具有可偏转隔板的压力传感器的制作方法

专利名称：具有可偏转隔板的压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力传感器。更具体地，本发明涉及一种使用可偏转 隔板来测量压力的压力传感器。
背景技术：
过程监控和控制系统中使用变送器(transmitter)来测i^种工业 过程的过程变量。 一种变送器测量过程中的过程流体的压力。用于这 样的变送器的压力传感器使用多种技术。 一种众所周知的技术是使用 可偏转金属隔板。金属隔板形成电容器的电容板之一，相对于该隔板 测量电容。当隔板由于所施加的压力而偏转时，测量的电容随之改变。 在这样的配置中，压力测量中存在多个导致不精确的来源。
解决这些不精确的一种技术在美国专利No.6，295，875中提到，题 为 "PROCESS PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION",于2001年10月2日授予 Frick等人，其全文结合在此作为参考。该发明描述了一种差压传感器， 其包括用于减少测量不精确的附加电极。

发明内容
一种用于感应过程流体的压力的压力传感器，包括具有空腔的传 感器体，以及通过空腔进入传感器体的压力连接。空腔中的可偏转隔 板响应于通过压力连接施加于空腔的压力而偏转。隔板上的电极与压 力传感器体一起形成可变电容器，并提供响应于所施加的压力而变化 的电容。


图1示出了具有根据本发明构造的过程变送器的过程测量系统。
图2是图1的变送器的示意图。 图3A是根据本发明的压力传感器的侧截面视图。 图3B是图3A所示的压力传感器的隔板的正视图。 图3C是示出了图3A的隔板的一半和图3A的传感器体的一半的 透视图。
图4是位于过程变送器中的压力传感器的简化截面视图。
具体实施例方式
本发明提供了一种压力传感器，其中，可偏转隔板承载电容板， 以提供电容，所述电容响应于所施加的压力而变化。如以下所讨论的， 这样的配置提供了多个优点，涉及制造、减少误差以及改进性能。
图1总体上示出了过程测量系统32的环境。图l示出了包含受压力 的流体的过程管道(piping) 30，过程管道30与用于测量过程压力的 过程测量系统32相连接。过程测量系统32包括与管道30相连的推进 (impulse)管道34。推进管道34与过程压力变送器36连接。如孔板 (orifice plate)、文氏管、流量喷嘴之类的主要元件33在过程管道30 中的、推进管道34的管道之间的位置处接触过程流体。当流体通过主 要元件33时，主要元件33引起流体中的压力变化。
变送器36是过程测量设备，其通过推进管道34接收过程压力。变
送器36感应过程差压并输出标准化的传输信号，该标准化的传输信号
是过程压力的函数。
过程环路38提供从控制室40至变送器36的功率信号以及双向通
信，可以根据多种过程通信协议构造过程环路38。在所示示例中，过 程环路38是双线环路。双线环路用于在正常操作期间以4-20mA信号传 输至变送器36的所有功率、以及去往和来自变送器36的所有通信。计 算机42或其他信息处理系统通过调制解调器44或其他网络接口，用于 同变送器36进行通信。远程电压电源46为变送器36供电。本发明不局 限于实现环路38的环境。可以使用其他通信技术，包括其他如无线之 类的通信介质、不同的无线技术、以及不同的通信协议和独立设备中 的通信技术。
图2是压力变送器36的简化框图。压力变送器36包括传感器模块 52和电子器件(electronics)板72，两者通过数据总线66相连接。传感 器模块电子器件60与用于接收所施加的差压54的压力传感器56连接。 数据连接58将传感器56连接到模数转换器62。可选的温度传感器63也 同传感器模块存储器64—起示出。如以下所讨论的，温度传感器63可 以与压力传感器56集成在一起。电子器件板72包括微型计算机系统74、 电子器件存储器模块76、数模信号转换器78和数字通信块80。
一种用于测量差压的技术在授予Frick等人的美国专利 No.6,295,875中提到。然而，本发明不局限于这样的配置。
图3A是根据本发明的压力传感器56的侧截面视图。压力传感器56 包括压力传感器体MO，压力传感器体140由半体142和144形成，凹陷 区域146和148分别形成在半体142和144中，凹陷区域146和148之间形 成了空腔149。可偏转隔板150安装在空腔149内，空腔149与推进管道 94连接。隔板150由两个半隔板152和154形成。半隔板152和154上分别 承载中心电容器板或电极162和164。类似地，半隔板152承载外电容器 板或电极166，而半隔板154承载外电容器板或电极172。电容器板162、 164、 166、 168、 170和172与传感器体140分别形成6个电容器。接触突 起180从中心隔板150开始延伸，接触突起180上承载电接触182。电接 触182与6个电容器板或电极162至172的每一个相连接。
图3B是更详细地示出了包括电容器板162和166的设置的可偏转 隔板150的正视图。图3C是示出了半隔板154和半传感器体144的侧透 视图。图3C也示出了将电容器板或电极170和164分别与突起180上的 接触182电连接的电连接192和196。图3A和3B也示出了环形槽口 (notch) 200，环形槽口200可以在隔板150中形成，以增大隔板150对
于给定压力的偏转量。
在操作期间，差压通过推进管道94施加在隔板154的任一侧。这 引起空腔149内的隔板150的偏转。随着隔板150的偏转，电容器板162、 164、 166、 168、 170、 172相对于由半传感器体142和144形成的空腔149 的侧面的距离改变。可以相对于传感器体140测量每个电容器板162、 164、 166、 168、 170、 172之间的电容，并将电容与所施加的差压相关。 隔板154的偏转量是所施加的压力的函数，也是隔板154中使用的材料 和隔板154的尺寸的函数。图3A和3B也示出了环形槽口200，环形槽口 200可以在隔板150中形成，以增大隔板150对于给定压力的偏转量。
在一个优选实施例中，隔板150由如硅、石英、蓝宝石或尖晶石 之类的绝缘晶体材料形成。电极可包括金属，并可以沉积或移植 (implant)在隔板150上。传感器体140由金属之类的传导性材料形成。 这样的配置允许隔板150被组装并随后安装入半体142和144中。在另一 配置中，半体140是非传导性材料，包括相对于电容器板162、 164、 166、 168、 170、 172的电容器的传导性材料。相反， 一些现有技术的配置中， 在传感器体内形成的空腔壁上承载电容器板。这要求使用如玻璃之类 的绝缘材料填充传感器体。在这样的配置中，使用传导性隔板。
在一种可选配置中，在空腔146的内壁上或在隔板50上设置部件 (feature) 177。配置该部件177，以便在发生过压从而隔板150被压在 空腔146的一个内壁上时，部件177将力分散。
可以使用任何合适的技术组装本发明的压力传感器56。例如，两 个半隔板152和154可以熔合在一起形成完整的隔板150。可以依所需构
造如隔板形状或铰接点之类的附加部件。在一些实施例中，温度传感 器210被制造在隔板150中，用于测量压力传感器56的温度。该温度可
以用于补偿在压力测量中与温度相关的误差。温度信号也可以用于确 定其他关于过程流体的信息，例如用于流速计算。
在一个实施例中，完整的隔板150被焊接在两个金属传感器半体 142和144之间，突起180通过传感器体140从空腔149延伸至体140外部。 突起180与两个传感器半体142和144相遇的区域可以使用例如铜焊之 类的技术进行密封。这样的配置提供了具有电极的固态传感器，所述 电极可以安装在固态材料上，而不是如用于一些现有技术配置的玻璃 上。这样减小了滞后现象并提供了改进的稳定性。进一步，在隔板150 的高和低压侧的电容器电极保持紧密接近，这样也可以提供温度极限 上的改进性能。可以使用标准固态制造技术制造中心隔板150，这样允
许了简化制造、降低成本和更大的容限控制。如铰接点、空腔形状、
电极、电极导线和温度传感器之类的传感器部件被蚀刻、沉积或形成 在固态中心隔板结构中，而不是在现有技术设计所使用的玻璃/金属压 力传感器半单元上。这样简化了设计，降低了制造成本并提供了更大 的容限控制，从而带来了性能的改进。
返回参照图3A，示出了可选的内部空腔220，位于隔板150之内， 在半隔板152和154之间。电容板或电极222和224被放置在内部空腔220 的侧壁上。配置内部空腔220，使得电容板222和224之间的间隔根据所 施加的线压力(line pressure)而改变。这样的可选配置允许通过推进 管道94施加于隔板150的差压同线压力一起被测量。在这样的配置中， 突起180上设置电接触，电接触与电容器板或电极222和224连接。
图4是示出了压力传感器56的传感器模块52的一个实施例的简化 截面视图。压力传感器56通过隔离隔板90与过程流体相连接，隔离隔 板90将过程流体和空腔92隔离。空腔92通过推进管道94与压力传感器 模块56连接。 一种基本上不可压缩的填充流体填充空腔92和推进管道 94。当来自过程流体的压力施加于隔板90时，压力通过推进管道94中 的填充流体转移到压力传感器56。
对于本发明的传感器，如铰接点、空腔形状、电极、电极导线和 温度传感器之类的部件可以被蚀刻、沉积或形成在固态结构中，而不 是在一些设计所使用的玻璃/金属半单元中。这样降低了制造成本并提 供了更大的容限控制，从而带来了性能的改进。进一步，压力传感器 的外部由可以容易地抑制压力过度的金属体形成。可以使用如激光焊 接或铜焊之类的任何合适的技术来形成和安装这样的结构。用于基于 变化的电容确定所施加的压力的测量电路可以安装在突起180的紧密
接近处。这样减少了由电连接到电容器板的寄生电容所引起的误差。 在一些配置中，突起180上直接承载电路。在这样的配置中，测量电路 可以安装到突起180，或直接制造在突起180上。
虽然本发明参照优选实施例进行描述，但是，本领域技术人员应 认识到，对形式和细节所做出的改变不背离本发明的精神和范围。压
力测量可以使用以上讨论的压力传感器，使用任何合适的技术来进行。 一种示例技术的描述见美国专利申请序列号11/140,681， Line Pressure
Measurement Using Differential Pressure Sensor, 申i青日2005年5月27日,
结合在此作为参考。图中所示的其中形成有4个不同的电容器的具体配 置可以用于补偿误差，如在申请序号11/140,681中所讨论的。在一个实 施例中，使用任意数量的电容器，包括一个电容器、两个电容器等。 本发明不局限于任何具体数量的电容器或电容器板的配置。虽然上述 描述讨论了油填充流体，也可以使用其他填充流体，包括空气或气体 填充。隔板可以被配置为依所需而偏转。在一种配置中，隔板的偏转 可以小于一埃。中心隔板的结构可以依具体实现方式所需而具有任意 形状和/或部件。例如，隔板可以具有在特定点提升弯曲的铰接部件、 以及顶高(ceiling)部件等等。这样允许了针对例如差压传感器之类的具 体环境中的传感器性能对隔板进行优化。这些部件和形状可以使用任 何合适的方法形成，包括加性技术，其中将附加结构直接附加至基本 结构(sub straight),或者减性技术，其中将材料从基本结构中直接移 除，以便形成所需的形状或部件。
权利要求
1.一种用于感应过程流体的压力的压力传感器，包括传感器体，其中形成有空腔；通过过所述空腔延伸进入所述传感器体的压力连接；所述空腔中的可偏转隔板，被配置为响应于通过所述压力连接施加至所述空腔的压力而偏转；所述隔板上的电极，被配置为与压力传感器体一起形成可变电容器，所述可变电容器具有响应于所施加的压力而变化的电容；以及至所述电极的电连接，所述电连接延伸至压力传感器体的外部。
2. 如权利要求l所述的装置，其中，所述可偏转隔板包括刚性材料。
3. 如权利要求l所述的装置，其中，所述可偏转隔板包括晶体材料。
4. 如权利要求1所述的装置，其中，所述可偏转隔板包括从由硅、 石英、蓝宝石和尖晶石组成的材料组中选择的材料。
5. 如权利要求l所述的装置，其中，所述传感器体包括传导性材料。
6. 如权利要求l所述的装置，其中，所述传感器体包括金属。
7. 如权利要求l所述的装置，其中，所述传感器体由两个半传感 器体形成。
8. 如权利要求1所述的装置，其中，所述隔板由两个半隔板形成。
9. 如权利要求l所述的装置，包括所述隔板上的第二电极，被配置为与压力传感器体一起形成第二可变电容器。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所述电极和所述第二电极分别在所述隔板的两个相反侧。
11. 如权利要求1所述的装置，其中，在所述隔板的一侧放置有 两个电极，并且在所述隔板的相反侧放置有两个电极。
12. 如权利要求1所述的装置，其中，所述隔板包括内部隔板空腔，所述内部隔板空腔被配置为响应于施加至所述传感器体的空腔的 线压力而发生形变。
13. 如权利要求12所述的装置，其中，所述内部隔板空腔包括电 极，所述电极被配置为形成基于所施加的线压力而改变的可变电容。
14. 如权利要求1所述的装置，其中，所述传感器体的空腔接收 差压，所述隔板的偏转是基于所述差压的。
15. 如权利要求1所述的装置，包括温度传感器，被配置为测量所述传感器体或所述隔板的温度。
16. 如权利要求1所述的装置，包括从所述隔板突出的突起， 所述突起承载从所述隔板至压力传感器体外部的电连接。
17. —种用于感应过程流体的压力的方法，包括在可偏转隔板上设置电极； 将所述可偏转隔板放置在传感器体中；通过所述传感器体对所述可偏转隔板施加压力，以引起偏转； 测量所述可偏转隔板上的所述电极与所述传感器体之间的电容的 变化；以及基于所测量的电容的变化，确定压力。
18. 如权利要求17所述的方法，其中，所述可偏转隔板包括刚性 材料。
19. 如权利要求17所述的方法，其中，所述可偏转隔板包括晶体 材料。
20. 如权利要求17所述的方法，其中，所述可偏转隔板包括从由 硅、石英、蓝宝石和尖晶石组成的材料组中选择的材料。
21. 如权利要求17所述的方法，其中，所述传感器体包括传导性 材料。
22. 如权利要求17所述的方法，其中，所述传感器体由两个半传 感器体形成。
23. 如权利要求17所述的方法，其中，所述隔板由两个半隔板形成。
24. 如权利要求17所述的方法，包括在所述隔板上设置第二电 极，所述第二电极被配置为与压力传感器体一起形成第二可变电容器。
25. 如权利要求17所述的方法，包括在所述隔板中形成隔板内 部空腔，所述隔板内部空腔被配置为响应于施加至所述传感器体的空 腔的线压力而发生形变。
26. 如权利要求25所述的方法，包括在所述隔板内部空腔中设置电极，所述电极被配置为形成基于所施加的线压力而改变的可变电 容。
27. 如权利要求n所述的方法，包括设置温度传感器，所述温度传感器被配置为测量所述传感器体或所述隔板的温度。
全文摘要
用于感应过程流体压力的压力传感器(5G)，包括其中形成有空腔(149)的传感器体(140)。可偏转隔板(150)位于空腔(149)中，响应于施加至空腔的压力而偏转。隔板上的电极(162)与压力传感器体(140)一起形成可变电容器。电容响应于所施加的压力而变化。
文档编号G01L9/12GK101341385SQ200680048317
公开日2009年1月7日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月20日
发明者安德鲁·克罗辛斯基, 马克·斯库马切尔 申请人:罗斯蒙德公司