专利名称：用于测量过程流体的压力的过程变量变送器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业过程中的过程流体的压力的测量。更具体地，本实用新型涉及在差压变送器中测量管线压力。
背景技术：
工业过程用在多种类型的材料的制造和运输中。在这种系统中，通常需要测量过程中的不同类型的压力。经常要测量的一类压力是差压。这是过程中的一个点与过程中的另一个点之间的压差。例如，含有过程流体流的管中的孔板两端的差压与流体的流量有关。 差压例如还可以用于测量槽或其它容器中的过程流体的高度。在工业过程中，压力传感器通常容纳在或连接到压力变送器，所述压力变送器位于远距离处并将与压力有关的信息传输到诸如控制室的中央位置。经常在过程控制回路上进行传输。例如，通常使用二线式过程控制回路，在该二线式过程控制回路中，两条线用于将信息以及电力传送给变送器。还可以使用无线通信技术。变送器技术的进步已经增加了可以由变送器产生的信息量。具体地，变送器可以安装有多个传感器以测量多个过程变量输入或较宽范围的单个过程变量。例如，变送器可以设置有诸如授予Broden等人的美国专利No. 5，495，769、授予Rud，Jr.的美国专利 No. 6，047，244和授予khulte等人的美国专利No. 7，467，555中所述的多个压力传感器，所有这些专利都被转让给明尼苏达州Eden Prairie市的Rosemount公司。在许多过程设施中，除了测量差压之外，还期望测量过程的绝对压力或表压力 (也被称作为“管线压力，，)。该信息例如可以通过在流量计算中包括过程流体的密度变化而用于提供更加准确的流量测量。可以使用连接到过程流体的单独的压力传感器来进行附加的压力测量。
实用新型内容根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，其特征在于，该过程变量变送器包括过程连接装置，所述过程连接装置具有第一端口和第二端口，所述第一端口被构造成连接到第一过程压力，所述第二端口被构造成连接到第二过程压力；差压传感器，所述差压传感器连接到所述第一端口和所述第二端口，所述差压传感器具有与所述第一过程压力和所述第二过程压力之间的差压有关的输出；第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器连接到相应的第一端口和第二端口，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器具有与所述第一过程压力和所述第二过程压力有关的输出；和变送器电路，所述变送器电路被构造成根据来自所述差压传感器的输出提供变送器输出，并且进一步根据所述第一过程压力和所述第二过程压力提供增强功能，其中所述第一压力传感器和所述第二压力传感器包括脆性材料，所述脆性材料具有形成在该脆性材料内的空腔；以及其中来自所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的输出与所述空腔的变形有关。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述变送器可以被构造成根据来自所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的输出计算差压。较佳地，上述过程变量变送器还可以包括将所述第一端口连接到所述第一压力传感器和所述差压传感器的管。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述管可以包括延长部分，并且所述第一压力传感器可以安装在所述延长部分的远端处。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器可以具有大于所述差压传感器的频率响应的频率响应。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器可以被构造成在大于所述差压传感器的最大操作压力的压力下操作，并且所述变送器电路可以被构造成根据所述第一压力传感器和所述第二压力传感器提供变送器输出，从而为所述过程变量变送器提供扩展的范围。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述变送器电路可以被构造成当差压传感器损坏时根据来自所述第一压力传感器的输出与来自所述第二压力传感器的输出之间的差提供差压输出。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述第一压力传感器可以延伸到所述管中，并通过铜焊被密封至所述第一压力传感器。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述增强功能可以包括检测堵塞的管线。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述增强功能可以基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器感测到的信号的频率。较佳地，在上述过程变量变送器中，所述增强功能可以包括根据来自所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的输出校准所述差压传感器。
图1显示具有根据本实用新型构造而成的过程变送器的过程测量系统；图2是图1的过程变送器的简化方框图；图3是图1的过程变送器的示意性侧视图，其中示出了变送器电子元件；图4是图3的变送器的传感器模块的横截面图；图5是管线压力传感器的横截面图；图6是图5的安装在管中的管线压力传感器的横截面图。
具体实施方式
在一个实施例中，本实用新型提供一种用于使用双管线压力传感器为差压测量变送器提供另外的功能的设备和方法。更具体地，在一个方面中，本实用新型包括一种管线压力传感器，所述管线压力传感器连接差压传感器的相对侧，用于执行诊断或提供其它功能。图1大致显示过程测量系统32的环境。图1显示含有加压流体的连接到用于测量过程压力的过程测量系统32的过程管道30。过程测量系统32包括连接到管道30的脉冲管道(impulse piping)34。脉冲管道34连接到过程压力变送器36。诸如孔板、文丘里管、流量喷嘴(flow nozzle)等之类的主元件33接触过程管道30中的在脉冲管道34的管子之间的位置处的过程流体。当流体流动经过主元件33时，主元件33使该流体产生压力变化。变送器36是通过脉冲管道34接收过程压力的过程测量装置。变送器36感测过程压差并将该压差转换成为过程压力的函数的标准化传输信号。过程回路38将电力信号从控制室40提供给变送器36并提供双向通信，并且可以根据多种过程通信协定构造而成。在所述的示例中，过程回路38是二线式回路。二线式回路用于在正常操作期间以4-20mA信号将所有电力传输至变送器36，并传输到和来自变送器36的所有通信。控制室40包括给变送器36提供电力的电压电源46和串联电阻44。在另一个示例性结构中，回路38是无线连接(wireless connection)，在该无线连接中可以以点对点结构、全连接网络、或其它结构无线地传送或接收数据。图2是压力变送器36的简化方框图。压力变送器36包括通过数据线66连接在一起的传感器模块52和电子板72。传感器模块电子元件60连接到接收所施加的差压M 的差压传感器56。数据连接(data connection) 58将传感器56连接到模数转换器62。任选的温度传感器63还与传感器模块存储器64 —起被示出。电子元件板72包括微计算机系统74 (或微处理器)、电存储器模块76、数模信号转换器78和数字通信块80。此外，图2中还示出了用于将差压传感器56连接到过程流体M的毛细管或“填充”管93和94。隔离膜片90接收来自过程流体M的压力，所述压力被可靠地施加到毛细管93和94中载送的填充流体。通过该填充流体，将工业过程的压力施加到差压传感器 56。根据所述的实施例，管线压力传感器97和98分别连接到毛细管93和94，并且被布置成监测毛细管93和94中的压力。管线压力传感器97和98连接到压力测量电路99。 电路99例如可以包括响应于传感器97和99的电参数的电路，所述电参数作为所施加的管线压力的函数而变化。例如，压力传感器97和98可以根据包括公知的技术来操作，包括其中传感器97和98的电容变化、传感器97和98的电阻变化、传感器的共振频率变化等的压力测量技术。以下更加详细地论述一个具体的结构。电路99可以是独立的电路，或者在一些结构中，电路99可以包括在用于测量差压的其它电路中。例如，用于监测不同传感器的一些部件或所有部件可以是共用部件。图3示意性地显示具有传感器模块52和变送器电子元件模块136的压力变送器 36的一个实施例。传感器模块52包括壳体152和基部M，在所述壳体和基部中设置有传感器板156、差压传感器56、隔离装置或管93和94、以及隔离膜片90。变送器电子元件模块136包括壳体164、罩166、显示罩168、输出接口 170和变送器电路172。传感器模块52 还包括管线压力传感器97和98以及温度传感器175。在图1中所示的管道30的主元件 33的两侧产生压力P1和P2。传感器板156和传感器56安装在传感器模块52的壳体152内。传感器模块52的壳体152例如通过螺纹连接连接到电子模块136的壳体164。类似地，罩166和168通过螺纹连接连接到壳体164，所述螺纹连接形成如本领域所公知的火焰淬火(flame-quenching)密封件以防止来自壳体164内的火焰的泄漏。输出接口 170和变送器电路172安装到变送器电子元件模块136内的壳体164并形成图2中所示的电子元件板72。在所述的实施例中，传感器56是具有设置在一对电极板之间的感测膜片的基于电容的差压传感器。在一个实施例中，传感器56是如授予Frick等人的美国专利 No. 6，295, 875中所述的金属膜片式传感器，该专利被转让给明尼苏达州Eden Prairie市的Rosemoimt公司。传感器56通过隔离管93和94连接到基部M，在所述隔离管中设置有液压填充流体。隔离膜片90使隔离管93和94内的填充流体不会受到过程流体的压力P1 和P2。由传感器56通过基部M内的隔离膜片90以隔离管93和94内的液压填充流体感测作为差压△ P的过程流体的压力P1和P2的变化。然而，本实用新型不局限于这种差压测量结构。在所述的实施例中，管线压力传感器97和98是基于电容的绝对压力传感器。在一个结构中，传感器97和98是如授予Sittler等人的美国专利No. 6，484，585和一系列相关申请中所述的电容式压力传感器，所有这些专利或专利申请都转让给明尼苏达州Eden ^ airie市的Rosemoimt公司。这种传感器包括使用具有高压缩强度的脆性感测材料 (brittle sensing material)的技术。例如，诸如蓝宝石的脆性材料。传感器97和98分别感测隔离管93和94中的填充流体的管线压力P1和P2。由压力传感器97和98中的每一个感测到的压力可以相互进行比较以产生表示差压ΔΡ的信号，所述信号可以用于代替由传感器56感测到的差压ΔΡ，或用于与由传感器56感测到的差压ΔΡ进行比较。传感器56、97和98 —起形成传感器系统，所述传感器系统包括具有单个传感器装置的压差传感器设备和具有两个传感器装置的绝对传感器设备。差压传感器56以及绝对压传感器97和98与传感器板156进行电通信。传感器板156通过传感器电缆176与变送器电路172电通信。变送器电路172通过电缆178与输出接口 70电通信。输出接口 170 将变送器36连接到控制回路38的配线。在本实用新型的其它实施例中，变送器电路172、 传感器板156和输出接口 170的功能的性能依照要求被不同地分配和实施。传感器56准确地测量小的差压。进一步地，传感器97和98准确地测量绝对压力。 传感器56直接测量管线压力P1与P2之间的差。传感器97和98分别直接测量压力P1和 P2。来自传感器97和98的输出之间的差可以用于确定大的差压、执行诊断、提供对传感器 56的校准等、或提供其它功能。传感器56、97和98因此可以用在多种情况下以感测管线压力和差压。图4是更加详细地示出的传感器模块52的横截面图。如图4中所示，管93包括连接到差压传感器56的弯曲部分202。进一步地，管93包括连接到管线压力传感器97的延长部分200。以类似的方式，管94包括连接到差压传感器56的弯曲部分206和连接到管线压力传感器98的延长部分204。图5是管线压力传感器97的一个示例的侧视横截面图。在图5的示例中，管线压力传感器97由两个蓝宝石衬底220和222形成，所述蓝宝石衬底粘结在一起并且在所述蓝宝石基板之间形成真空空腔224。真空空腔2M包括连接到电连接导线226的两个电容器极板(未示出)。电连接导线2 连接到传感器板156中的电路。设置铜焊带(braze band) 230，并且该铜焊带用于将传感器97连接到管93。图6是安装在管93的延长部分200中的管线压力传感器97的横截面图。管93可以由镍形成并且填充有诸如油的基本不可压缩流体。管93的延长部分200包括形成在该延长部分内的开口，所述开口支撑压力传感器97。例如使用铜焊232将压力传感器97密封至延长部分200。返回参照图2，通过变送器36中的电路接收来自压力传感器56、97和98的传感器信号。该电路包括例如传感器模块52中或电子元件板72上的电路。例如，微处理器电路74可以处理管线压力信号以为变送器36提供增强功能。这种增强功能包括诊断、扩展的测量范围、冗余传感器测量、校准、诸如质量流量的额外的过程变量的计算等。附加的传感器的使用可以用于扩展装置能够感测压力的范围。例如，管线压力传感器97和98可以用于在压力超过压力传感器56的上限时的情况中感测过程流体的差压。 虽然这种结构可能会降低压力测量的精度，但是在一些情况下，这种折衷方案是可接受的， 以便增加测量范围。这对于测量流量以及差压来说是有用的。附加的传感器97、98可以用来使得能够进行冗余压差测量(redundant differential pressure measurement)，用于提供传感器诊断。例如，在小于250英寸H2O 的压力下，传感器97、98可以用于测量差压并且提供冗余差压测量。使用管线传感器97和 98测量的差压可以与使用差压传感器56测量的差压进行比较。微处理器74可以使用这两种测量之间的任何差异来识别失效的传感器。在一种结构中，附加的绝对压传感器97和98用于在差压传感器56已经失效或正在提供不准确的测量的情况下提供差压测量。这种结构允许变送器36在精度降低的受限 (或“失效保护(limp)”)模式下操作，直到失效的设备可以被修理或更换。如果微处理器系统74例如根据传感器56不提供信号输出而检测到传感器56已经失效，则微处理器74 可以根据来自传感器97和98的输出计算差压。计算处差压可以被传输到远程位置。传输任选地可以包括诊断信息，如表示传输的过程变量由于变送器处于“失效保护”模式下运行而具有降低的精度的信息。这种结构允许工业过程可能以减小的容量继续运行，直到可以实现修理为止。在另一种结构中，根据由差压传感器56测量的差压通过微处理器系统74对绝对压传感器97、98执行诊断。在正常操作期间，由管线压力传感器97、98中的一个测量的压力应该大致等于由管线压力传感器97、98中的另一个测量的压力与由差压传感器56测量的差压之间的差。类似地，附加的传感器97、98可以用于识别脉冲管道的堵塞或失效的主元件。在所述的实施例中，两种不同类型的传感器的使用可以用于提供具有不同频率响应的传感器。例如，这里所述的差压传感器56中使用的金属膜片具有倾向于滤出较高频率的过程噪声的有效低通滤波器。另一方面，这里所述的基于蓝宝石的管线压力传感器97、 98具有较高的频率响应并能够提供具有较快响应时间的测量。这种高频率响应可以用于测量差压传感器56的任一侧的噪声信号。这可以用于提供增强的过程统计或诊断，例如识别过程中堵塞的管线或其它失效部件。管线压力信号还可以用于校准差压传感器56以及用于对差压测量中的由高管线压力引起的任何变化进行补偿。例如，上述压力传感器97 和98的结构在延长的时间周期内提供了相对稳定的测量。当传感器97和98相对稳定时， 它们的测量值可以用于校准由压力传感器56提供的测量值的漂移。因此，可以由微处理器 74执行校准。在另一个示例中，由管线压力传感器97和98提供的附加的压力测量值可以用于通过微处理器74为差压传感器56压力测量值提供准确的管线压力区域(span line pressure)补偿。在一种结构中，两个绝对压传感器测量值的使用可以用于更加准确地对差压测量值的变化进行补偿。可以在微处理器74中执行补偿算法。在一种结构中，管线压力传感器97和98具有大约5，OOOpsi的范围上限。传感器 97、98可以放置在装置中的任何位置，然而与填充管93、94相关联的上述位置提供了便利的位置。当这里所述的管线压力传感器97、98根据电容变化进行操作时，测量系统的不同操作和部件可以与差压传感器56共享图2中所示的也根据电容变化进行操作的温度传感器63。在一个实施例中，温度传感器设置在传感器97和/或98内。这可以用于补偿它们的测量值的温度变化。进一步地，参考电容器(未示出)可以设置在传感器97和/或98 中以进一步增强绝对压力测量值的精度。双绝对管线压力传感器96、98还可以用在其它过程变量测量结构中，例如，用在其中传感器可以与应变仪平行定位的管线内单元(inline unit)中。虽然已经参照优选的实施例说明了本实用新型，但是本领域的技术人员将认识到在不背离本实用新型的精神和保护范围的情况下可以在形式和细节上进行改变。管线压力传感器97和98可以以任意适当的方式连接到P1和P2并且不局限于这里所示的管结构。 可以使用任意适当的电路实施上述不同的功能，并且这种功能的实施可以在多个部件之间共享，并且使用相同或单独的电路实施。这里使用的“变送器电路”表示变送器36内的电路。如这里所使用的，“增强功能”包括系统诊断、部件诊断、过程诊断、扩展的操作范围、部件的校准、统计过程测量和元件失效情况下的受限装置操作。本申请涉及与该申请同一日提出申请并且题为“TRANSMITTER OUTPUT WITH SCALABLE RANGEABILITY”的共同待审的申请第12/834，393号，通过引用将该申请的全部内
容结合于此。
权利要求1.一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，其特征在于，该过程变量变送器包括过程连接装置，所述过程连接装置具有第一端口和第二端口，所述第一端口被构造成连接到第一过程压力，所述第二端口被构造成连接到第二过程压力；差压传感器，所述差压传感器连接到所述第一端口和所述第二端口，所述差压传感器具有与所述第一过程压力和所述第二过程压力之间的差压有关的输出；第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器连接到相应的第一端口和第二端口，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器具有与所述第一过程压力和所述第二过程压力有关的输出；和变送器电路，所述变送器电路被构造成根据来自所述差压传感器的输出提供变送器输出，并且进一步根据所述第一过程压力和所述第二过程压力提供增强功能，其中所述第一压力传感器和所述第二压力传感器包括脆性材料，所述脆性材料具有形成在该脆性材料内的空腔；以及其中来自所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的输出与所述空腔的变形有关。
2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述变送器被构造成根据来自所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的输出计算差压。
3.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，该过程变量变送器还包括将所述第一端口连接到所述第一压力传感器和所述差压传感器的管。
4.根据权利要求3所述的过程变量变送器，其中，所述管包括延长部分，并且所述第一压力传感器安装在所述延长部分的远端处。
5.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器具有大于所述差压传感器的频率响应的频率响应。
6.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器被构造成在大于所述差压传感器的最大操作压力的压力下操作，并且所述变送器电路被构造成根据所述第一压力传感器和所述第二压力传感器提供变送器输出，从而为所述过程变量变送器提供扩展的范围。
7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述变送器电路被构造成当差压传感器损坏时根据来自所述第一压力传感器的输出与来自所述第二压力传感器的输出之间的差提供差压输出。
8.根据权利要求3所述的过程变量变送器，其中，所述第一压力传感器延伸到所述管中，并通过铜焊被密封至所述第一压力传感器。
9.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述增强功能包括检测堵塞的管线。
10.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述增强功能基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器感测到的信号的频率。
11.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述增强功能包括根据来自所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的输出校准所述差压传感器。
专利摘要本实用新型公开了一种用于测量过程流体的压力的过程变量变送器，包括具有第一端口和第二端口的过程连接装置，所述第一端口被构造成连接到第一过程压力，所述第二端口被构造成连接到第二过程压力。差压传感器连接到第一端口和第二端口，并提供与第一过程压力和第二过程压力之间的差压有关的输出。第一和第二压力传感器连接到相应的第一和第二端口，并提供与第一过程压力和第二过程压力有关的输出。变送器电路被构造成基于来自差压传感器和/或第一和/或第二压力传感器的输出提供变送器输出。由变送器使用感测到的第一和/或第二过程压力提供附加的功能。
文档编号G01L13/00GK202188933SQ20112014458
公开日2012年4月11日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年7月12日
发明者安德鲁·J·科乐森斯基, 弗雷德·C·西特勒, 戴维·A·布罗登, 罗伯特·C·海德克 申请人:罗斯蒙德公司