(yīng)提供驗(yàn)證輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)，其中，單晶過(guò)程流體壓力傳感器由藍(lán)寶石構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)提供一種過(guò)程流體壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括過(guò)程流體壓力變送器，具有變送器電子元件，并被配置為測(cè)量過(guò)程流體壓力傳感器的電特性，且在過(guò)程通信回路上提供壓力指示；單晶過(guò)程流體壓力傳感器，連接到過(guò)程流體壓力變送器，該過(guò)程流體壓力傳感器具有電阻元件和壓敏元件，該壓敏元件具有隨著施加的壓力變化的至少一個(gè)電特性，壓敏元件被連接到第一輸出；其中，過(guò)程流體壓力變送器包括變送器電子元件，變送器電子元件被配置為施加電流到單晶壓力傳感器的電阻元件、監(jiān)測(cè)過(guò)程流體壓力傳感器對(duì)由電流產(chǎn)生的熱量的電響應(yīng)、并且基于所述電響應(yīng)提供驗(yàn)證輸出。
文檔編號(hào)G01L9/00GK202886050SQ20122053478
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者羅伯特·C·海德克 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司