用于过程压力测量的改进的隔离系统的制作方法
【专利说明】用于过程压力测量的改进的隔离系统
[0001]本申请是分案申请。本申请的原案为进入中国国家阶段的PCT专利申请，原案的PCT申请号为PCT/US2009/046060，申请日为2009年6月3日；原案的国际公开号为W02009/0152004，国际公开日为2009年12月17日；原案的中国专利申请号:200980121145.4，进入中国国家阶段日为2010年12月6日。原案的说明书全文提供如下以供参考。
【背景技术】
[0002]工业过程压力变送器用力测量工业过程流体(如化工、纸浆、石油、天然气、制药、食品和/或其它流体处理设备中的泥浆、液体、蒸汽或气体)的压力。工业过程流体压力变送器通常放置在过程流体附近，或者放置在现场应用中。通常这些现场应用经受严格且变化的环境条件，这对这种变送器的设计人员提出了挑战。
[0003]多种过程流体压力变送器中的感测元件通常是电容基的传感器，包括可偏转感测隔膜和两个或多个电容电极。电介质填充流体通常用在电容板和隔膜之间。隔离膜通常与过程流体界面连接并防止过程流体(其有时可以是苛刻的、腐蚀性的、脏的、受污染的或处于极高的温度)与该传感器的元件相互影响。通常，过程流体作用在隔离膜上，使隔离膜偏转，这种偏转移动或移位隔膜后面的填充流体，该填充流体随后相应地移动或移位压力传感器的感测隔膜。压力传感器具有随施加的压力变化的诸如电容之类的电特性，该电特性由过程流体压力变送器内的测量电路测量或确定，产生与过程流体压力相关的输出信号。还可以根据公知的工业标准通信协议对该输出信号进行格式化，并通过过程通信回路将其传输至其它现场设备或控制器。
[0004]随着过程流体压力变送器的技术状态的提高，感测技术和精度也改善了。然而，仍然要求这种设备的制造厂商提供具有更严格的精度和准度的设备。因此，提供具有改善的准度和精度的过程流体压力变送器将有利于工业过程测量和控制技术。
【发明内容】
[0005]一种过程流体压力变送器，包括压力传感器、变送器电子组件和隔离系统。压力传感器具有随着压力改变的电特性。变送器电子组件连接至压力传感器，用于感测所述电特性并计算压力输出。隔离系统包括基底构件、隔离膜和填充流体。隔离膜安装至基底构件并插入压力传感器和过程流体之间。填充流体位于隔离膜和压力传感器之间。基底构件和隔离膜由不同的材料构造而成以使隔离膜的热膨胀系数大于基底构件的热膨胀系数。
【附图说明】
[0006]图1A为本发明的各实施方式特别适用的过程流体压力变送器的示意图。
[0007]图1B为隔离系统的一部分的示意图。
[0008]图2图不了隔呙系统对温度升尚的响应。
[0009]图3A为根据现有技术的隔离装置容积相对隔离膜压力的图表。
[0010]图3B为根据本发明实施方式的隔离装置容积相对隔离膜压力的图表。
[0011]图4为本发明的实施方式可以实践的过程流体压力测量系统的示意图。
[0012]图5为沿着图4中的剖面线A-A截取的横截面示意图，图示了隔离膜和基底。
【具体实施方式】
[0013]本发明的一些方面和实施方式源于对已经困扰隔离系统设计技术的问题的独特理解。具体地，测量诸如蒸汽之类的热的工业流体的工业过程流体压力变送器通常在“恒稳态”和瞬态条件两个情况下展现出较大误差。这些测量误差在采用单隔膜隔离装置测量表压(gauge pressure)或绝对压力的过程流体压力测量变送器中是常见的。此外，这些测量误差还存在于远程密封(remote seal)系统以及压差测量系统中。
[0014]当采用单个隔离量表或绝对压力变送器测量非常热的过程流体时，电子组件和温度补偿传感器通常远离弹性金属过程流体隔离膜设置。当在实质上高于典型的工业电子组件可以承受的温度(即，185° F)的过程流体温度下测量时特别如此。在这些设备中，热的过程非常快地加热隔离流体(如硅油或DC200)和隔离装置隔膜。填充流体膨胀，使隔离装置隔膜伸展，隔离装置隔膜产生背压(用作容积应变弹簧)。压力传感器将这种情况测量为误差。这种温度引起的误差不能由热瞬变系统中的“环境”温度修正测量系统完全补偿。
[0015]取决于过程流体压力变送器的结构，上述误差即使在系统已经达到热稳定状态时仍然存在。这通常在当在绝对压力或表压测量变送器的情况中连接单个隔膜装置远程密封件时发生。用于与热过程热隔离(具有或不具有毛细管)目的的远程密封件的添加可能具有本质上的测量误差。
[0016]上述误差几乎是零基测量误差。然而，跨度(斜率)也受到影响。因为所述误差几乎是零基的，较低的压力测量是非常脆弱的。这些误差还由于油或填充流体体积和隔膜刚度而增加。隔离膜刚度随着直径的减小而增加，因此较小的隔离膜易于产生更大的误差。为了解决这种误差，在高温远程密封的情况下通常使用大的隔离膜。
[0017]图1A为本发明的各实施方式特别适用的过程流体压力变送器的示意图。变送器10包括过程流体端口 12，其构造为容纳螺纹入口，以输送到那里的过程流体。变送器10还包括隔离系统14，其在图1B中被更详细地示出。隔离系统14构造为与存在于端口 12处的过程流体直接接触，并将压力施加至填充流体，如娃油，或从Michigan州米德兰市的DowCorning公司购买到的DC200，其将压力传递至图1A中以虚线图示的压力传感器16。压力传感器16产生由变送器电子组件18感测的电信号或特性。变送器电子组件18还构造为基于传感器信号计算过程流体压力，并在过程通信回路(示意性地图示为电线20)上传输计算出的过程流体压力。
[0018]过程流体压力变送器10为诸如表压或绝对压力变送器之类的单入口过程流体压力变送器的例子。本发明的各实施方式特别使用的其它示例性的过程流体压力变送器包括压差变送器。本质上，无论何时隔离系统用来采用填充流体将过程流体与压力传感器物理隔离，都可以采用本发明的实施方式。因此，即使在远程密封应用中，也可以实现本发明的实施方式。
[0019]图1B为隔离系统14的示意图。隔离系统14包括支撑基底30，其优选是圆柱形的，且具有约3/4英寸的直径。用于支撑基底30结构的常规材料是316型不锈钢。隔离装置隔膜32优选是圆形的并围绕其周边34焊接至支撑基底30。隔离装置隔膜32通常包括至少一个盘旋结构36，并且通常约千分之一英寸(0.001英寸)厚。而且，隔离装置隔膜32通常由与支撑基底30相同的材料形成。因此，隔离装置隔膜32也通常由316型不锈钢构造。如图1B所示，过程流体在隔离装置隔膜32的外表面上施加压力，该压力传递至隔离膜32后面的且在通道40内的填充流体38。通道40 —直向上延伸至压力传感器16，在那里由传感器16测量填充流体38的压力。
[0020]图2图示了隔离系统对温度升高的响应。具体地，当温度增加时，支撑基底和隔离装置隔膜的直径都随着它们的热膨胀系数而增加。此外，靠近隔离装置隔膜的填充流体还通过薄的金属隔膜经由传导而暴露至升高的温度，并且其膨胀。因此，当温度增加时，隔膜从图示50的实线移向图示52的虚线。如可理解，当隔膜暴露至热的过程流体时，填充流体膨胀，使隔膜伸展。在如隔离刚度图表所示(图3A)从第一温度移动至升高的第二温度的过程中，这引起背压的增加。如果温度持续增加，则在隔膜中产生径向张力，这增加了背压。最终，当超过极限时隔膜会永久变形。温度升高时的隔离膜刚度实质上是相同的，因为隔离装置安装在与该隔离装置具有近似相同的热膨胀的基底材料上。
[0021]本发明的实施方式大体上产生一种系统，其中一些填充流体的热膨胀由隔离装置隔膜的张力减小而逆向平衡。可以实施这种系统的一种方式是选择用于隔离膜和支撑/基底构件的材料，使得隔离装置隔膜具有比它沿周边连接到其上的支撑/基底构件高的热膨胀系数。因此，当温度增加时，隔离膜相对于它连接到其上的基底构件扩大。这种热诱