专利名称：具有声压传感器的压力变送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程中自动检测过程变量的变送器，尤其涉及一 种与那些设计用来测量过程压力的压力变送器。
背景技术：
在过程监控和控制系统中，变送器被用于测量工业过程中的各种 过程变量。在工业过程中， 一种类型的变送器测量一种过程流体的压 力值。该压力值可以直接被使用，或者被用来确定其他过程变量，如 流速。测量流速的技术，是建立在过程流体的压差之上的。在压差与 流速之间，存在有一种已知的关系。但是，这个关系不是仅依赖于压 差的。可以通过测量其他过程的变量以更精确地确定流速，这些过程 变量包括随温度变化的绝对压力或管路压力。一种测量管路压力的技术是使用一种单独的管路压力传感器。另一种测量管路压力的技术就是在序号为11/140,681的共同申请中所描 述的技术，它和本申请一样被转让。除了上述的测量管路压力的可供选择的方法外，还有其他情况也 需要的对管路压力的测量。这些情况包括，在初级传感器的诊断中使 用的次级管路压力的测量，直接管路压力测量传感器的次级管路压力 的测量，或用于确定其他过程变量的次级管路压力的测量。发明内容本发明提供了一种用于测量工业过程的过程变量的变送器，它包 括一个测量流体压力并提供与过程压力相关输出的压力传感器； 一个 声波探测器被用来接收从流体传来的声信号；与压力传感器和声波探 测器组合的测量电路，输出与流体压力相关的数据。在另一种配置中，提供有包括管路压力传感器的变送器；这个管路压力传感器，基于声信号测量管路压力或者在己知压力条件下通过 使用声信号，确定过程流体的温度。
图1是声信号深度与速度关系的曲线图；图2是本发明的与受压结构相连接的测量电路的简化图；图3是表示压力变送器环境的示意图；图4是表示图3中压力变送器部件的简化方框图；图5是图3中的压力变送器的剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如在背景部分中所讨论的，压力传感器通过压力变送器被用于各 种工业过程和监控应用。为了测量压力采用了一些不同的技术。例如， 根据在可偏转膜和电极之间测得的电容变化，可以测量作用于可偏转 膜的压力。还有其他测量技术的使用，例如，应力测量或者随受压力 变化的其他部件特性的测量。本发明中提供一种压力传感器。通过该传感器，基于在压力条件 下穿过流体的声信号的变化，测量受压的压力。声输入或声音源是与 流体相连接的，它发送声信号。声波探测器或者接收器接收声信号。 基于收到的信号，测量电路可以被用来输出与流体压力有关的数据或 者信号。本发明对通过流体的声信号速度和流体温度压力之间的已知关系 进行了利用。例如，已知海水中的声速依赖于海水的温度、盐度和压 力。图1就是在这样的一种介质中声信号深度对速度的曲线图。在图 1中，声信号速度起初随着深度的增加而下降。这是因为水温随深度 下降。但是，在很大的一段深度中水温恒定，声速就随着深度(压力) 的增加而增加。在水中，声速的变化范围在1400米/秒和1570米/秒 (4593英尺/秒和5151英尺/秒)之间。它大约为1.5公里/秒(稍低于l英里/秒)，或者说它比空气中声速快4倍。此外，在频散介质(如水)中，声速是频率的函数。这意味着， 由于每一个频率部件以它自己的相速度传播声音，而扰动能量则以群 速传播，因此传播中的声扰动将不断地变化。另一方面，由于空气是 非频散介质，所以空气中的声速与频率无关。因此，在空气中，声音 能量传输的速度与声音传播的速度相同。图2是根据本发明的一实施例而作出的压力传感器10的简化图。压力传感器10包括一个受压结构12，而这个受压结构则包含有在过程流体的压力下的一种流体。它可能是过程流体本身或者是承受与过程流体相同压力的隔离流体。声音输入或者声音源14与受压结构12 相连接，被用来通过受压结构中的流体发送声音信号16。声波探测器 或接收器18接收声音信号，并且提供相应的输出。声音输入14和声 波探测器18，与测量线路20相连接。测量线路20，基于流体压力和 声波信号16变化之间的已知关系，确定受压结构中流体的压力。可 选用的温度传感器22也在图中示出，它为测量线路20提供温度信号。 基于流体温度和受压结构12，测量线路使用这个温度信号来补偿与压 力相关的输出24。在有关实例的配置中，图2中所示的设备就是利用上述温度、压 力及声音信号之间的关系，确定受压结构12中流体的温度。这种配 置中，声波探测器18的输出与受压结构12中的流体温度相关。如果 受压结构12中的流体压力相对恒定，则测量电路20可提供与流体温 度相关的输出24。在另一个实例配置中，传感器22可包括一个压力 传感器，而不是温度传感器。在这种配置中，基于使用压力传感器22 检测到的压力，测量电路20对温度输出进行补偿。在产业监控和过程控制系统中，上述关于图1和图2中的装置和 技术，可以有许多种的应用。例如，在测量压差和管路压力的压力变 送器中， 一般要求有两个独立的压力传感器。 一个压力传感器用于测 量压差，而另一个压力传感器则被用于测量管路压力。尽管其提供了 精确测量，但其价格昂贵并且还需要有其他的部件。另外，由于用于 隔离过程流体与压力传感器的隔离填充流体之间可能会有不匹配的现象，所以性能可能也会降低。这种不匹配可能产生在与过程流体相通 连的压差传感器的两边之间。在图2的配置中，通过使用与测量压差 相同的传感器，测量管路压力。具体地说，在这样的配置中，受压结构12包含有一个压差传感器装置。声音输入14和声音探测器18与 系统中的流体相连接，而系统中的流体处在过程流体的压力之下。例 如，此流体可以是处于压力变送器隔离膜与压力传感器中心膜之间的 隔离流体。声音输入14和声音探测器18与输送隔离流体的管路相连， 或者可以直接安装到压力传感器上。在另一种实例配置中，受压结构12只是管路或测量的压力传感 器装置的一个部分。在这样的配置中，声信号16可以被用来诊断管 路压力传感器的运行情况。例如，可以将管路压力传感器的读数与声 信号16的期望读数相比较。如果声信号16与期望的信号值不同，则 会发出警告，指明设备没有按照期望运行，可能发生故障。这可以被 用作在实际的故障到来之前提供预示，即要求进行预防性检修。在相 关的配置中，声信号与测量到的管路压力值一起使用，以提供流体温 度的估计值。图3说明过程测量系统32 —般情况下的环境，包括用于实现本 发明的一个过程压力变送器36。图3中显示出了过程管道系统30， 它包括与测量过程压力的过程测量系统32相连的受压流体。此过程 测量系统32，包括有连接管路30的导压管路34。导压管路34与过 程压力变送器36连接。基本元件33，例如孔板、文丘里管、喷嘴等 等，在导压管路34的管间的过程管路30中的某个位置，与过程流体 接触。当流体通过基本元件33时，基本元件33会促使流体中的压力 产生变化。变送器36是一种过程测量装置，它通过导压管路34接收过程压 力。这个变送器36检测过程压差，并且将其转换成一种规范的传送 信号。此种规范的传送信号是过程压力的函数。过程环38既向变送器36提供来自控制室40的电力信号，还提 供双向通讯。它还可以根据许多的过程通信协议来进行构建。在实施 例中，过程环38是一个双线环路。在4-20毫安信号的正常运行中，这个双线环路被用来向变送器36供电，并且它既向变送器36发送通 信信号，又从变送器36发送通信信号。通过调制解调器44或者其他 网络接口， 一台计算机42或者其他信息处理系统被用于与变送器36 进行通信。 一个远程电压电源46，通常向变送器36提供电源。图4是说明压力变送器36的简化方框图。在这实施例中，压力 变送器36包括有一个传感器模块52和电子板72，它们通过数据总线 66被连接到一起。传感器模块电子部分60与压力传感器56连接，此 压力传感器接收使用的压差54。数据连接器58将传感器56连接到一 个模拟-数字转换器62。 一个可选用的温度传感器63，与传感器内存 64—起，也在图中示出。电子板72包括有一个微机计算机系统74、 一个电子内存模块76、 一个数字-模拟信号转换电路78以及数字通信 块80。这个数字-模拟信号转换电路78可提供与传感器压力相关的任 何类型输出，它包括，如，基于压差决定的过程流体的流速。其他类 型的输出包括，过程压力的表示性输出、诊断输出、温度输出以及其 他。根据在美国专利号6,295,875中弗里克(Frick)以及其他人提出 的技术，压力变送器36传感压差。但是，本发明并不仅限于这样的 一种配置。图4还对声波源14和与压力传感器56相连的声波传感器18进 行了说明。声信号16来自声波源14，穿过传感器56中的受压流体， 然后被传感器18接收到。传感器18的输出信号被提供给了模拟-数字 转换器62。微机计算机系统74从传感器18处接收数字化信号，并且 通过使用上述的方法确定管路的压力。图5是一实施例的传感器模块52的简化剖面图，它对压力传感 器56进行说明。压力传感器56，通过分隔过程流体与腔室92的分隔 膜90，与过程流体连接。腔室92通过导压管路94与压力传感器模块 56连接。将充分不可压縮的填充流体注入腔室92和导压管路94。当 过程流体的--个压力被施加到分隔膜90时，则这个压力就被传送到 压力传感器56。压力传感器56由压力传感器的两个半片114和116组成，在它8们之间有较脆的、充分不可压缩的物质105填充。在腔室132、 134 内，悬置有膜片106。腔室132、 134在传感器56内形成。在腔室132、 134的外壁上，有电极146、 144、 148和150。这些电极一般被分为 初级电极144和148，以及次级电极146和150。这些电极与可偏转 膜106相对，组成电容。这些电容就被相应地称作初级电容和次级电 容。如图5所示，传感器56中的各个电极，通过电线接头103、 104、 108和110，与模拟-数字转换器62相连。另外，可偏转膜106通过连 接线109与模拟-数字转换器62连接。如在美国专利号6,295,875中所 讨论的，作用于传感器56上的压差可以通过使用电极144-150来进行如上面所讨论的，图5说明了声波传感器18中的声波源14。声 波传感器18提供的电气连接器170，与模拟-数字信号转换器62相连。 声波源可以独立地运行，或者可以在变送器中的电路控制下运行。例 如，在图4中，声波源14可以由传感器模块52中的电路控制或者由 电子板72控制。如图5中所说明的，由于声波源14和传感器18的安放位置，声 波信号16 (在图5中未画出)需要穿过传感器56，并且穿过传感器 腔室中的填充流体。由于通过导压管路94和隔离膜90对过程流体进 行了连接，因此这个填充流体受到压力。虽然图4和图5只对压差传感器使用可偏转膜进行了说明，但是 本发明可以通过使用任何类型的压力传感器来实现。像在上面讨论的 那样，本发明也能在一台独立压力传感器中实现。另外，声信号可以 被传到系统中受压流体所在的任何一点。例如，声信号可以被传到毛 细管94或者腔室92，如图5所示。除了上面所讨论的确定管路压力之外，声信号还可以被用来测量 高速过程噪音。这种高速过程噪声可以被用于诊断等。声信号可以是 单频率的，变化频率的，或者多频率的以增强测量特性。在另一种实 施例的配置中，声信号16是从过程的噪声本身中直接产生的。在这 样的配置中，上面所示的元件14可包含一个次级声音传感器。在这种配置中，噪声信号传感器14和18可以被用来推断管路压力。
在另一实施例中，这两种传感器被用来测量两点间过程噪声的传 播。此信息然后被用来推断管路压力。在另一实施例的配置中，如图5中所示，提供有另外一种声音传感器200。例如，在腔室92中，在 声源14和声音接收器18之间的某个位置，插入传感器200。这个额 外的传感器200可以被用来检测模块中过程噪声的延迟。例如，现有 的压力传感器可以检测较低频率的过程噪声。这种额外的传感器200 可以被用来检测模块中过程噪声的延迟，它可以被比作传感器电极144 或148检测到的声音信号。
虽然对本发明的最优实施例进行了描述，但是本领域的技术人员 能够不需脱离本发明的精神和范围，在形式上和细节上作出多种改 变。
权利要求
1、用于测量工业过程的过程变量的变送器，其特征在于，包括一个用于测量流体压力并提供与过程压力有关输出的压力传感器；一个用来接收从流体传来的声音信号的声音探测器；和与压力传感器和声波探测器连接的测量电路，提供与流体压力相关的输出。
2、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述流体中包括有一种通过隔离膜与过程流体发生 作用的隔离流体。
3、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述声音探测器安装在压力传感器上。
4、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述压力传感器包括一个压差传感器。
5、 根据权利要求4所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于所述与流体压力相关的输出包括流速。
6、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述压力传感器包括一个管路压力传感器。
7、 根据权利要求6所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述测量电路是基于声音信号诊断管路压力传感器 的运行。
8、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述测量电路是基于声音信号计算温度。
9、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，还包括有温度传感器，所述与流体压力有关的输出 是该温度传感器所感应的温度的函数。
10、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述压力传感器包括有一个可偏转膜。
11、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送声源，该声源与所述流体相连以发送声器，其特征在于，包括有 音信号到该流体。
12、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，包括有一个过程噪声传感器，该传感器用于检测压 力传感器中的过程噪声。
13、 根据权利要求1所述的用于测量工业过程的过程变量的变送 器，其特征在于，所述与流体压力相关的输出包括管路压力。
14、 一种测量工业过程的过程变量的方法，其特征在于，包括通过使用连接至过程流体的压力传感器和提供与过程压力有关的输出，测量过程流体的压力；接收通过在过程压力下的流体传播的声信号； 基于所述声信号，提供与过程流体压力有关的输出。
15、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述流体包括 有隔离流体，该隔离流体通过隔离膜与过程流体发生作用。
16、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述压力传 感器上安装声波探测器。
17、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，测量压力包含 压差传感器的测量。
18、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述与流体压 力相关的输出包括流速。
19、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述测量压力 包括管路压力传感器的测量。
20、 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，包括基于声信 号对于管路压力传感器运行的诊断。
21、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括基于声信 号而对于温度的计算。
22、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括对温度的函数所述与流体压力相关的输出是所检测到的温度的函数。
23、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，基于声信号的 与过程流体压力相关的输出包括过程流体的管路压力。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量工业过程的过程变量的变送器，包括一个检测流体压力的压力传感器(10)；声波探测器(18)，接收从流体传来的声信号；与压力传感器(10)和声波探测器(18)相连的测量电路(20)，提供与流体压力相关的输出(24)。
文档编号G01L11/04GK101273257SQ200680035692
公开日2008年9月24日 申请日期2006年9月19日 优先权日2005年9月29日
发明者罗伯特·C·海德克 申请人:罗斯芒特公司