专利名称：压力传感器模块的预先组装的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程系统；更具体地说，涉及工业过程系统中所用的压力变送器。
但在模块组装到一起前，传感器模块中暴露的电子部件可能因人体接触、泄露出的或环境中的腐蚀性化学品、或其它环境条件而受到污染和损害。在一些应用场所-例如应用在化学过程系统中时，上述使部件受到损害的条件是经常存在的。因此，压力变送器通常是预先组装的，即在安装到过程系统之前使其先组装起来。这意味着，变换器模块在传感器模块安装到过程管道之前应组装完毕。现已发现在许多情况下，希望在变换器的设计选定前和整个系统安装完毕前将压力传感器模块安装到过程管道中并进行检压。也就是说，希望压力传感器模块在变换器模块安装前能对电子部件提供保护。
隔离器用于接受过程流体并使压力传感器能对过程流体进行传感，构成压力变换模块中的转换机构。压力传感器模块中的电路与压力传感器相连，并可为供能、控制和压力的数字表达提供了一个数据和信号总线。连线结构具有可与所述总线中各线相连接的接点或触针，其周围用绝缘壁进行电隔离。
外壳与隔离器及连线结构之间最好进行密封，以防止使用通常工具便可接触到其中的压力传感器和电路。这样，即使在操作条件不够严格、存在化学品泄露和蒸汽的情况下，压力传感器模块在变换器模块未装前也可在过程系统的安装环境中进行安全操作、安装和保存，使得传感器模块中的电子部件不会暴露于环境之中。
图2为本发明带螺纹过程流体入口第一实施例的剖视图。
图3为本发明带螺纹过程流体入口第一实施例的端面视图。
图4为本发明带螺纹过程流体入口第二实施例的剖视图。
图5为本发明带螺纹过程流体入口第二实施例的端面视图。
图6为压力变换器的接地回路图。
图7为本发明电绝缘层第一实施例的结构图。
图7A为图7所示电绝缘层的等值电路图。
图8为本发明电绝缘层第二实施例的结构图。
图9为本发明电绝缘层第三实施例的剖视图。
图10为本发明压力传感器模块第二实施例的部分剖视图。
图11为带有一个过程流体入口的压力传感器模块第三实施例的结构图。
图12A-12C分别为其中包含毛细管的绝缘连线结构的剖视图、端面和侧面视图。
如图1所示，改进的压力传感器模块外壳具有整体形成的带螺纹的过程流体入口和整体形成的带螺纹的用于支撑连线结构的轴套或支撑壳套。所述轴套也对变换器模块提供支撑。在所述压力传感器模块中，外壳密封包围着传感器及电子部件，使其可在现场独立进行安装，无须先装上变换器模块，且可保证压力传感器的电子部件不暴露到恶劣的现场空气之中。即使在变换器模块还不存在的情况下，也可在过程系统建造的早期阶段将过程流体管道同改进的压力传感器模块连接起来和进行压力检验。在过程系统建造中，改进的压力传感器模块可在户外或现场环境中存放较长时间，而不会使传感器或压力传感器模块中的电子部件受到损害。在过程系统建造的后期，再选择和安装上变换器模块以构成完整的压力变送器。
图1为本发明自成一体封装的压力传感器模块50的剖视图。模块50包括一个密封的外壳或密封的外支撑结构72，所述外壳72具有密封的内腔71，压力隔离器54位于所述内腔的一端并对其进行封闭。压力隔离器54包括一个与外壳72的外壁连接并密封的底壁55。隔离器壁55具有一个上面盖着隔离膜片78的较小截面通道80，隔离膜片78沿其周边同隔离器壁55密封，使流体作用在膜片78上的压力可通过所述通道或管道80传递到压力传感器58。压力传感器58安装在密封的内腔71中。压力传感器58和隔离器54构成一个图中虚线所示的变送器52。外壳72的一端具有带内螺纹74的过程流体入口56，可与过程流体管道或过程压力管线相连接。在入口的流体压力使膜片78产生变形，压力传感器58对此压力进行传感。
压力传感器58与一根导线62相连，从而可将压力信号传送到安装在内腔71另一端的电路60。内腔71与入口56相对的另一端具有一个圆筒形的带螺纹的支撑轴套76，其内壁由一个绝缘板70密封，在绝缘板上有一些密封的用于进行电连接的接点或触针68从中穿出。圆筒形轴套76包围在触针68和密封绝缘板70的周围。绝缘板70可用具有一定厚度的密封玻璃制造，使其处于适当位置并与轴套内相接的带有压花或沟槽的金属件密切配合以形成防爆密封。
轴套76的外螺纹用于接受和支撑变换器模块79，变换器模块79中包括D/A转换器等电路部件，它们通过接点或触针68和总线64与电路60相连。总线64中包含与相应触针68相连的各条导线。
支撑触针68的绝缘密封板70构成连线结构66，用于对电路60进行内外的电信号传递，例如传递供能、控制和压力数字表达等所需的电信号。电路60最好仅向压力传感器58供给有限的能量，以使压力传感器58安全工作和防止隔离膜片78破裂时引起过程流体的点火燃烧。
轴套76外螺纹除了可用于连接变换器模块外还可作为保留接头，用于连接其它连接结构。安装在轴套76上的电转换器模块或其它连接模块应具有相应的接点或插孔，以便与接点或触针68建立电连接。
包含传感器和电路的模块50是预先装配好的。隔离器壁51与外壳外壁86之间经过密封，同时密封板70使内腔71密封，从而可使内腔中的传感器50、电路60和其它部件免受有害蒸气和液体的影响，也可使构成电路60的电子部件在操作中免受损害。
模块50的结构使得难于使用一般手工工具将其打开，当将其预先安装到过程管道中或将其螺纹结构与流体入口56的螺纹74连结起来时，即使在没有变换器模块或连接模块安装在轴套76之上时，它也可保护传感器58和电路60免受恶劣过程环境的影响。在需要时，轴套76可用柱塞帽等结构盖住以保护连接触针68的连接接点，例如可采用纽约BuffaloProtective Closures Co.公司生产的的CAPLUG盖帽或柱塞。即使在没有其它任何部件安装在外壳之上时，包括隔离膜片78的隔离器54也可对与入口56相连的过程流体管道起到密封作用，使得在流体过程系统建造或拆装的初期阶段就可对过程管道和容器进行加压和捡漏。在此，在检压前不需要选定将要安装到压力传感器模块上的变换器模块和确定整个控制系统。
密封的外壳或支撑结构72可用金属材料制造以提供一个密封的内腔71，对接缝或连接点可采用焊接工艺焊接，从而使模块50不能因不留心等原因而开启。
通道或管道80最好为细长形结构，以满足现行有害场所安全标准所规定的防火或灭火要求。膜片78为已知的隔离膜片，它通过充满防火通道80和膜片下区域的不可压缩流体与传感器58相连。如果隔离器中的流体流失，通道80可在过程流体和压力传感器58的内腔之间保持防火隔离。外壳72中的防火通道80可通过电火花机床进行加工，使起形成毛细管型。
双向箭头82所示的外壳72的长度根据需要的热绝缘距离84进行选择，使电路60与点画线52所示的包括压力传感器58和隔离器54的变换器模块适当间隔配置，使得在需要时可在热绝缘间隔内充填绝热材料。这样，电路60的工作环境温度可以不同于传感器58的环境温度。绝热材料可以是空气、干燥的氮气、纤维或泡沫绝缘材料、以及其它已知的绝热材料。外壳72在入口56和轴套76之间具有大体为圆筒形的截面，这里圆筒形指的是其外表面的形状，即其是由一条线段围绕一条固定的直线平行旋转所形成的，这包括直角圆筒形表面和更广义的圆筒形表面。圆筒形截面对轴套76提供支撑，并将作用在轴套上的负荷传递到入口56的螺纹74。
带螺纹的入口56要有足够强度，以对压力传感器模块50以及与其连结和由轴套76支撑的变换器模块79提供机械支撑。
图2和图3表明一个包括差动压力输入90的隔离器变型，它包括两个配置在螺栓孔94内的隔离膜片92。入口90与一个安装在过程管道的共面过程流体法兰相连。过程流体共面法兰可以是Rosemount公司在其3051型压力变送器中所应用的标准共面法兰，也可以是具有较小尺寸的共面法兰，取决于隔离器所用膜片92的尺寸。根据需要，压力歧管、排液阀和热检测部件等可包括在与过程管道相连的共面法兰之中，也可包括在入口90之中。为满足环保的工业标准，也可采用双入口的结构。还可考虑采用通过螺栓螺帽与压力法兰配合连接的带螺纹入口。
图4和图5表示一个压力入口100，这种结构可用于检测绝对压力或表示压力。入口100包括一个隔离器膜片102，它被一个内螺纹配合件104所环绕，在需要时可选用标准的环保配合件。入口100通过螺纹与过程流体管道相连，过程管道可以是Rosemount公司在其2088型压力变送器中所用的标准管道尺寸也可以采用较小尺寸的管道，取决于所用隔离器膜片102的尺寸。
图6为电接地压力传感器模块112的电路图。模块112在压力入口116处与地相连。电路通道118贯穿隔离器120、传感器122和电路124直到连线结构126的接点或触针。外电路128通过接点130接地，它一般位于距离模块许多米之外的控制室中的电源设备中。外电路128一般包括一个转换器模块、一个4-20毫安的电流电路和回路控制器等部分并通过插头与连线结构126相连，使得电流通道118贯穿模块112并在其两端分别接地。两个接地点114和130在物理距离上彼此分离，在电气上沿132线通过大地、金属管道及其支撑结构和地总线等彼此相连。在这种接地系统中，杂散电压可能会出现在物理上间隔的接地点之间。导线118和132构成接地回路，直流和60赫兹的杂散电流可能沿导线118流动，从而对模块112中电路124的工作产生干扰。
图7所示模块132可中断来自不同接地电势的杂散直流和60赫兹的交流电流。一个双平板电容压力传感器136与电路134相连，其中心电容器板138通过过程管道在接地点140接地。传感器136具有一个电隔离的第一电容器板142和一个电隔离的第二电容器板144。电容器板142和144之间以及与接地的中心电容器板138之间的电容量要远小于接地回路的阻抗，从而可有效防止直流和60赫兹的杂散电流由接地点140通过电容器板142和144流到电路134。一个较小的固定电容146串联在接地中心板138和电路134之间，其数值选择应足够小于接地回路的阻抗，以有效中断直流和60赫兹的交流电流。
在图7A所示简化电路中，电容器板142与144、固定电容146和中心板138的结构配置表示得更为清晰。电容器板142与144和固定电容器146的小电容构成了电的屏障。这一屏障在图7中被表示为152，它可以中断支撑外壳或密封结构72A与总线之间的直流电流流动。屏障152沿流过电路和变送器的电流通路配置。
图8表明另一种电流屏障的配置情况。传感器160配置在一个密封的外壳或支撑结构162之中。隔离器163包括一个与传感器160相连的管子164和一个通过隔离膜片(未画出)与隔离器腔室相连的管子166。管子166相对隔离器膜片和过程压力入口接地。包围管子164和166并与管子间具有绝缘间隙170的密封绝缘管形成电流屏障。诸如硅油等电绝缘隔离器流体可通过屏障168中的通道172在隔离器膜片和传感器160之间传递压力。
在图9中，传感器180具有被盖头184环绕的电容性或电阻性应变片182。盖头184包括金属性基体186和金属盖帽188，它们在190处焊在一起。金属基体186环绕一个密封着隔离器管194的电绝缘插入件192，隔离器管194又通过隔离膜片(未画出)与隔离器腔室相连。金属盖帽188环绕着包括引线198等多条引线和充油密封管200的电绝缘连线结构196。连线结构196具有一个用于安装传感器应变片182的绝缘安装面204。盖头184中充满硅油等隔离器流体202，并在电气上使接地的隔离器管194与传感器182及其引线198相互绝缘。
电流屏障也可采用图1所示的电路60。这种电路式屏障包括变压器或光隔离器等电隔离电路，其具体配置取决于图6所示模块110中所选用的电路形式。
图10表明差动压力传感器模块220的另一个实施例。压力变送器222包括隔离器膜片224(在图10中未画出，但在图2和图3中有清楚表示)、差动压力传感器226和线压力传感器228。管道230和232使隔离器膜片224与压力传感器226和228相连，管道中充满硅油等不可压缩流体。采用两条管道234(画出了其中的一条)来使变送器222充油并使其在充油后密封。电路236配置在圆形的电路板上并具有通到连线结构240(图中不可见)的总线238。类似以上所述实施例，整体焊接形成的密封外壳或支撑结构242密封和支撑着模块220。
图11简要表明压力传感器模块的另一个实施例250。隔离器膜片252配置在带螺纹的过程流体入口254中。应变式压力传感器256配置在如上所述的盖头中。应变式压力传感器256具有一个排放大气压力的出口258。电路260和连线结构262按其它实施例所述配置。外壳或密封的外支撑结构264沿线266焊接成整体以密封其内部的腔室。
图12A、12B和12C表明用于压力传感器模块的连线结构300，包括接点或触针301和由密封绝缘壁304中伸出的毛细管302。毛细管302具有一个经过淬火的内管306和对内管306进行密封的封头308。在这种结构安排下，即使在封头308没有装好的装配过程中，也可保证要检验的压力传感器模块的密封和防火。无须对封头308的防火性能进行检验就可将其安装在毛细管302上，因为毛细管本身就是防火的。在压力传感器模块的装配过程中，毛细管是开口的-即没有密封。因此，毛细管可与外部的加压或减压设备相连以检验压力传感器模块内腔的密封或防火性能。在检验结束后，用封头使毛细管密封，完成装配过程。
连线结构300和带螺纹的支撑轴套312具有超过密封外壳或外支撑结构(图1所示72处)的超压强度。隔离器304通过支撑轴套312用于同隔离器304配合的非均匀环310配置在轴套312中，因而可保证其抗压能力。这种结构安排可防止过压出现时使过程流体进入同连线结构300相连的导线管。
上述各实施例仅是本发明压力传感器模块的部分可能形式，本发明模块具有密封的外壳或密封的外支撑结构，可将敏感的压力传感器和电路部件封闭保护起来，使其免受恶劣环境的影响和机械损坏。所述压力传感器模块可作为独立的单元先行组装并可对其内部的组件提供较长时间的保护。
虽然为说明起见公开了本发明的最佳实施例，但熟悉本门技术的人们都会了解，在不超出本发明所申明的权利要求的范围和要义下，在形式和细节上对本发明作出增添、减少和修改是可能的。
权利要求
1.一种压力传感器模块，包括一个由适于接受过程流体的隔离器和一个与所述隔离器相连的压力传感器所组成的变送器；一个与所述压力传感器相连并具有总线的电路，所述总线可用于进行通能、控制和压力的数字输出等；一个用于连接其它外部选用模块的连线结构，所述外部模块具有可与所述总线连接的、并由绝缘结构包围的接点或触针；以及一个制成整体的用于封闭和保护所述压力传感器和电路的外壳，所述外壳具有面向所述隔离器的带有螺纹的过程流体入口及适于支撑所述连线结构和选用模块的带螺纹轴套。
2.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述外壳与所述隔离器和连线结构之间进行密封，从而形成一个预先组装好的腔室。
3.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述外壳由金属材料制成并具有防爆能力。
4.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述外壳为由所述变送器沿一轴向所述连线结构延伸的长筒形结构，其中所述电路沿所述轴向与所述变送器间隔配置，在所述变送器与电路之间充满热绝缘材料。
5.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述外壳在所述带螺纹的过程流体入口和带螺纹的轴套之间具有适于支撑所述轴套的大体为圆筒形的截面，可将作用在所述轴套上的外力转移到带螺纹的过程流体入口。
6.如权利要求1所述压力传感器模块，进一步包括一个可阻止在所述外壳与总线之间产生直流电流的电流屏障，所述屏障沿所述电路到变送器的通道配置。
7.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述电流屏障至少包括一个配置在所述压力传感器与电路之间的电容器。
8.如权利要求7所述压力传感器模块，其中所述电流屏障包括一个具有绝缘安装面的盖头，所述压力传感器就安装在所述的绝缘安装面上。
9.如权利要求7所述压力传感器模块，其中所述电流屏障包括一个位于所述隔离器和压力传感器之间的绝缘管耦合器。
10.如权利要求7所述压力传感器模块，其中所述电流屏障配置在所述电路内并进一步包括一个隔离变压器或光隔离器等这一类隔离电路。
11.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述连线结构进一步包括一个由所述绝缘材料中伸出的毛细管，所述毛细管具有防火的内部通道及其密封结构。
12.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述压力传感器通过在所述防火通道中的不可压缩流体与所述隔离器相连，所述通道的内径具有防火性能。
13.如权利要求12所述压力传感器模块，其中所述防火通道用电火花机床进行加工。
14.如权利要求12所述压力传感器模块，其中所述防火通道为毛细管形。
15.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述连线结构和带螺纹轴套的抗压强度大于所述外壳的抗压强度。
16.如权利要求15所述压力传感器模块，通过所述支撑轴套与所述绝缘结构配合的非均匀环状结构可保证轴套中绝缘结构的抗超压能力。
17.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述电路仅将有限的电能供给所述压力传感器以确保其正常工作。
18.如权利要求1所述压力传感器模块，其中所述选用的外部模块包括变换器模块。
19.一种压力传感器模块，包括一个由适于接受过程流体的隔离器和一个与所述隔离器相连的压力传感器所组成的变送器；一个与所述压力传感器相连并具有总线的电路，所述总线用于进行通能、控制和压力的数字表示等；一个用于连接其它外部选用模块的连线结构，所述外部模块具有可与所述总线连接的、并由绝缘结构包围的接点或触针；以及一个用于密封保护所述压力传感器和电路的结构手段，所述结构手段包括一个整体形成的面向所述隔离器的过程流体入口和一个整体形成的用于支撑所述连线结构的带螺纹轴套，所述带螺纹轴套也适于支撑变换器模块。
20.一种压力传感器模块的制造方法，包括将一个适于接受过程流体的隔离器与一个压力传感器相连以构成一个变送器；将一个电路同所述压力传感器连接起来，所述电路可提供一条用于通能、控制和压力数字表示的总线；将适于同转换器模块连接的绝缘连线结构的接点或触针与所述总线连接起来；以及将所述压力传感器和电路用一个密封的外部支撑结构保护起来，使所述外部支撑结构整体形成一个面向所述隔离器的带螺纹过程流体入口和一个用于支撑所述连线结构的带螺纹轴套，所述轴套也适于支撑变换器模块。
全文摘要
一种在没有变换器的情况下预先组装的压力传感器模块(50)及其组装方法。在没有变换器模块的情况下,被密封保护的压力传感器模块(50)可在安装环境中免受损害。变换器模块可在以后安装到压力传感器模块(50)上。压力传感器模块(50)包括:隔离器(54)、压力传感器(58)和可提供供能、控制和压力数字输出总线的电路(60)。一个整体形成的密封的外部支撑结构对压力传感器(58)和电路(60)起封闭和保护作用。所述密封的外部支撑结构具有面向隔离器(54)的带螺纹过程流体入口(74)和用于支撑连线结构的带螺纹支撑轴套(76)。
文档编号H01R29/00GK1376260SQ00813487
公开日2002年10月23日 申请日期2000年9月22日 优先权日1999年9月28日
发明者史蒂文·M·贝恩, 理查德·L·尼尔森, 罗伯特·黑特克, 罗格·弗瑞克, 斯科特·D·尼尔森, 马克·范德赖, 西奥多·H·施纳瑞, 布瑞·L·韦斯特费尔德, 马克·S·舒马克, 韦斯顿·罗佩尔 申请人:罗斯蒙德公司