压力传感器组件的制作方法

本实用新型涉及感测工业过程的过程变量。更具体地，本实用新型涉及感测在这样的工业过程中使用的过程流体的压力。

背景技术：

压力传感器用于测量压力。一种用于测量压力的技术是通过一个可偏转的膜片。对膜片的一侧施加压力，使膜片偏转。膜片的偏转与所施加的压力成正比。膜片偏转可以通过配置膜片以使其充当电容器的板来测量。膜片组件的电容根据膜片位置而变化。因此，电容可以与膜片位置相关，膜片位置又代表施加到膜片的压力。

压力传感器经常在恶劣的环境中运行。这种环境会导致高精度的压力传感器的失效，而这些压力传感器往往是易坏的。一种这样的技术使用隔离膜片，其中过程流体位于隔离膜片的一侧，并且隔离(或“填充”)流体位于隔离膜片的另一侧。隔离流体接触压力传感器膜片。随着过程流体压力变化，隔离膜片响应性地偏转，这导致压力变化通过隔离流体传递到传感器膜片。然而，膜片中的隔离流体会引起压力测量误差，并且可能随时间或由于施加热或其他外部影响而改变。此外，流体会随着时间的流逝而泄漏，这会导致减少的流体体积或已经被过程流体污染的隔离流体。流体泄漏或污染都会导致压力测量误差。另一个示例性的压力感测技术使用脆性材料的细长压力传感器，该细长压力传感器被保护性元件覆盖，例如在名称为“压力传感器组件”并转让给罗斯蒙特公司的美国专利No.6,848,316中所描述的保护性元件。

技术实现要素：

用于感测高温环境中的过程流体的压力的压力传感器组件包括构造成暴露于过程流体并具有在其中形成的腔的细长的传感器壳体。压力传感器定位在细长的传感器壳体的腔中。压力传感器具有至少一个响应于施加的压力而偏转的膜片，并且包括具有指示所施加的压力的根据至少一个膜片的偏转而变化的电特性的电气部件。与所述至少一个膜片接触的挠性隔膜被设置成将传感器壳体的腔的至少一部分从过程流体密封，并且响应于过程流体施加的压力而挠曲，从而引起至少一个膜片的偏转。

本实用新型内容被提供以简化形式介绍在下文的具体实施方式中被进一步描述的概念的选择。该实用新型内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用作确定要求保护的主题的范围的辅助手段。要求保护的主题不受限于解决在背景技术中指出的任何缺点或所有缺点的实现方式。

附图说明

图1是根据一个构造的压力传感器组件的透视图。

图2是图1的压力传感器组件的侧视平面图。

图3是图1的压力传感器组件中携带的细长的传感器壳体的透视图。

图4是图1的压力传感器组件的侧视剖视图。

图5是图1的连接到压力变送器的压力传感器组件的简化图。

图6A是压力传感器的侧视剖视图。

图6B是图6A的压力传感器的端视横截面图。

具体实施方式

如在背景技术部分中所讨论的，压力传感器被用于感测过程流体的压力。在一些构造中，压力传感器和用于支撑压力传感器的压力传感器组件必须被构造为经受包括高温和腐蚀性环境的苛刻条件。在这种环境中使用的一种技术是使用基本上不可压缩的隔离填充流体将压力传感器与过程隔离。使用可偏转膜片或波纹管组件将隔离填充流体与过程流体分离。这将压力传感器与可能包括腐蚀性流体、磨料颗粒、导电介质等在内的恶劣过程环境隔离。这种构造通常使用隔离流体，隔离流体将施加到膜片或波纹管的压力液压地传递到压力感测元件。由于诸如蒸汽压力、热膨胀、可压缩性、分解和保持隔离流体的装置的能力等因素，填充流体的性质决定了系统关于压力和温度变化的准确性。此外，这些方法要求传感器处于包括压力的环境中，使得到传感器的任何电连接必须通过具有足够强度的压缩密封来进送以保持过程压力。这增加了装置的额外的复杂性。此外，在许多系统的情况下，压力传感器和用于使输出标准化的参考部件之间的热变化会导致较大的热瞬态误差。

大多数压力传感器测量过程(兴趣压力)和基准之间的压差。对于表压，所使用的基准是大气压力。对于绝对压力，基准是真空腔(0压力)。大多数压力传感器也对温度变化敏感(这是不希望的效果)。如果压力传感器的温度与其参考温度相同，则温度对压力测量的影响通常很小。但是，热瞬态会导致压力传感器与其基准之间的温差，这被错误地解释为压力的变化。

由于作为膜片偏转的函数的最大应力与膜片半径的平方的倒数有关，所以这种膜片隔离系统受到进一步的限制。这种增加的应力需要使用相对较大的流体补偿材料，或者使用设计过程、制造公差和填充流体(油)的性能的要求(填充流体可以在较小的膜片直径中禁止)来处理。另一方面，基于波纹管的隔离系统需要更多的油和更长的长度。但是，由于震动等原因，这种结构容易被弄脏，堵塞，损坏或发生其他故障。

本文所述的构造不需要隔离填充流体，并且因此消除了与诸如上面讨论的那些情况的某些现有技术设计相关联的一些问题。在该构造中，隔离系统直接连接到压力传感器。这消除了对隔离填充流体的需要，从而简化了制造，减少了故障机制并提高了装置的温度性能。温度性能仅受所用材料的限制，而不受隔离填充流体的沸点、热分解温度或熔点的限制。

图1是根据一个示例实施例的压力传感器组件100的透视图。压力传感器组件100包括具有远端过程连接端104的壳体主体102。过程连接端104包括螺纹，使得其可以根据需要螺纹连接到过程管道或其他过程容器。壳体主体102还包括在其中携载压力传感器110的近端108。压力传感器110包括具有承载在其上的多个电子垫114的电连接表面112。类似于图1，图2是压力传感器组件100的侧视平面图。应该注意，在过程连接端104中提供开口，开口允许过程压力施加到壳体主体102的内腔。

图3是携载在壳体主体102中的细长的传感器壳体120的透视图。传感器壳体120包括安装到壳体主体102的近端108(也在图1中示出)。传感器壳体120优选地被在远端处的插塞122密封。此外，压力传感器110被容纳在传感器壳体120的腔124中。支撑桥接部126设置在腔或开口124上，用于加固结构，使得其可以承受高压环境。

图4是压力传感器组件100的侧视透视图，示出了携载在壳体主体102内的细长的传感器壳体120。如图4所示，可以看到压力传感器110由设置在传感器壳体120内并且在远端处连接到壳体120的座架130的细长结构形成。过程压力P通过压力端口140施加在组件100的远端104处。压力端口140打开到主体102的内腔142。此外，腔142包围腔124，由此所施加的压力P由压力传感器110接收。端盖122可以结合或焊接到传感器壳体120。类似地，该传感器壳体的近端108可以被焊接或以其他方式结合到壳体主体102。图4还示出了该实施例中的焊接凸出部109。

如图4所示，传感器主体120包括位于传感器110的相反侧上的挠性隔膜150。挠性隔膜150接触压力传感器110的表面，由此压力传感器110与过程流体隔离，但是通过挠性隔膜150响应于由过程流体施加的压力。膜150可以由任何适当的材料形成，所述材料能够充分挠曲以传输压力信号，足够坚固以保持压力，并且将抵抗该过程的腐蚀。膜150可以与传感器主体120一起制造为单个部件，或者可以分开组装。

这里所示的构造非常适合于高温环境。外壳体主体102作为过程适配器操作，并且可以根据需要构造成将细长的传感器壳体连接到各种类型的过程配件。插塞122的使用是可选的，然而，插塞122确实允许传感器壳体120在不使用EDM(电火花加工)的情况下被加工并用于保持压力。可以使用插塞122来允许传统的加工技术来制造感测主体。桥接部126支撑该结构并且防止壳体崩塌压靠着传感器110。通过防止壳体垂直于传感器膜片压靠传感器110的侧面，桥接部126还用于增加传感器的增益。虽然示出了两个挠性隔膜150，但也可以使用单个膜。在传感器110的构造中，传感器110的两个相反的侧面响应于所施加的压力。挠性隔膜150可以使用粘合剂或通过固态结合技术结合到传感器110。示例性的粘合剂包括铜焊件或焊料、陶瓷或玻璃。固态结合技术包括爆炸结合和扩散键合。扩散结合的示例包括携载在压力传感器110上的铬层，其具有在挠性隔膜150上的溅射铝层。另一示例是在转换器110上携载的铬层，其具有在挠性隔膜150上的溅射或电镀镍层。也可以使用压力传感器110上的溅射铝层和挠性隔膜150上的溅射或电镀镍层。另一个例子是压力传感器110上的溅射铬层和箔挠性隔膜150。填充材料也可以装载在转换器110上以将其固定在壳体120中。例如，可以使用陶瓷粉末或烧结的纳米银粒子。壳体120的内部也可以形成为真空。例如，膜150可以根据需要成形并且与壳体120配合。激光焊接可以用于将膜150密封到壳体。可以适当使用任何密封技术，包括缝焊接或电阻焊接。挠性隔膜150还可以包括预成形的金属箔并且可以通过焊接、金属对金属密封件而附接到传感器壳体120或黏附到传感器壳体。软金属也可以通过电镀等沉积在挠性隔膜150的内表面上以允许更紧密地连接到压力传感器110。例如，可以在挠性隔膜的内表面在金属箔的内表面上使用金电镀。

图5是示出包括压力传感器110的压力变送器200的简化框图。在该实施例中，压力变送器200包括测量电路202，其被配置为连接到来自压力传感器110的输出并且向微处理器204提供测量信号。测量电路202可以包括模数转换器以及补偿电路、滤波电路等等。电由电源208提供。微处理器204根据存储在存储器212中的指令操作。通常地，过程变量变送器将被配置成其中变送器200的所有电子器件被密封在气密密封的壳体中。微处理器可以用RS-485或RS-232的通信标准和输入功率调节的通信连接到UART收发器210。也可以使用微控制器，使得存储器212和UART210在微控制器方框内。RS-485收发器可以连接到UART。可以执行两个微控制器，其中一个理解来自测量电路的信号，另一个接收来自第一微控制器的数据并与外界通信。

特定压力传感器可以根据任何期望的构造。各种压力传感器设计在本领域中是已知的。一种类型的压力传感器由细长的基本上脆性的材料形成。传感器本身可以由诸如蓝宝石的耐腐蚀材料制成。图6A是压力传感器110的侧视剖视图，图6B是压力传感器110的端视横截面图。如图6A和6B所示，细长构件202和204形成相对的膜片，其被制造成包括形成于其中的腔205。金属层210,212,214,216,218和220沉积在腔205中的膜片202和204的内表面上。当压力施加到膜片202和204时，板210-220之间的间隔随着腔205的体积改变而改变。间距的这种变化表现为电容的变化，其可以通过诸如图5所示的测量电路202的适当的测量电路来测量。金属层210-220还可以提供根据温度变化的电阻，由此可以获得温度测量值。可以通过连接表面112连接到层210-220。

涉及图6A和6B示出的压力传感器的示例在以下文件中示出和描述：1997年6月10日授权的美国专利No.5,637,802；2000年6月27日授权的美国专利No.6,079,276；2000年7月4日授权的美国专利No.6,082,199；2000年7月18日授权的美国专利No.6,089,097；2003年1月14日授权的美国专利No.6,505,516；2003年2月18日授权的美国专利No.6,520,020；2003年1月21日授权的美国专利No.6,508,129；2002年11月26日授权的美国专利No.6,484,585；2003年2月11日授权的美国专利No.6,516,671；2003年5月13日授权的美国专利No.6,561,038；和2005年2月1日授权的美国专利No.6,484,316，其全部内容通过引用并入本文。

虽然已经参照优选的实施例描述了本实用新型，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本实用新型的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。在一个示例性构造中，压力保持壳体在压力传感器膜片的周围形成，其中在任一侧上具有箔膜片，从而将所施加的压力传递到压力传感器的膜片。在另一示例性构造中，传感器被安装到壳体中，并且使用填充材料、固态结合或者通过一些其他方式粘附而安装到挠性构件。例如，可以采用单个或两个膜片压力转换器。壳体也可以构造成使得不同的压力被施加到压力传感器的每一侧。加速度计或其他振动传感器支架也可以被采用。该系统非常适合用于冗余传感器应用。除高压环境外，该构造非常适合高温环境和强腐蚀性环境。可以使用任何适当的技术将挠性隔膜连接到壳体。例如，可以使用激光焊接过程来将挠性构件150附接到壳体120并且将壳体的内部与过程流体密封。可以使用其他焊接技术，例如TIG焊接，缝密封或突起焊接。