專利名稱：具有用于壓力傳感器的隔離部件的變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于監(jiān)控工業(yè)過(guò)程的壓力的壓力變送器。更具體的涉及用于變送器中的壓力傳感器的隔離部件。
壓力變送器使用具有隔離膜片(isolation diaphragm)的隔離部件，其中的隔離膜片將安裝在變送器中的壓力傳感器內(nèi)的壓力傳感器與要被測(cè)量的工藝流體相隔離。壓力被從隔離膜片傳送到容納傳感器的傳感器聯(lián)接器的傳感器腔體和基本上不可壓縮的隔離流體。隔離流體的壓力反映出工藝流體的壓力，且壓力傳感器對(duì)應(yīng)地提供輸出。美國(guó)專利第4833922號(hào)題目為“模塊壓力變送器”、美國(guó)專利第5094109號(hào)題目為“具有應(yīng)力隔離降低的壓力變送器”、和美國(guó)專利第5524492號(hào)題目為“壓力變送器隔離膜片”中都示出了此種類型的壓力變送器。
變送器中的元件的熱膨脹會(huì)造成壓力測(cè)量的誤差。例如，隔離流體(特別是油)的壓縮和熱膨脹會(huì)在壓力測(cè)量中引入誤差。另外，隔離結(jié)構(gòu)的元件的熱膨脹也會(huì)在所測(cè)量的壓力中造成誤差。
本發(fā)明包括用于測(cè)量工藝流體的壓力的壓力變送器。變送器包含變送器外殼、變送器電路和與變送器電路相連的壓力傳感器。變送器外殼中的傳感器聯(lián)接器在充滿隔離流體的壓力傳感器的四周限定出傳感器腔體。傳感器聯(lián)接器具有第一熱膨脹系數(shù)。隔離膜片與傳感器聯(lián)接器相連并將傳感器腔體和工藝流體密封。熱補(bǔ)償元件與傳感器腔體相連并具有所選的第二熱膨脹系數(shù)，由此使得體積發(fā)生變化用以補(bǔ)償由于傳感器聯(lián)接器及/或隔離流體的熱膨脹所造成的壓力變化。本發(fā)明的其它方面包含減少隔離流體的量，使用薄的隔離膜片和對(duì)隔離流體和相關(guān)的機(jī)械構(gòu)件內(nèi)的熱膨脹進(jìn)行補(bǔ)償。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括傳感器結(jié)構(gòu)的變送器的結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1的傳感器結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖3為傳感器結(jié)構(gòu)的部件分解透視圖。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有變送器體12、法蘭13和壓力傳感器部件14的壓力變送器10。變送器體12包含傳感器電路18和變送器電路20。壓力傳感器16被安裝在部件14中并與傳感器電路18相連。壓力傳感器16感應(yīng)通道和法蘭13中的壓力P1。傳感器電路18通過(guò)通訊總線22與變送器電路20相連。變送器電路20通過(guò)一個(gè)雙線通訊電路26發(fā)送與工藝流體的壓力P1相關(guān)的信息。例如，其可以是4-20mA電路環(huán)路或過(guò)程控制工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HART或Fieldbus環(huán)路。變送器10完全通過(guò)電路26從具有串聯(lián)聯(lián)接的電源29和電阻31的控制室27進(jìn)行供電。
更具體的，壓力傳感器結(jié)構(gòu)使用油作為隔離流體。用油填充通過(guò)隔離膜片與工藝流體隔離的腔體。當(dāng)由于來(lái)自工藝流體的壓力而使得膜片偏折時(shí)，其會(huì)對(duì)隔離流體造成壓力，位于傳感器結(jié)構(gòu)中的壓力傳感器測(cè)量壓力。此結(jié)構(gòu)可防止具有腐蝕性的或破壞性的工藝流體接觸到壓力傳感器。
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有技術(shù)的傳感器結(jié)構(gòu)在壓力測(cè)量中會(huì)造成誤差。首先，隔離膜片的位移需要一個(gè)力來(lái)移動(dòng)膜片，其會(huì)減少施加到隔離流體上的壓力。其結(jié)果，隔離流體的實(shí)際壓力小于工藝流體的實(shí)際壓力。通過(guò)設(shè)計(jì)膜片和傳感器可減少此誤差量，從而在整個(gè)的所測(cè)壓力的范圍內(nèi)膜片產(chǎn)生較小的位移。第二，需要使用這樣一種隔離膜片，其所引入的由于膜片位移所造成的壓力誤差小于壓力傳感器的最大的靈敏度。例如，具有直徑為1英寸不銹鋼的厚度為1密爾的隔離膜片的傳感器結(jié)構(gòu)的壓力誤差為0.0001磅/平方英寸及體積變化為1×10-4立方英寸?？杀缓附拥浇Y(jié)構(gòu)中的此類的壓力傳感器是最好的，因?yàn)楫?dāng)整體饋連時(shí)比線-連的傳感器需要較少的油量，從而其可減少不必要的油的體積。
另外，通過(guò)將油的體積減到最小以及通過(guò)將構(gòu)成油腔的結(jié)構(gòu)的壁制造得盡可能的剛性可減少由于油的壓縮所造成的誤差。最后，本發(fā)明的一個(gè)特征在于可以減少通過(guò)元件的熱膨脹和隔離流體的熱膨脹所引入的誤差。特別是，本發(fā)明在傳感器結(jié)構(gòu)中提供一個(gè)熱補(bǔ)償元件，用于補(bǔ)償由于熱膨脹所造成的尺寸的變化。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的壓力傳感器結(jié)構(gòu)14的截面示意圖。傳感器部件14與變送器10的法蘭13相連。根據(jù)本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)14包含傳感器聯(lián)接器42和提供熱補(bǔ)償元件的低膨脹套管44。隔離膜片46承受通道28的壓力P1并在隔離膜片46和傳感器聯(lián)接器42的基本平滑的表面間限定出膜片腔48。傳感器聯(lián)接器42包括應(yīng)力隔離區(qū)50，在其中的一個(gè)實(shí)施例中，該隔離區(qū)是在用于提供應(yīng)力隔離的聯(lián)接器42的底座中厚度減少的區(qū)域。在TIG(鎢極惰性氣體)焊縫54或通過(guò)其它的方法使套管44與傳感器聯(lián)接器42相連。傳感器16在焊縫56與帽80相連。套管44通過(guò)焊接或其它的粘接方法與帽80相連，套管44包含低膨脹的陶瓷。套管的外腔58和套管的底部腔體60形成在套管44和傳感器聯(lián)接器42之間。套管的內(nèi)腔62形成在套管44和壓力傳感器16之間。通道64將腔體58、60和62與腔體48相連，形成傳感器腔體82，其中的傳感器腔體82中填充非壓縮隔離流體(諸如油)，從而膜片46上的壓力被傳遞到壓力傳感器16。
圖3示出壓力傳感器結(jié)構(gòu)的部件分解圖。類陶瓷的帽80密封住壓力傳感器16(圖3中為示出)。帽80與其內(nèi)形成有傳感器腔體82的套管44相連，且套管44適合于在其內(nèi)安裝傳感器16。套管44被安裝在聯(lián)接器42內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，隔離膜片46的直徑為1英寸，腔體48的深度為0.005英寸，從而當(dāng)填充油時(shí)可提供超壓的保護(hù)。通道64的直徑為0.02英寸，長(zhǎng)度為0.200英寸。傳感器16的截面可為長(zhǎng)方形，并且在傳感器16和形成套管內(nèi)腔的套管44之間有0.008英寸的間隙。形成腔體60的間隙為0.005英寸，而形成套管外腔58的間隙為0.0015英寸。傳感器聯(lián)接器42和套管44為柱狀。傳感器聯(lián)接器42可用316不銹鋼制成，而用比不銹鋼的膨脹系數(shù)低的材料(諸如陶瓷)制成低膨脹套管44(例如堇青石)，這些材料可從科羅拉多州，Golde的St.Albans、Vermont或Coors陶瓷公司的高性能技術(shù)陶瓷獲得。堇青石的膨脹溫度系數(shù)為2.1×10-6英寸/度。套管外腔58由環(huán)形帽構(gòu)成，該環(huán)形帽的體積隨溫度的升高而增大，從而用于補(bǔ)償結(jié)構(gòu)14中的填充的流體或其它的元件的體積熱膨脹。
通過(guò)對(duì)此設(shè)計(jì)的分析可看出，在-4度到52度之間的溫度范圍內(nèi)腔體和流體系統(tǒng)的體積變化為2.23×10-5立方英寸。因此，由于傳感器聯(lián)接器的膨脹率大于堇青石，所以壓力基本保持恒定，從而使得間隙58擴(kuò)大用于補(bǔ)償所填充流體油的膨脹。
這里所提出的特定的實(shí)施例僅是最佳的實(shí)施例，對(duì)其所做的各種的變化都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。本發(fā)明包含在由于將壓力傳感器和要被檢測(cè)的壓力相連的隔離流體內(nèi)放置一個(gè)熱補(bǔ)償元件。通過(guò)選擇熱補(bǔ)償元件使其以適宜的比率進(jìn)行膨脹和收縮，其中所選的比率可補(bǔ)償傳感器結(jié)構(gòu)隔離流體的構(gòu)件或其它的元件的體積或空間的變化。在一個(gè)最佳的實(shí)施例中，隔離流體的總的體積被降低并使用在壓力下基本不變形的壓力傳感器。本發(fā)明可使用各種類型的壓力傳感器用于測(cè)量靜態(tài)壓力、表壓、差壓等或其它的與壓力相關(guān)的參數(shù)，諸如流量、高度或受元件的膨脹所影響的參數(shù)。本發(fā)明特別適合用于在過(guò)程控制儀器中的裝置(諸如變送器)，在變送器中被檢測(cè)的流體可能會(huì)是腐蝕性的或有污染的，這將導(dǎo)致對(duì)壓力傳感器的損壞。另外，所述的特定的尺寸、體積、形狀等僅僅是針對(duì)最佳的設(shè)計(jì)，當(dāng)為了精確或其它的適宜的限制時(shí)其可被改變。
雖然已經(jīng)參考最佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在形式上和細(xì)節(jié)上所做的各種的修改都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于提供表示工藝流體的壓力的輸出的變送器，其特征在于包含變送器外殼；在變送器外殼內(nèi)的變送器電路，用于響應(yīng)傳感器輸出提供相應(yīng)輸出；傳感器聯(lián)接器，其與變送器外殼相連，變送器外殼限定出傳感器腔體，該腔體具有填充隔離流體的腔體體積，傳感器聯(lián)接器具有第一熱膨脹系數(shù)；隔離膜片，其與傳感器聯(lián)接器相連并在其中限定出傳感器體，隔離膜片適合于將壓力和隔離流體相連；壓力傳感器，其安裝在傳感器腔體內(nèi)并與隔離流體相連，壓力傳感器向變送器電路提供傳感器輸出；及熱補(bǔ)償元件，與具有第二熱膨脹系數(shù)的的腔體相連，用于補(bǔ)償由于傳感器聯(lián)接器的熱膨脹所造成的腔體體積的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于熱補(bǔ)償元件被安裝在由傳感器聯(lián)接器所限定的傳感器腔體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于熱補(bǔ)償元件包括腔體且壓力傳感器被安裝在腔體內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于熱補(bǔ)償元件包括堇青石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于第二熱膨脹系數(shù)小于第一熱膨脹系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于熱補(bǔ)償元件裝配在傳感器聯(lián)接器內(nèi)，而腔體體積包括形成在傳感器聯(lián)接器和熱補(bǔ)償元件之間的外腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于壓力傳感器被安裝在熱補(bǔ)償元件內(nèi)，而腔體體積包括被限定在熱補(bǔ)償元件和壓力傳感器之間的內(nèi)腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于變送器電路輸出包含4-20mA的信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于輸出包含數(shù)字信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于壓力傳感器包含藍(lán)寶石。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于傳感器包含一端與傳感器聯(lián)接器相連的長(zhǎng)形的元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于傳感器聯(lián)接器包括厚度減少的區(qū)域，其對(duì)壓力傳感器提供應(yīng)力隔離。
全文摘要
過(guò)程控制變送器(10)包含變送器外殼(12)和用于提供與所測(cè)的壓力相關(guān)的變送器輸出的變速器電路(20)。外殼(12)內(nèi)的傳感器聯(lián)接器(42)限定出填充隔離流體的壓力傳感器腔體。隔離膜片(46)將傳感器腔體和工藝流體隔離并用于在其間傳送壓力。壓力傳感器(16)被安裝在傳感器腔體內(nèi)并向變送器電路(20)提供與壓力相關(guān)的輸出。熱補(bǔ)償元件(44)與傳感器腔體相連,并具有不同于傳感器聯(lián)接器(42)的熱膨脹系數(shù)。補(bǔ)償元件(44)用于補(bǔ)償由于元件或隔離流體的熱膨脹所造成的壓力變化。
文檔編號(hào)G01L19/04GK1249812SQ98802952
公開日2000年4月5日 申請(qǐng)日期1998年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月14日
發(fā)明者弗雷德·C·西特勒 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司