高温压力感测的制作方法

高温压力感测的制作方法
【专利摘要】压力感测系统包括热区电子器件模块、冷区电子器件模块以及将热区电子器件连接到冷区电子器件的多个导体。热区电子器件模块包括电容式压力传感器和向电容式压力传感器提供振荡信号的振荡器。热区电子器件提供至少一个DC传感器信号。冷区电子器件模块将至少一个DC传感器信号转换为压力值并提供DC功率信号。多个导体向热区电子器件传递DC功率信号并向冷区电子器件传递至少一个DC传感器信号。
【专利说明】
高温压力感测
技术领域
[0001] 以下描述的实施例涉及过程现场设备。具体地，实施例涉及过程环境中的电容式 传感器。
【背景技术】
[0002] 一些微电子电路元件额定在周围温度不超过85°C时使用。然而，在很多过程控制 环境中，周围温度或过程温度可超过200°C。因此，在这些高温环境中，无法使用标准电子 器件来测量过程变量，例如压力、运动、湿度、接近度和化学浓度。必须使用专门设计为承受 200°C以上温度的高温电子器件作为替代。遗憾的是，这种高温电子器件比标准电子器件昂 虫汐曰夕 贝侍多〇
[0003] 此外，这些高温环境中的现场设备必须能与控制室进行通信，以传递它们正在测 量的过程变量。在一些配置中，将在高温环境和较冷环境之间延伸的超长导体用于通信。例 如，深层天然气钻井发生在15000英尺以上的深度。为了监视这种钻井底部的环境状态，需 要在那里放置传感器套件。然而，这种传感器套件和钻井顶部之间的通信是通过延伸整个 钻井长度的线缆来进行的。这种线缆具有固有线路电感、固有线路电容和固有线路电阻，它 们使得通过线缆发送的信号劣化，并可能引入线缆信号振铃（signal ringing)。线缆的电 感、电容和电阻的大小取决于线缆长度。随着线缆长度增加，电感、电容和电阻增加且信号 劣化程度增加。这使过程变量值难以从测量环境传输到控制室。
[0004] 提供以上讨论仅用于一般性的背景信息，并不意图帮助确定请求保护主题的范 围。请求保护的主题不限于解决【背景技术】记载的任意或全部缺点的实现。

【发明内容】

[0005] -种压力感测系统包括热区电子器件模块、冷区电子器件模块以及使热区电子器 件连接到冷区电子器件的多个导体。热区电子器件模块包括电容式压力传感器和向电容压 力传感器提供振荡信号的振荡器。热区电子器件提供至少一个DC传感器信号。冷区电子 器件模块将至少一个DC传感器信号转换为压力值并提供DC功率信号。多个导体向热区电 子器件传递DC功率信号并向冷区电子器件传递至少一个DC传感器信号。
[0006] 在另一实施例中，提供了一种包括传感器电子器件的传感器装置，传感器电子器 件包括振荡器和电容式传感器。传感器装置还包括使用来自传感器电子器件的至少两个DC 信号以形成过程变量值的转换电子器件。包括至少两个导体的多导体线缆从传感器电子器 件向转换电子器件提供至少两个DC信号。
[0007] 根据另一实施例，一种方法包括：在高于200摄氏度的温度下使用二极管检测器 来形成至少两个DC传感器信号；跨多导体线缆向过程变量计算电子器件传递至少两个DC 传感器信号；以及在低于1〇〇摄氏度的温度下，使用过程变量计算电子器件将至少两个DC 传感器信号转换为过程变量值。
[0008] 提供
【发明内容】
和摘要，以简化形式引入在下文【具体实施方式】中进一步描述的概念 的选择。
【发明内容】
和摘要并不意图指明请求保护主题的关键特征或必要特征，它们也不意 图用于帮助确定请求保护主题的范围。
【附图说明】
[0009] 图1提供了根据一个实施例的电容式传感器测量系统的框图。
[0010] 图2提供了根据一个实施例的传感器套件的电路图。
[0011] 图3提供了根据一个实施例的振荡器的电路图。
[0012] 图4提供了示出在各种温度下传递函数值和压力值之间关系的多幅图。
【具体实施方式】
[0013] 以下描述的实施例提供了一种在不使用大量高温电子器件的情况下可在高温环 境中使用的高温电容式感测模块，同时允许传感器套件跨导体向较冷环境发送传感器信 号。
[0014] 图1提供了根据一个实施例的在过程环境100中的电容测量系统的框图。在过程 环境100中，存在与冷区104分隔一定跨度的热区102。热区102可以位于例如温度可超过 200°C的化石燃料井中。冷区104可以位于例如温度低于85°C的地上。过程控制环境100 包括跨度106可高达2万英尺的环境。尽管跨度106可根据需要变短，但在跨度106大于 100英尺的环境中，根据各实施例的电容式测量系统是特别有益的。
[0015] 在热区102中，安置传感器套件108 (也称为传感器电子器件）以感测过程变量， 例如压力、湿度、接近度、运动、振动和化学成分。通过从热区102延伸到冷区104的多导体 线缆110,传感器套件108接收功率并提供一个或多个传感器信号。热区102可选地包括使 用多导体线缆110的一个或多个导体来提供温度值的电阻温度检测器（RTD) 112。RTD 112 和传感器套件108共同形成热区电子器件114,该热区电子器件114可安装在单个电路板上 或可以分布在多个电路板上。
[0016] 在冷区104中，冷区电子器件116(也称为过程变量计算电子器件或转换电子器 件）向热区电子器件114提供功率，通过线缆110从热区电子器件114接收传感器信号，并 基于来自热区电子器件114的传感器信号生成过程变量值134。根据一个实施例，冷区电子 器件116包括电流表118、120,以及可选地包括用于感测由传感器套件108提供的DC传感 器信号的电流表122。根据一个实施例，载有DC传感器信号的导体在与传感器套件108的 电路公共端（circuit common)接近的电压上端接在冷区电子器件116之中。为了实现这 一点，每个电流表118、120和122的一个输入连接到载有DC传感器信号的导体，并且另一 端连接到电压，使得在电流表输入处的导体电压尽可能地接近传感器套件108的电路公共 端。温度计算电路126使用连接到RTD112的导体上的信号，以确定热区102中的温度。需 要注意的是：为了精确测量，可能需要连到RTD的三线或四线连接。DC电源128向传感器 套件108提供DC电压和DC电流，如下文所述。将电流表118、120和122测量的电流值提 供给传递函数计算电路130,传递函数计算电路130根据电流来确定传递函数。然后，将传 递函数提供给基于温度的传递函数转换单元132,基于温度的传递函数转换单元132还接 收由温度计算单元126确定的温度。使用基于温度的系数和由温度计算单元126提供的温 度，转换单元132将来自传递函数计算电路130的传递函数转换为过程变量134。过程变量 的示例包括例如压力、运动、振动、接近度、湿度和化学成分。
[0017] 图2提供了根据一个实施例的传感器套件的电路图。图2中，第一电容Cs(也称 为电容式传感器或电容式压力传感器）、第二电容Cr(也称电容式传感器或电容式压力传 感器）和二极管D1、D2、D3的集合形成二极管检测器，该二极管检测器从振荡器212接收振 荡信号并在导体214、216和218上生成DC电流信号。振荡器212接收导体220和222上 的DC电源信号。根据一个实施例，电容Cr和电容Cs是蓝宝石传感器201的一部分。
[0018] 二极管D1的阴极连接到二极管D3的阳极和电容Cs的一侧。二极管D3的阴极连 接到二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接到二极管D2的阳极和电容Cr的一侧。电容 Cs和电容Cr没有连接到二极管的侧共同连接在接收振荡器212的输出的公共节点210处。
[0019] 导体214、216、218、220和222形成线缆110的一部分并延伸跨过跨度106，在很多 实施例中跨度106超过100英尺。这些导体中的每一个导体具有随导体长度增加而增加的 关联电感。此外，这些导体中的每一个导体具有在导体和环绕导体的屏蔽之间的电容。该 电容也随线缆110的长度而增加。导体的电容和电感共同导致了导体上的信号能量在电感 和电容之间振荡的LC振铃。为了使这种振铃不影响二极管检测器或振荡器212,优选为每 一个导体提供由电阻和电容组成的，使传感器套件108的其他组件与LC振铃隔离的线路滤 波器。例如，电阻RF1和电容CF1使导体214上的振铃无法到达二极管D1。类似地，电阻 RF3和电容CF3担当导体216的线路滤波器，电阻RF2和电容CF2担当导体218的线路滤波 器，以及电阻RF4、RF5和电容CF4担当导体220和222的线路滤波器。
[0020] 操作中，振荡器212接收跨导体220和222的DC电压，并将该DC电压转换为振荡 信号。根据一个实施例，DC电压为DC 10V，并且振荡信号Vex在50kHz上具有10V的峰峰 值。振荡电压信号出现在与二极管D2和D4的并联结构相串联的电容Cr上。类似地，振荡电 压出现在与二极管D3和D1的并联结构相串联的电容Cs上。在振荡信号的正部（positive port ions)期间，电流流过电容Cs和二极管D3,产生电流II，并且第二电流经过电容Cr和 二极管D2,产生第二电流12。在振荡信号的负部（negative portions)期间，电流II经过 二极管D1和电容Cs，并且电流12经过二极管D4和电容Cr。
[0021] 导体214、216和218的固有电阻和电容对导体上的电流信号进行滤波，以产生导 体214、216和218上的DC电流信号。DC电流II将等于VfC s，其中V是振荡器212的输出 的少于两次正向偏置二极管压降的峰峰电压，并且f是振荡器212的输出的频率。类似地， 电流I 2将等于VfCr，其中(；是电容Cr的电容值。操作期间，电容Cs的电容值随过程环 境改变而改变。例如，当电容Cs是压力传感器时，环境中的压力改变电容式传感器Cr的电 容值，使得电流II随压力改变而改变。理想情形中，当过程环境改变时，电容Cr的电容值 保持不变。因此，电流12不随过程环境改变而改变。因此，使用电流II和电流12,能够确 定Cs和Cr的相对电容值，从而确定过程环境的状态。以下将进一步讨论进行该确定的技 术。
[0022] 在高温下，二极管D1、D2、D3和D4承受性能下降。具体地，当二极管反向偏置时， 漏电流随温度升高而显著增大。遗憾的是，在高温下具有较低漏电流的二极管具有较长反 向恢复时间（从正向偏置到反向偏置的转变的延迟），并且具有较短反向恢复时间的二极 管在较高温度下具有较大漏电流。根据一个实施例，我们更倾向于在较高温度下具有较低 漏电流的二极管，尽管这以较长反向恢复时间为代价。根据一个特定实施例，使用半导体公 司Fairchild出售的BAS116二极管，其在超过150°C的温度下具有较低漏电流，但是在此温 度下其比其他二极管具有更高的反向恢复时间。根据另一个实施例，针对二极管D1、D2、D3 和D4,使用高温二极管，该高温二极管是使用绝缘体上硅（SOI)制造工艺来制造的，例如半 导体公司XREL出售的XTR1N0450,其额定温度是225°C及以上。
[0023] 根据一个实施例，线路滤波电阻RF1、RF2、RF3、RF4和RF5均被设置为100 Ω，线路 滤波电容CF1、CF2和CF3被设置为0. 01 μ F，并且线路滤波电容CF4被设置为0. 56 μ F。本 领域技术人员将认识到：根据线缆110的特性，可将其他值用于这些组件。
[0024] 根据一个实施例，振荡器212形成为弛张振荡器（relaxation oscillator)。这种 振荡器不如基于晶体的振荡器精确，因为弛张振荡器没有稳定的振荡频率。然而，如果使用 比例度量（ratiometric)方法（下文说明），图2的二极管检测器对频率不敏感。此外，图 2的二极管检测器对振荡器的电压输出不敏感，因此，振荡器的电压输出也不必是稳定的。
[0025] 图3提供了可用作图2的振荡器212的弛张振荡器的一个实施例的框图。图3的 弛张振荡器是使用比较器的比较器弛张振荡器，该比较器由运算放大器U1构成，该运算放 大器U1通过导体220上的输入DC电压源Vdd来供电，并连接到导体222提供的公共电压 (common voltage)。电源电压Vdd还施加到由电阻R3和R4 (在一个实施例中都是100k Ω ) 组成的分压器。节点302处的分压电压提供到运算放大器U1的非反相输入304以及提供 到反馈电阻R2的一侧。反馈电阻R2的另一侧连接到运算放大器U1的输出306。输出306 还被提供到负反馈电阻R1，负反馈电阻R1的另一侧连接到运算放大器U1的反相输入308。 反相输入308还连接到电容C1的一侧，电容C1的另一侧连接到公共电压。
[0026] 操作中，运算放大器U1的非反相输入304处的电压驱动输出306到干线电压 (rail voltage)Vdd。这进而使电容C1充电，直到反相输入308上的电压达到非反相输入 304的电压，这时运算放大器U1的输出306下降到公共电压。然后，电流流过电阻R3和由 电阻R4和R2形成的并联电阻，从而降低非反相输入304处的电压。电容C1跨电阻R1放 电，直到反相输入308处的电压下降到非反相输入304处的电压，从而使输出306再次被驱 动到Vdd。因而，在使用反馈电阻R2所引入滞变（hysteresis)的同时，振荡器在输出306 上产生振荡信号。根据一个实施例，滞变约为IV。
[0027] 在一个特定实施例中，电阻R3和R4为100kQ，电阻R2为450kQ，电阻R1为 100kQ，电容C1为470pF，并且为公共电压之上的DC 10V。
[0028] 图3的振荡器还包括缓冲运算放大器U1的输出306的第二运算放大器U2。运算 放大器U2的非反相节点连接到节点302,且运算放大器U2的反相输入连接到运算放大器 U1的输出306。运算放大器U2的输出322连接到由电阻R0和电容C0 (在一个实施例中， 值为lkQ和InF)组成的低通滤波器。运算放大器U2的输出322上的低通滤波器降低了 输出的转换速率（slew rate)，在输出电压Vex方面提供了更平缓的改变。尽管由R0和C0 形成的输出滤波器降低了转变时的改变速率，但仍使振荡全幅能够到达二极管检测器。
[0029] 图3的弛张振荡器的频率依赖于由乘积R1*C1确立的时间常数和滞变级别 (hysteresis level)。根据一个实施例，频率约为50kHz。
[0030] 运算放大器U1和U2应当具有从公共电压到电源电压Vdd可驱动的推/拉输出级， 并且应当额定在高达225°C或以上工作。这种运算放大器在绝缘体上硅工艺中是可能的。 一种此类运算放大器由Cissoid Volga公司提供。此外，图3的弛张振荡器212的电阻和 电容还应当能够承受超过225 °C的温度。
[0031] 图2的传感器套件中的所有组件（包括振荡器212中的那些组件）必须能够承受 225°C及以上的工作温度。套件和这些组件的封装也必须适合于高温环境。这类封装包括 具有金线迹线（gold wire trace)的陶瓷PWB衬底。集成电路套件直接安装在衬底上并打 线连接到迹线。无源套件表面安装于PWB。通孔套件也是可行的。整个套件被装在具有玻 璃馈通的密闭金属封装中。这种套件也称为混合微电路。
[0032] 在图2示出的实施例中，存在五个导体，其中导体220和222提供用于振荡器212 的电源电压，并且导体214、216和218提供DC传感器电流。如上所述，导体214、216和218 在与传感器套件108内的电路公共端尽可能接近的电压处端接在冷区电子器件116之中。 导体214提供电流II，导体218提供电流12,以及导体216提供差电流，差电流是通过电容 Cs的电流II和通过电容Cr的12之间的差。在其他实施例中，移除导体216,并且二极管 D3的阴极和二极管D4的阳极之间的节点连接到传感器套件108内的电路公共端。在这种 实施例中，仅需要四个导体以将传感器套件108连接到冷区电子器件116。在这种实施例 中，可以使用导体214上的电流II的值和导体218上电流12的值在冷区电子器件116中 计算电流II和12之间的差。
[0033] 如上文所记载的，通过电容Cs的电流II等于fCs(Vex_2*0. 5)，其中f是振荡器信 号的频率，Vex是振荡器提供的峰峰电压，(^是电容的电容值，并且0.5是跨正向偏置二极管 的压降。这意味着II不仅受到电容Cs的电容值改变的影响，还受到振荡信号的频率和峰 峰电压的改变的影响。如上文所记载的，弛张振荡器（例如，图3所示的弛张振荡器）不产 生具有稳定频率或电压的振荡信号。根据一个实施例，为了消除与弛张振荡器关联的频率 和峰峰电压的改变的影响，本文实施例使用比例度量表达式来形成表示电容Cs相对于电 容Cr的电容值的传递函数。这种比例度量表达式不受到振荡信号的频率或峰峰电压的改 变的影响，因为频率和峰峰电压对电容Cs和电容Cr的影响相同。例如，一种这样比例度量 表达式为：
[0034]
[0035] 等式 1
[0036] 可以从中看出，消去了 f和（VM-2X0. 5)项。针对蓝宝石传感器，可以使用备选传 递函数·
[0037]
[0038] 等式 2
[0039] 等式2的传递函数产生与针对蓝宝石传感器的压力成线性的输出。
[0040] 图4提供了在不同温度下针对一系列压力的等式1的传递函数的图。图4中，传 递函数的值在纵轴400上示出，并且压力值在横轴402上示出。图404针对225°C的温度， 图406针对150°C的温度，以及图408针对25°C的温度。如图4所示，传递函数随温度变化 而改变。根据一个实施例，为了让图1的基于温度的传递函数转换单元132将传递函数计 算单元130计算的传递函数转换为压力值134,将具有取决于温度的系数的多项式应用于 传递函数值。具体地，如下确定压力值：
[0041] P = CD (T) +Ci (T) h+c2 (t) h2+c3 (t) h3+c4 (t) h4+c5 (t) h5
[0042] 等式 3
[0043] 其中P是压力值，H是传递函数，C。(T)、Q (T)、C2 (T)、C3 (T)、C4 (T)和C5 (T)是依赖 于温度的系数，并且T是温度。可通过表征过程来确定依赖于温度的系数。
[0044] 热区电子器件114和冷区电子器件116可用于很多环境，包括确定引擎压力测量、 海洋测量、地热测量、塑料挤出成型以及其他高温/高压环境。
[0045] 此外，尽管振荡器212的输出的峰峰电压被示为与DC电源128提供的电源电压相 同，但是在其他实施例中，在振荡器212的输出处提供变压器以提高峰峰电压。
[0046] 尽管在上文中各要素以分离的实施例示出或描述，但是每个实施例的各部分可与 上述其他实施例的部分或全部组合。
[0047] 尽管用结构特征和/或方法动作的特定语言来描述主题，应当理解：在随附权利 要求中限定的主题不必限于上述特定特征或动作。相反，公开上述特定特征和动作，作为用 于实现权利要求的示例形式。
【主权项】
1. 一种压力感测系统，包括： 热区电子器件模块，具有电容式压力传感器，以及向所述电容式压力传感器提供振荡 信号的振荡器，热区电子器件提供至少一个DC传感器信号； 冷区电子器件模块，将所述至少一个DC传感器信号转换为压力值并提供DC功率信号； 以及 多个导体，将热区电子器件连接到冷区电子器件，并向所述热区电子器件传递所述DC 功率信号，并向所述冷区电子器件传递所述至少一个DC传感器信号。2. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述多个导体均具有超过100英尺的长 度。3. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述多个导体均具有超过10000英尺的 长度。4. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述热区电子器件模块能够在225摄氏 度的温度下工作。5. 根据权利要求1所述的压力感测系统，还包括至少一个二极管，其中，所述至少一个 二极管和所述电容式压力传感器形成二极管检测器的至少一部分。6. 根据权利要求5所述的压力感测系统，其中，所述至少一个二极管包括针对低漏电 流来优化的至少一个二极管。7. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述热区电子器件模块还包括用于所 述多个导体中的每一个导体的无源线路滤波器，以使所述电容式压力传感器和所述振荡器 与所述多个导体上的LC振铃隔离。8. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述振荡器包括弛张振荡器。9. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述热区电子器件模块通过使用混合 微电路设计来制造。10. 根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述冷区电子器件使用比例度量方 法，以根据所述至少一个DC传感器信号来形成所述压力值。11. 根据权利要求10所述的压力感测系统，其中，所述压力值对于所述振荡信号的电 压电平不敏感。12. 根据权利要求10所述的压力感测系统，其中，所述压力值对于所述振荡信号的频 率不敏感。13. -种传感器装置，包括： 传感器电子器件，包括振荡器和电容式传感器； 转换电子器件，使用来自所述传感器电子器件的至少两个DC信号以形成过程变量值； 以及 多导体线缆，包括从所述传感器电子器件向所述转换电子器件提供所述至少两个DC 信号的至少两个导体。14. 根据权利要求13所述的传感器装置，其中，所述传感器电子器件能够在225摄氏度 下工作。15. 根据权利要求13所述的传感器装置，其中，所述传感器电子器件还包括用于所述 至少两个导体中的每一个导体的线路滤波器，以使所述传感器电子器件与所述至少两个导 体上的电感电容振铃隔离。16. 根据权利要求13所述的传感器装置，其中，所述多导体线缆至少100英尺长。17. 根据权利要求13所述的传感器装置，其中，所述振荡器包括具有不稳定振荡频率 的弛张振荡器。18. 根据权利要求17所述的传感器装置，其中，所述弛张振荡器包括比较器弛张振荡 器。19. 一种方法，包括： 通过在高于200摄氏度的温度下使用二极管检测器来形成至少两个DC传感器信号； 跨多导体线缆向过程变量计算电子器件传递所述至少两个DC传感器信号； 通过在低于100摄氏度的温度下使用所述过程变量计算电子器件，将所述至少两个DC 传感器信号转换为过程变量值。20. 根据权利要求19所述的方法，其中，确定至少两个DC传感器信号包括：通过在高 于200摄氏度的温度下使用振荡器来生成振荡信号，以及在高于200度的温度下向所述二 极管检测器施加所述振荡信号。21. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述多导体线缆大于100英尺长。
【文档编号】G01L1/14GK106033014SQ201510126000
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月20日
【发明人】约翰·保罗·舒尔特, 大卫·格伦·泰森
【申请人】罗斯蒙特公司