用于过程变送器的热基诊断系统的制作方法

专利名称：用于过程变送器的热基诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及在工业过程控制系统中使用的工业过程变送器。更具体地，本发明涉及用于检验过程变送器的性能的诊断系统。
背景技术：
过程仪表用于监控过程参数，诸如工业过程中使用的过程流体的压力、温度、流量和液面。例如，过程变送器典型地应用在处于多个位置的工业制造设备中以沿着各条生产线监控过程参数。过程变送器包括响应过程参数中的物理变化产生电输出的传感器。例如， 压力变送器包括产生作为诸如供水管线、化学槽或类似物中的过程流体的压力的函数的电输出。每个过程变送器还包括用于接收和处理传感器的电输出的变送器电子设备，这样，可以本地或者远程地监控变送器和过程参数。本地监控变送器包括在过程变送器所在地显示电输出的诸如LCD屏之类的显示器。远程监控变送器包括通过控制回路或网络将电输出传送至诸如控制室之类的中央监控站的电子设备。构造成这样，通过在过程控制系统和控制回路中包括自动开关、阀、泵、以及其它类似部件，可以从控制室调节过程参数。通常，理想的是执行过程控制回路的检查和诊断以检验控制回路内每个变送器的操作和性能。更具体地，理想的是在不在控制回路上进行侵入程序(invasive procedure) 或者不从控制回路和工业过程控制系统中物理地移除变送器的情况下从控制室远程地检验每个变送器的性能。当前，诊断能力限于获取仅与控制回路和变送器电子设备的性能相关的信息。例如，控制室能够启动源自变送器电子设备的且随后传播通过整个控制回路的测试信号。了解被启动的测试信号的幅值和性质的控制室随后能够检验控制回路和变送器是否正确地响应于测试信号。因此，控制室模仿传感器输出并检查电子设备和控制回路是否以同样的方法响应。然而，控制回路不能检验传感器的功能性。例如，模仿测试信号不能检验传感器是否完好无损并产生有效压力信号。传感器响应于过程流体中的物理变化，而非电输出。例如，压力变送器中使用的基于电容的压力传感器包括固定的电极板和可调节的电极板，可调节的电极板典型地包括柔性传感器隔膜。传感器隔膜通过将过程流体压力传播至传感器的简单液压系统连接至过程流体。该液压系统包括密封通道，传感器隔膜定位在密封通道的第一端，而柔性隔离隔膜定位在第二端以与过程流体接合。密封通道填充有精确量的液压流体，该液压流体在过程流体影响隔离隔膜时调节传感器隔膜的位置。当过程流体的压力改变时，传感器隔膜的位置改变，导致压力传感器的电容变化。压力传感器的电输出与电容相关，因此，在过程流体压力变化时成比例地改变。因此，传感器的正确检验需要物理地移动传感器隔膜。之前传感器诊断的尝试包括使用活塞式压力计(deadweight tester)或者手泵以蓄意提高过程流体或者填充流体的压力，以检查传感器是否响应。这些方法需要操作者访问变送器的位置并要求过程变送器脱机，因此有碍检验过程的自动化。其它方法包括在填充流体内提供压电晶体，该压电晶体产生影响感测隔膜的瞬时压力脉冲。其它尝试包括使用加速仪以检测填充流体的感应振动以与传感器输出中的相应改变进行比较。然而，难以控制由晶体或者感应振动产生的脉冲。因此，诊断的重复性受到限制，并且，压力传感器的验证不一致。还难以为填充流体内的压电晶体提供启动能或者将充足的电能输送给加速仪。此外，这种系统给产品及其制造增加了相当大的费用。因此，需要一种简单并且成本有效的、准确验证工业过程变送器中的传感器的操作的远程诊断系统和方法。

发明内容
本发明涉及一种用于测量工业过程中的过程变量的过程变送器。该过程变送器包括传感器模块，加热装置和变送器电路。传感器模块具有用于测量工业过程的过程变量并生成传感器信号的传感器。加热装置连接至传感器模块，用于生成热脉冲，以影响传感器信号的生成。变送器电路连接至传感器和加热装置。变送器电路通过测量由热脉冲引起的传感器信号的变化而检验传感器的操作。在本发明的一个实施方式中，热脉冲是过程变送器内的填充流体的体积热膨胀。在另一个实施方式中，热脉冲改变过程变送器内的填充流体的物理特性，诸如介电特性。


图1显示包括具有本发明的热基传感器诊断系统的平面安装式压力变送器的过程控制系统。图2显示图1的压力变送器中使用的具有基于电容的压差传感器和加热装置的传感器模块的透视图。图3显示用于在本发明的热基传感器诊断系统中使用的加热装置的第一实施方式，其中加热装置包括多个电阻器。图4A显示用于在本发明的热基传感器诊断系统中使用的加热装置的第二实施方式，其中加热装置包括电阻线圈。图4B显示用于在本发明的热基传感器诊断系统中使用的加热装置的第三实施方式，其中加热装置包括缠绕到铜焊到填充管中的铜线周围的绕线电阻器。图5显示包括加热装置和连接到变送器电路以为本发明的诊断系统供电的电容器的控制电路。图6显示包括加热装置和连接到变送器电路以为本发明的诊断系统供电的电池的控制电路。图7显示从压力传感器输出的与位于传感器模块内的加热装置的热输出有关的压力信号的图像。图8A和8B显示用于具有净化过程隔离隔膜和结块隔离隔膜的压力传感器的压力信号输出的图像。图9A至9F显示响应于至加热装置的功率输入的压力信号输出的多种图像，其对应于压力传感器的多种诊断。图10显示说明用于检验压力传感器的校准的过程的图像。图11显示根据本发明的具有集成误差补偿电极和集成填充流体加热系统的压力传感器单元的分解透视图。图12显示图11的压力传感器单元的示意图，其图示了用于集成误差补偿电极和填充流体加热系统的引线的布置。图13显示包括本发明的热基传感器诊断系统的管道中(in-line)安装式压力变送器。图14显示在图13的管道中压力变送器的压力传感器中使用的基于应变 (strain-based)的绝对压力或者表压力传感器的示意图。图15显示用于与本发明的热基诊断系统一起使用的具有加热装置的远程密封系统。图16显示用于图15的远程密封系统的具有毛细管和加热器电缆的毛细管系统的剖视图。
具体实施例方式图1显示过程控制系统10，其包括平面安装式压力变送器12和控制室14。压力变送器12包括C0PLANAR 压差传感器，该传感器感应过程流体中的压力Pl和压力P2之间的压差并接着经控制回路16将电信号传递给控制室14。控制室14还从电源18经控制回路 16将电力供应给变送器12。控制回路16还能使通信系统20将来自控制室14的数据发送给变送器12并从变送器12接收数据。在各种实施方式中，控制回路16和通信系统12通过诸如F0UNDATI0NTMFieldbus之类的数字网络协议、或者诸如4_20mA HART 系统之类的模拟网络协议操作运行。在其它实施方式中，变送器12和控制室14经无线网络通信。在另一些实施方式中，通过与压力变送器12有线或者无线连接的手持装置可以读取变送器 12的输出。压力变送器12包括变送器电路22，传感器对，IXD屏沈，传感器模块28，电子设备外壳30以及加热装置32A和32B。变送器电路22通过配线3电连接至电路板36，用于与控制回路16通信。变送器电路22包括用于将压力传感器M所生成的压力电信号经控制回路16传送给控制室14或诸如IXD屏沈之类的本地显示器，或同时传送给这两者。电路 22将传感器M的输出调节成与控制回路16兼容的格式。基于接收自传感器M和变送器 12的数据，控制室14能够通过控制回路16或者另一个控制回路调整过程参数。例如，控制室14能够通过调整适当的自动受控阀而调整过程流体的流量。此外，通过控制回路16，控制室14能够利用通信系统20和变送器电路22执行变送器12的诊断评估。特别地，利用加热装置32A和32B，控制室14能够检验传感器M的机械和电学功能性。传感器M包括具有柔性传感器元件38的压力传感器，该柔性传感器元件38响应于如来自经过连接件39A和39B引入的过程流体的压力Pl和P2而移动。在一个实施方式中，连接件39A和39B包括脉冲管道系统，而在另一个实施方式中包括远程密封组件毛细管。过程法兰40包括通道42A和42B，以及连接器44A和44B。传感器模块观包括液压隔离管46A和46B，以及隔离隔膜48A和48B。隔离管46A和46B包括在其第一端与传感器M 连接在一起而在其第二端与隔离隔膜48A和48连接在一起的通路。隔离隔膜48A和48与过程法兰40连接在一起，过程法兰40典型地通过螺杆或其它方式固定到变送器12的模块观的基部。在一个实施方式中，法兰40包括C0PLANAR 过程法兰。液压隔离管46A和46B 供给有传感器填充流体。所述填充流体基本不可压缩以将压力Pl和P2传递给传感器24， 并且典型地包括硅油液压流体，诸如可从美国的MI州Midland市的Dow Corning公司商业可获得的DC 200 、DC 704 或Syltherm XLT 硅油。然而，还可以使用其它流体。填充流体移动隔离隔膜48A和48B的位置，这改变隔离管46A和46B内填充流体的体积。填充流体移动柔性传感器元件38的位置，这改变由传感器M生成的压力电信号，因此指示压力 Pl和P2的变化。因此，过程流体通过通常称为高压侧和低压侧的两个连接件与传感器M
液压联接在一起。加热装置32A和32B由变送器电路22控制，以使隔离管46A和46B内的填充流体的受控、瞬时加热产生填充流体的受控、瞬时热膨胀。填充流体的热膨胀引起传感器M内的填充流体的压力瞬时变化并引起柔性传感器元件38的偏转。变送器电路22和控制室14 能够检验传感器M产生传感器信号变化，并能够检验所述变化与至加热装置32A或32B的输入对应。图2显示本发明的一个实施方式，其中，传感器模块观包括位于模块观内的传感器对附近的多个位置处的加热装置32A-32F。虽然为了方便起见在这里图示了所有的加热装置32A-32F，但是并不是所有加热装置32A-32F都需要用来实现本发明的热基诊断系统。 典型地，仅在传感器M的高压侧和低压侧仅需要实现一个加热装置。在其它实施方式中， 本发明还可以仅用单一的加热装置而实现。传感器M是响应于压力Pl和P2的变化产生电信号的换能器。在所示的实施方式中，传感器对包括差动、基于电容的压力单元，其中传感器元件38包括柔性电容器极板。在其它实施方式中，传感器M可以包括检测流体压力的物理变化的其它换能器，诸如压电晶体或应变仪，正如图13和14所描述的那样。压力传感器M包括传感器隔膜38，隔离管46A，隔离管46B，填充管50A，填充管 50B,第一电极板52A，第二电极板52B，第一单元半部54A，第二单元半部MB，第一绝缘体 56A，第二绝缘体56B，第一导线58A和59A，以及第二导线58B和59B。在一个实施方式中， 压力传感器M包括五线式传感器，如在授权给Frick et等人并转让给明尼苏达州Eden Prairie市的Rosemount公司的美国专利No. 6，295, 875所描述的那样，通过这种引用将该美国专利结合于此。在其它实施方式中，压力传感器24可以包括正如业界已知的三线式传感器。压力传感器M组装到变送器12的模块28内的基部60上。模块28和基部60典型地被铸造并被加工成一体件，模块观主要包括用于保持传感器M的中空腔。模块观和基部60共同提供允许隔膜48A和48B经隔离管46A和46B与传感器M液压地相互作用的框架。基部60包括孔62，这样，变送器12能够连接至法兰40或者诸如脉冲管道的一些其它过程连接件。模块观包括用于连接变送器12的外壳30的螺纹64。基部60还包括沉孔，其与隔离隔膜48A和48B —起形成隔离腔66A和66B。隔离腔66A和66B通过设置在基部60中的孔68A和68B分别与隔离管46A和46B连接在一起。隔离管46A和46B典型地包括焊接至基部60以及单元半部54A和54B的不锈钢管段。隔离管46A和46B分别与绝缘体56A和56B连接，绝缘体56A和56B分别设置在传感器单元半部54A和MB内的孔7IA和70B中。绝缘体56A和56B包括电极52A和52B分别镀在其上的杯状平台。当单元半部54A和54B组装以在传感器M内形成内腔74时，杯状平台沿着接合处72配合。绝缘体56A和56B由诸如玻璃或陶瓷之类的任何合适的绝缘材料构成。绝缘体56A和56B包括延伸到内腔74的孔，使得隔离管46A和46B将隔离器66A 和66B与内腔74连接在一起。传感器隔膜38设置在内腔74内的单元半部54A和54B之间，使得隔膜38与电极52A和52B相对。电极52A和52B分别连接至导线58A和58B，导线58A和58B延伸穿过绝缘体56A和56B，并分别在开口 76A和76B处离开单元半部54A和 54B.导线58A和58B接至电路板36，电路板36包括各种传感器电子设备78。例如，压力传感器12包括温度传感器80，诸如如通常包括在压力变送器中的热敏电阻器或钼电阻温度计(PRT)。温度传感器80被定位以确定传感器模块观内的传感器M附近的环境温度。 在另一个实施方式中，温度传感器80镀在与电路板36连接的柔性电路板上，这样，温度传感器80可以紧靠压力传感器M定位。配线34将电路板36与变送器12的外壳30 (图1) 内的变送器电路22连接在一起。因此，由模块观内变化的温度条件而引起的由传感器24 所生成的压力信息改变可以由电路22补偿温度误差，这样，过程流体的压力被精确地传递到控制室14或者IX拟6。加热装置32A-32F包括连接至电路板36的导线(为了清楚起见未显示)，这样， 加热装置32A-32F通过配线34与变送器电路22通信。加热装置32A-32F分别定位在隔离管46A和46B的填充管部分50A和50B上。加热装置32C和32D分别定位在隔离管46A和 46B上，更靠近单元半部54A和MB。加热装置32E和32F分别直接定位在单元半部54A和 54B 上。传感器隔膜38以及电极52A和52B包括传感器M内的第一和第二电容器，当压力Pl和P2在隔膜38上产生压差时，每个电容器产生电容信号。与压力Pl相关的力通过包含在隔离腔66A，隔离管46A，填充管50A和电极52A中的填充流体从隔离隔膜48A传递至感测隔膜38，使得在隔膜38的高压侧或者A侧的压力等于压力P1。类似地，与压力P2 相关的力通过包含在隔离腔66B，隔离管46B，填充管50B和电极52B中的填充流体从隔离隔膜48B传递至感测隔膜38，使得隔膜38的低压侧或者B侧的压力等于压力P2。填充流体在组装期间通过在工厂中进行的精确填充过程经由隔离管46A和46B的填充管部分50A 和50B被引入传感器M。填充管50A和50B在工厂中被压接并被密封以防止填充流体的泄露。当隔膜38的曲率由于填充流体的影响而变化时，隔膜38和第一电极板52A之间的电容以及隔膜38和第二电极板52B之间的电容变化。因此压力传感器M产生双重电容信息，这帮助降低由传感器M产生的误差。隔膜38和电极板52A或52B中的一个之间的电容会增加而另一个会减少。由电路板36和变送器电路22测量每个电容器由压力变化引起的电容变化，该电容变化作为压力Pl和P2之间的压差的幅值的变化的指示。本发明还可应用在仅产生单一电容信号的压力传感器上。总体上说，电容是与板极电压相关的一个电容器能够存储多少电荷的指示。电容 C与电极板的面积A和电极板之间的材料的介电常数ε成正比，并与电极板之间的距离成反比，如方程式(1)所示。C =—方程式(1)电容器的面积A由传感器对以及电极板52Α和52Β的尺寸固定。填充流体的介电常数ε的幅值由传感器M内使用的填充流体所确定。因此，要求感测隔膜38位置的物理变化改变距离X，这样，压力传感器M会产生压力电信号的变化，这是通过填充流体的运动而提供的。在典型的压力单元中，内腔74的深度(例如，绝缘体56Α的边缘和绝缘体56Α的槽之间的距离)约为0.004英寸( 0.01cm)。因此，感测隔膜38仅需以一个英寸的百万分一的方式移动以产生传感器电信号的变化。处于感测过程流体的压力时的典型操作条件下，距离X通过隔离管46A和46B内的如受到压力Pl和P2影响的填充流体的运动而改变。 本发明的热基传感器诊断系统利用加热装置32A至32F中的一个影响感测隔膜38的受控运动，这样，操作可以由变送器电路22和控制室14(图1)进行传感器M的机械操作的检验。加热装置32A至32D定位在传感器模块28内以引起填充流体局部热膨胀。膨胀的填充流体在与所使用的加热装置相关的单元半部的包含体积内产生真实压力增加。这个压力增加引起传感器隔膜38位置的物理变化，以便由电路22(图1)产生可以用来检验传感器M的操作的真实压力信号。加热装置32A和32B定位在填充管50A和50B上以加热和膨胀传感器填充流体。类似地，加热装置32C和32D定位在隔离管46A和46B上以加热和膨胀填充流体。加热装置32E和32F定位在传感器单元半部54A和54B上，以在单元半部54A和MB中引起足以偏转传感器M内的感测隔膜38的局部变形或扭弯。来自加热装置32A-32D的热造成填充流体的热膨胀，填充流体的热膨胀远远超过隔离管、填充管或者单元半部的热膨胀。例如，典型的硅油填充流体的热膨胀约是用来制造压力传感器模块的典型金属材料的热膨胀的30倍。如上所述，改变压力信号仅需要使感测隔膜运动少许。因此，仅需要填充流体的源自热膨胀的小的体积变化。因此，引起填充流体热膨胀以造成压力信号变化所需的热不会造成隔离管、填充管或者单元半部的显著热膨胀。在本发明的另一个实施方式中，额外的填充流体球与填充管50A和50B连接，而加热装置32A和32B分别连接至所述球。因此，来自装置32A和32B的热能集中在较大体积的填充流体附近，这样产生更大的体积变化。然而，所述球的体积，不足以大到影响测量系统的压力准确度。填充流体的局部加热提供了与传感器隔膜38匹配(register with)的足够的热膨胀。填充流体的体积变化△ V等于流体的体积V乘以流体的温度变化△T和流体的热膨胀系数α，如方程式(2)所示。AV = ATXVX α 方程式 O)体积变化Δ V与总体油体积V中的被加热的部分相关。例如，体积V可以估算为每个填充管50Α或50Β内的体积，而热膨胀系数α由填充流体固有的特性所确定。温度变化Δ T由选自加热装置32Α和32Β的执行加热装置的热输入而确定。由此引起的填充流体的体积变化△ V决定传感器隔膜38的偏转X (方程式(1))，该偏转X主要取决于传感器隔膜38以及诸如隔膜48Α和48Β的隔离隔膜两者的有效刚度&ff。对于这个系统，由体积变化引起的压力采用方程式C3)计算得出。ΔΡ = AVXSeff 方程式(3)在方程式(3)中使用有效刚度Srff，因为传感器隔膜38的源自填充流体的膨胀的偏转取决于传感器隔膜38以及隔离隔膜48A和48B两者的刚度。当加热填充流体时，两种隔膜都膨胀或者向外弯曲。然而，隔离隔膜48A和48B比起传感器隔膜38具有更小的刚度，这样，隔离隔膜48A和48B上的影响更大。例如，在具有3英寸水( 750Pa)压力范围上限的典型的低压范围电容性压力传感器上，传感器隔膜38的刚度是隔离隔膜48A或48B 的2. 5倍。对于具有2000磅每平方英寸(psi)( 14MPa)的压力范围上限的典型的高压范围电容性压力传感器来说，传感器隔膜38的刚度是隔离隔膜48A或48B的11000倍。这样，隔离隔膜48A和48B更易于偏转并吸收填充流体的大部分热膨胀。然而，隔离隔膜48A 和48B的移动并不影响传感器隔膜38并因此不影响传感器M的输出。然而，在低压范围压力传感器和中压范围压力传感器中，通过加热装置加热填充流体引起填充流体的充分的热膨胀，从而提供有效措施以移动传感器隔膜38。例如，在具有250英寸水( 62kPa)的压力范围上限的典型的中压范围电容性压力传感器上，传感器隔膜38的刚度是隔离隔膜48A或48B的48倍。实验表明，可以产生0. 5至1英寸水( 25Pa至 250Pa)的热生成压力，这引起传感器隔膜38偏转，该偏转将使压力传感器M产生由电路22可察觉的信号。因此，加热装置32A和32B和32C和32D在隔离管46A和46B 上的定位通过加热填充流体以造成热膨胀而提供适合检验低压范围压力传感器和中压范围压力传感器的操作的装置或手段。类似地，加热装置32E和32F还提供适于调整隔膜38 的位置的装置或手段。加热装置32E和32F还提供用于检验更高范围压力传感器的操作的装置或手段。通过提供对单元半部54A和54B的直接加热而可以克服诸如在高压范围压力传感器中，采用由相对更加柔性的隔离隔膜48A和48B的移位引起的填充流体的膨胀使传感器隔膜38运动的困难。高压范围压力传感器包括比起它们对应的隔离隔膜刚度更高的感测隔膜。本发明的一个实施方式通过施加来自加热装置32E或32F的热以造成传感器M的热膨胀而引起单元半部54A和54B的变形。来自加热装置32E或32F的热主要由单元半部 54A和54B吸收。由单元半部54A和54B吸收的热引起单元半部54A和54B不均勻地热膨胀，这种不均勻的热膨胀扰乱了传感器M的对称性。传感器隔膜38典型地横过单元半部 54A和54B伸展并被跨接单元半部54A和54B焊接，这样，单元半部54A和54B的变形引起传感器隔膜38运动，特别是结点72附近的运动。传感器隔膜38的这种被引起的运动产生虚的(false)压力信号，这是一种不表示任何真实压力变化的压力信号，以检验传感器M 的操作。影响用于本发明的传感器隔膜38的运动的每个方法取决于从热装置32A-32F可获得的热输入。在本发明的其它实施方式中，变送器12设有温度传感器以监控加热装置32A-32F 的热输出，这样，可以监控进入填充流体的热输入以精确地评估压力信号中的变化。例如， 温度传感器89设置在加热装置32C上以监控沿着隔离管46A产生的温度。因此，变送器电路22能够使用传感器89的输出以检验加热装置的操作并将压力信号变化的幅值校准至进入填充流体的热输入的幅值。在各种实施方式中，隔离管46A处的局部温度可以从加热装置32C的热输出提升至100 0F ( 38°C )。图3显示适于供本发明使用的加热装置的第一实施方式。加热装置90由围绕隔离管46A的外表面设置多个电阻器92A、92B和92C构成。电阻器92A，92B和92C从电路板 36或其它电源获得电流，这样，当电流通过时，产生并耗散热量。所述热量使隔离管46A内存在的填充流体热膨胀，这样，可以进行本发明的诊断。在所示的实施方式中，加热装置90 包括三个电阻器，但是根据它们的尺寸和阻值，可以使用任何数量的电阻器。电阻器92A， 92B和92C沿隔离管46A的周长等间距地分布，以使电阻器的最大程度暴露至隔离管46A的表面。电阻器92A-92C可以通过适于将来自电阻器的热有效地传递至隔离管的任何装置固定到隔离管46A。例如，在一个实施方式中可以使用高导电性胶。在另一些实施方式中，可以使用诸如焊接或者胶粘的其它方式。电阻器92A，92B和92C并联连接，并包括分别连接至电线94和95的导线94A，94B和94C，以及95A，95B和95C。电线94和95连接至电路板 36。电阻器92A-92C可以包括商业上可获得的任何适当电阻材料，并可以具有任何适当的阻值以提供理想的热输出并与电路板36兼容。然而，在其它实施方式中，可以使用制造的电阻加热器。图3显示适于供本发明使用的加热装置的第二实施方式。加热装置96包括电阻线圈绕组98，隔离套管100和绝缘套管102，它们同心地缠绕在填充管50A上。绝缘套管102 在图4A中以剖面显示，以显示隔离套管100和线圈98。在本发明的一个实施方式中，填充管50A包括0. 065英寸( 0. 165cm)直径的金属管。线圈绕组98可以包括商业上可获得的任何合适的电阻线。在一个实施方式中，绕组98由在生产电阻元件时普遍使用的镍铬合金线构成。线圈绕组98的端部连接至导线104A和104B，导线104A和104B连接至电路板 36。导线104A和104B从电路板36获得电流。当电流经过线圈98时，导线的电阻产生热量。所述热量经隔离套管100被传导至填充管50A内的填充流体，这样填充流体热膨胀并可以执行本发明的诊断。变送器应用在宽泛的不同类型的工业中，在那里它们潜在地暴露于存在爆炸危险的环境，诸如炼气场(gas refinery)。当电流传导通过线圈绕组时，线圈绕组98具有潜在的燃点，因为存在高温的可能。因此，绝缘套管102被提供以降低绕组98的表面温度从而保持变送器的内在防爆安全(intrinsic safety) 0在一个实施方式中，绝缘套管102阻止填充管50A的表面达到约200°C ( 392 0F )从而实现T4等级。绝缘套管102还通过在填充管50A附近聚集热量以提高加热装置96的效率，填充管50A在变送器12的外部接地。隔离套管100包括材料薄层以隔离填充管50A和绕组98。在一个实施方式中，隔离套管100 包括一个0. 020英寸( 0. 051cm)厚度的陶瓷材料层，尽管还可以使用具有高导热性能的任何适合材料。绝缘套管102覆盖绕组98的外侧以提供阻挡围绕传感器M的周围空气的屏障。在一个实施方式中，绝缘套管102包括适合于提供电绝缘和热绝缘的任何材料，诸如橡胶或者塑料套管或者涂层。隔离套管100和绝缘套管102 —起提供将绕组98与传感器 24和传感器模块观的其余部分隔开的屏障。图4B显示适于供本发明使用的加热装置的第三实施方式，其中，电阻加热装置 105置于填充管50A内侧。加热装置105包括电线105A，线圈105B和铜焊105C。铜焊105C 将电线105A固定到填充管50A。线圈105B缠绕在电线105A的位于填充管50A外侧的第一端周围。电线105A的第二端位于填充管50A的内侧并没入填充流体中。在本发明的一个实施方式中，线圈105B由诸如镍铬合金之类的高导电性材料构成，而电线105A由诸如铜之类的高导热性材料构成。线圈105B被赋予电能以电阻加热电线105A。接着热量通过电线105A被有效地引入填充管50A的内部。这样，热量直接地传递到填充流体中，通过消除穿过填充管50A传递热量的需求而提高热传递效率。另外，消除了对采用高压电馈通 (electrical feed-through)为内部加热装置提供电能的需求。在另一实施方式中，本发明的加热装置包括电阻加热元件，该电阻加热元件具有位于灯泡内的灯丝，类似于光热灯泡，并且该电阻加热元件特别适合放置在填充管50A和 50B或者隔离管46A和46B内部的填充流体内。在一个实施方式中，用于这种电阻加热元件的导线穿过隔离密封被弓丨出填充管50A。本发明的各种电阻加热元件的热输出，无论它们的设计如何，都取决于由电路板36或者其它源提供的电源。
图5显示用于将功率从变送器中汲取出来并供给至本发明的热基诊断系统的电路的电路图。电路106包括接线端108A和108B，第一开关110，第二开关112，电容器114 和加热装置116。加热装置116包括适于供本发明使用的任何电阻加热装置，诸如装置90， 装置96或者一些其它电阻加热元件。加热装置116通过导线(诸如电线94和95或者电线104A和104B)连接至第一接线端108A和第二开关112。第二开关112连接至第一开关 110，第一开关110连接至第二接线端108B。接线端108A和108B连接至电路板36，这样形成闭合的串联电路。电容器114在开关110和112之间连接至电路106，以在加热装置116 附近形成分路。这样，电路106与来自控制回路16的电源连接在一起。电路106在两种模式下运行。在第一模式中，开关110和112保持打开，电路106 对传感器M的正常运行没有影响。在第二模式中，电路106开始最终会将功率传递给加热装置116的顺序。第二模式是一个两步骤过程。在第一步骤中，开关110闭合以开始对电容器114充电，这样能量存储在电容器114中。例如，许多变送器在12伏特电压下在4-20mA HART 网络中运行。在这种系统中，当控制回路16中不需要通信时，变送器电路22需要 4mA的电流用于静态运行。零到全刻度范围的压力信号由4-20mA信号所表示，并且是是在控制回路16上通信的压力信号。另外，HART 数字协议还可以在控制回路16上通信。在第一步骤中，发送机12暂时停止通信4_20mA信号。通常用于至控制回路16的通信的这个能量现在被转移为对电容器114进行充电。转移到电容器114的实际能量取决于电路设计效率和其它因素。一个实例是用12mA的电流对电容器114充电200秒。对于1 法拉的电容器，电容器114上的最终电压约为2. 4伏特，导致约5. 76焦耳的能量被存储在电容器114中，正如由已知的电学关系所确定的那样。在第二步骤中，开关110打开。当需要诊断传感器M的操作时，开关112闭合以将存储在电容器114中的能量释放给加热装置116。选择加热装置116的阻值以在数秒内对电容器114快速放电。这个快速放电造成热量的快速增加，提供必要的油膨胀并产生压力脉冲。在其它实施方式中，可以对电容器114连续慢速地充电，因此可以根据要求执行诊断。例如，第一开关Iio可以保持闭合，而接线端108A和108B可以通过本领域熟知的电流调节装置连接至变送器电路22。这个实施方式的优势在于变送器12不必离线以对电容器114进行充电。在其它实施方式中，开关110和112是由变送器电路22数字化控制的电子开关。在其它实施方式中，从电容器114放出的电流可以利用电流调节电路引向加热装置116。存储在电容器114中的能量通过任何方式给加热装置116供能并在加热装置中作为热能耗散，因此造成填充流体或者单元半部热膨胀，该热膨胀引起传感器隔膜38偏转。 根据焦耳定律，从加热装置116可获得热能Q的幅值可以根据加热装置116的电阻R、可以从电容器114输送至加热装置116的电流量i、以及电流被供给至加热装置116的时长t计算得出，如方程式(4)所示Q = i2Rt [J] 方程式在一些实施方式中，使用具有约5-10 Ω的阻值的电阻器。在本发明的一个其它实施方式中，电容器114包括业界公知且商业上可获得的超级电容器(supercapacitor)。 通常，超级电容器以较小的包装而比常规电容器具有更大的电容，原因在于它们使用具有电化学电介质的双层电极。以下参考文献更详细地描述了这种超级电容器的背景和构造 Mathews等人的美国专利No. 5，380，341，Shiue等人的美国专利No. 6，512，667，Yen等人的美国专禾Ij No. 5，426，561，Thrap的美国专利No. 7，170，260，以及，Sekido等人的美国专利 No. 4，414，607。因此，术语“超级电容器(supercapacitor) ”是指任何已知的高容量紧凑型电容器，包括“超大容量电容器(ultracapacitor) ”。图6显示本发明的另一个实施方式，其中功率被从定位在传感器外壳30中的专用电池118供给至加热装置116，该专用电池由变送器电路22控制。例如，可以采用工业过程变送器中使用的用于无线网络的典型的低压电池。这种电池具有小的包装，这样它们装配在电子设备外壳30内侧并提供电能，使得可以根据所使用的加热元件的阻抗进行约1500 次诊断测试。关于图5，电容器114由电池18取代，因此也消除了对电池充电的需求。因此，本发明提供了各种实施方式，其中，电路22控制到加热元件的电流以为传感器M提供脉冲热输入。在本发明的其它实施方式中，电路22可以直接连接至诸如典型的商业或者工业设施中可获得的外部电源，代替电池118为加热装置116供能。图7显示实验数据的图像，该图像示出了来自压力传感器M的压力信号$与来自位于传感器模块观内的温度传感器(诸如传感器80)的温度信号&的关系。利用外部热源，例如与装置90和96类似的电阻加热装置，复制加热装置32A和32B的布置，热能被供给至填充管50A和50B。左侧纵轴显示压力变化关于传感器M的压力范围极限的百分比。 右侧纵轴显示以摄氏度为单位的温度变化。水平轴显示各种功率脉冲被供给至加热装置的时间。虽然图7显示加热装置被供能约60分钟，但是在温度传感器80记录模块观中的温度变化之前的数秒内可以取得有意义的压力和诊断信号，这极大地降低了诊断系统的功率需求。图7显示基于温度传感器80和由电路22进行的计算进行温度补偿的压力传感器信号、，如在图7中由在热能被施加到填充流体一段较长的时间(通常为几分钟)之后的压力信号$的波峰和波谷的斜率变化所示。从图7中的左边开始，在第一输入中，1瓦特功率被供给至低压侧填充管，其导致温度信号&从其基线位置上升约2. 5度。低压侧填充管对应于连接至填充管50A的加热装置32A。压力信号、显示指示传感器的范围极限的约0.1%的压力变化的负读数。在第二输入中，1/2瓦特的功率被供给至低压侧填充管，其导致温度信号&从其基线位置上升约 1.1度。压力信号S显示指示约0.05%的压力变化的负读数。在第三输入中，0.1瓦特的功率被供给至低压侧填充管，其导致温度信号&从其基线位置上升约0. 2度。压力信号$ 显示指示约0.01%的压力变化的负读数。在第四输入中，1瓦特的功率被供给至高压侧填充管，其导致温度信号&上升。压力信号$显示正的压力变化，因为热输出源于高压侧填充管。高压侧填充管对应于连接至填充管50B的加热装置32B。实验数据确认压力传感器同时响应于正的压力变化和负的压力变化。因此，根据进入模块观的热输入使压力信号输出变化来检验传感器M的操作。然而，基于来自变送器电路的功率和来自温度传感器(诸如电路板36上的传感器80或者加热装置32C上的传感器89)的温度的控制得知进入系统的热输入，可以测量或者计算相应的压力变化。由压力传感器指示的实际压力变化可以与期望的结果相比较，以诊断压力变送器12(图1)内的潜在问题或者故障，正如参照图8A-9F所讨论的那样。实验数据还确认温度增加和压力增加之间存在关系。例如，所公开的实施方式显示温度增加与压力增加之间的线性关系。这种关系可以用来检验压力传感器的校准，正如参照图10所讨论的那样。图8A和8B显示实验的图像，其中本发明的热基诊断系统用来诊断结块(caked) 过程隔离隔膜。图8A显示用于具有洁净的(clean)过程隔离隔膜的压力变送器的热诱导压力信号输出Pu的图像。图8B显示用于具有与过程流体结块的隔离隔膜的压力变送器的热诱导压力信号输出Pc的图像。对于所进行的实验，结块隔离隔膜涂有巧克力层，其在温度范围内经历相变。图8A和8B显示在三个不同温度79°F ( 沈· 1°C )，95 °F ( 35°C ) 和115 T ( 46. I0C )处取得的压力测量，这对应于巧克力涂层从固态到液态的转变。如图8A所示，当压力变送器内的传感器隔膜和隔离隔膜之间的填充流体的温度由于来自热基诊断系统的热输入而增加时，压力信号输出Pu增加。特别地，当温度从约 16 0F ( 8. 90C )增加到约20 °F ( 6. 7°C )时，压力信号输出Pu增加约0. 07%，正如由压力变送器内的填充流体的热膨胀引起的所期望的那样。当填充流体的温度被加热时，填充流体膨胀以偏转变送器内的隔离隔膜和传感器隔膜。传感器隔膜的位置变化显示为信号 Pu的变化，当填充流体的温度增加时，信号Pu的变化增加。如图8B所示，当填充流体的温度增加时，压力信号输出Pc增加。压力信号输出Pc 变化的幅值对应于阻塞巧克力的相位。例如，在95 0F ( 35°C )和115 0F ( 35°C )时， 压力信号输出Pp增加约0. 1%，因为隔离隔膜上的涂层略微增加了隔离隔膜的刚度。由于隔离隔膜的刚度增加，热膨胀填充流体使隔离隔膜偏转受到轻微抑制，这导致传感器隔膜更大的偏转。因为巧克力涂层柔软且有些粘性，隔离隔膜仍然偏转而传感器隔膜不会吸收填充流体的所有热膨胀。然而，在79下( 处，巧克力硬化，这样隔离隔膜变得僵硬并不能在热膨胀填充流体所施加的压力下偏转。这样，传感器隔膜吸收由热基诊断系统所引起的填充流体的几乎所有热膨胀。正如从图8B中可以看到的，压力信号输出Pe在 79 0F ( 26· I0C )时的变化比压力信号输出Pc在％ °F ( 35°C )和II5 0F ( 35O ) 时的变化大好几倍，这样，图8A和8B的刻度不再显示输出Pc的峰值增加。压力信号输出Pc 在79 °F ( 26. I0C )时的增加约为2. 6%，其约为95 °F ( )或115 °F ( ) 时的增加的35倍。因此，结块隔离隔膜产生热诱导压力信号输出的变化，该变化是相对于从未结块隔离隔膜所期望的热诱导压力信号输出而言的。因此，图8A和8B说明一个方法， 通过这个方法，本发明的热基诊断用来使用压力变送器系统诊断具体缺陷或问题。图9A至9F显示与压力传感器的各种诊断相应的压力信号输出的各种图像。每个图显示功率输入和来自压力传感器的一个半部的相应的压力输出。诊断可以在传感器的相对半部上重复。图9A指示响应于至加热装置的用于使压力传感器正常起作用的功率输入的压力传感器信号。在有限量的时间内将恒定功率脉冲提供给加热装置。当热量被输入填充流体时，至加热装置的功率耗散，造成填充流体随着温度升高而热膨胀。膨胀的填充流体在感测隔膜上施加增加的压力。当功率输入停止时，由于填充流体内的热能耗散，压力信号回到基线压力。压力信号产生为锯齿状信号，指示感测隔膜处所经历的压力的增加和衰减， 因此指示正常起作用的传感器。图9B显示响应于至加热装置的功率输入的压力传感器信号，该压力传感器信号用于连接至被堵塞的过程连接的压力传感器。有时，过程流体或者一些其它污染物会积聚在系统内。例如，将过程流体管道与压力变送器法兰连接在一起的冲压管(impulse pipe) (典型地为小直径导管)会由于油或者一些其它淤泥而被堵塞。可替换地，冰可能积聚在系统中，堵塞通道。因此，阻止了将来自过程流体的压力Pl和P2传送至压力变送器。这样， 热输入下膨胀的填充流体会比那里不存在堵塞的情况更大地偏转传感器隔膜，因为隔离隔膜被塞子或者障碍物阻止移动。因此，来自填充流体膨胀积聚的所有压力会被传送给传感器隔膜。压力信号因此会升高到比对应的功率输入通常会造成信号升高到的水平大很多的水平，如图9A所示。因此，具有大于所期望的幅值的锯齿状信号可以指示堵塞的过程流体孔、通道等。类似地，具有大于所期望的幅值的信号可以指示结块隔离隔膜，如参照图8A和 8B所讨论的那样。图9C显示响应于至加热装置的功率输入的压力传感器信号，该压力传感器信号用于具有破裂的感测隔膜的压力传感器。有时，传感器隔膜，诸如传感器隔膜38，可能泄露， 这样来自传感器的一个半部的填充流体不再从该传感器的一个半部那里被密封。特别地， 在差压传感器中，传感器隔膜将包含在传感器的两侧内的填充流体分开。因此，传感器隔膜中的漏洞会允许填充流体交叉。这样，热输入下膨胀的填充流体将开始偏转传感器隔膜，好像感测隔膜中不存在孔一样。然而，当感测隔膜一侧的压力增加时，填充流体会被迫通过该漏洞以平衡感测隔膜两侧的压力。因此压力信号会开始上升，但最高点会在图9A所示的相应的期望值之下，因为填充流体通过漏洞的交换使压力平衡。漏洞越大，感测隔膜的偏转和压力信号的变化越小。具有小于期望值的幅值的锯齿状信号可以指示破裂的传感器隔膜。图9D显示响应于至加热装置的功率输入的压力传感器信号，该压力传感器信号用于具有低填充流体体积的压力传感器。有时，填充流体可能从感测系统中泄露。这样，在热输入下膨胀的填充流体会有空间膨胀离开液压系统，导致感测隔膜不移动或者不能检测压力变化。类似地，如果液压系统被不正确地填充并且传感器系统内密封有空气，空气会在膨胀的填充流体的增加的压力下压缩。另外，隔离管中会有更少的填充流体膨胀。因此，压力传感器信号会保持在基线或者会可忽略地变化，而不反映任何明显的压力增加。因此，响应于至加热装置的脉冲功率输入的平直线型压力输出可以指示具有漏洞或者存在空气的液压系统。这样的平直线型压力输出还可以指示打开的过程连接，其中过程流体的压力变化不会导致压力信号在视觉上存在可见的变化。图9E显示响应于至加热装置的功率输入的压力传感器信号，该压力传感器信号用于其中隔离隔膜经历氢气渗透的压力传感器。有时，压力变送器集成到它们原本不打算用于的过程控制系统中。基于安装时过程流体它们将接触的过程流体的类型选择隔离隔膜。例如，当过程流体已知包括氢气时，使用具有镀金层的隔离隔膜。氢气能够渗透典型的钢隔离隔膜。接触包含氢气成分的过程流体的钢隔离隔膜将吸引氢气通过隔离隔膜，这里它被填充流体吸收。由于隔离管内气体和填充流体的体积增加，隔离隔膜开始向外弯曲。当由加热装置加热填充流体时，填充流体压缩填充流体内的氢气。由于存在氢气，感测隔膜不会放映源自被加热的和膨胀的填充流体的压力变化，类似于如参照图9D所描述的填充流体内存在空气的情况。因此，压力传感器将保持在基线压力或将可忽略地变化，而不放映任何明显的压力增加。因此，响应于至加热装置的脉冲功率输入的平直线型压力输出可以指示遭受氢气渗透的隔离隔膜。图9F显示响应于至加热装置的功率输入的压力传感器信号，该压力传感器信号用于与破裂的隔离隔膜连接的压力传感器。有时，隔离隔膜，诸如隔离隔膜48A或48B，可能由于腐蚀或者机械损坏而破裂。特别地，隔离隔膜可能变得损坏，这样填充流体不再被密封在隔离管内。这样，热输入下膨胀的填充流体将不再处于一个封闭的体积内，所生成的压力会通过损坏的隔离隔膜膨胀出去。因此传感器隔膜将不能检测到压力的增加，因为填充流体从隔离隔膜流出而不是在传感器隔膜上施加压力。因此，压力传感器信号将保持在基线压力处或者将可忽略地变化，不会反映任何明显的压力增加。因此，响应于至加热装置的脉冲功率输入的平直线型压力输出可以指示破裂的隔离隔膜。图10显示说明用于检验压力传感器的校准的过程的图表。图10显示进入加热装置的一系列功率输入和相应的一系列压力信号输出的增加。功率脉冲(诸如瓦数Wl和W2) 被施加到压力传感器模块内的加热装置。瓦数Wl和W2在压力传感器模块内的压力传感器的压力信号输出中引起压力响应Rl和R2。由于用于本发明的热基诊断系统的功率输入和压力信号输出之间已知的关系，由此产生的压力信号响应Rl和R2的幅值变化应当对应于瓦数Wl和W2的幅值。正如参考图7所讨论的那样，在本发明的一个实施方式中，压力信号响应Rl和R2的幅值变化随着瓦数Wl和W2的幅值变化进行线性变化。例如，基于加热装置中的电阻器的幅值和供给至电阻器的电流的幅值，知道瓦数Wl和W2的幅值。因此，通过用已知的功率脉冲引起一系列温度变化，所产生的的压力信号响应可以与期望的压力响应曲线进行比较，以检验压力传感器是否被正确地校准。如果压力信号响应Rl和R2与期望的关系或曲线不匹配，表示压力传感器没有校准。在其它实施方式中，功率脉冲所导致的温度的幅值可以用来使压力信号响应Rl和R2的变化相互关联。变送器电路22 (图1)包括软件程序，该软件程序进行用于执行参照图9A-10所讨论的检验过程的各种操作。例如，变送器电路22启动加热装置，检验具有传感器89的加热装置的操作(图幻，检验传感器M响应于加热装置的启动的输出，以及将传感器M的输出与传感器89的输出进行比较。为了进一步提高诊断的可靠性，温度传感器89用来监控加热装置的输出和操作，而温度传感器80整合到电路板36中以为压力信号补偿温度误差。 压力传感器信号的比较可以在温度补偿发生之前进行检验。例如，来自加热装置32A-32F 的热输入将在传感器80检测传感器模块观内的温度增加之前引起压力信号增加。因此， 温度传感器89和到加热装置的已知功率脉冲输入可以用来在电路22开始基于来自传感器 80的输入补偿压力信号之前导出传感器M的检验。变送器电路22还包括协调传感器M的感测过程压力的操作和加热装置32A-32F 的检验传感器M的操作的软件。检验过程可以在变送器12的程序功能进展期间作为背景操作而运行，或者可以作为变送器12的基本功能运行，这取决于功率如何被输送至加热装置以及用来启动装置的程序和其它因素。例如，在一个实施方式中，功率可以通过超级电容器被输送至加热装置，该超级电容器通过从电路22或者电池输送的小电流(trickle current)进行充电，这样变送器12不需要离线。在这种实施方式中，电流接着可更替地施加到传感器的低压侧的加热装置上，以从传感器M产生小的输出信号，所述小的输出信号落入基线传感器信号的误差范围内，因此不干扰变送器12的基本功能。被编程到电路22 中的软件执行信号处理技术以在变送器在在线时从压力信号外推图案，从而评估传感器M 的输出。在其它实施方式中，使变送器12脱线，并将功率临时地输送给加热装置或者电容器，并且进行检验过程。变送器22还包括用于提高由热基诊断系统产生的数据的利用率和用于确保变送器12与工业标准兼容的软件。在本发明的一个实施方式中，变送器电路22包括资产管理方案(Asset Management Solutions，简称AMS)软件，以产生、记录和存储与作为热基诊断系统的结果所产生的诊断信号相关联的数据，这样可以监控变送器性能的变化。为了减少控制回路16上的带宽占用，与传感器M的性能变化或者不对称性能相关的不连续的数据包被传送给控制室14，而非连续信息流传送给控制室14。例如，AMS软件可以存储和传送信号幅值图像、时间常数图像、波形图像或者波对称图像。由变送器12进行这些或者其它检验过程与集成安全仪表系统(Safety Instrumented System，简称SIS)和安全故障系数 (Safe Failure Fraction，简称SFF)协议的数字控制系统兼容，以检验变送器故障时变送器12产生可辨识信号，以确保控制系统10的操作者意识到变送器12的操作状态。加热装置32A-32F的操作既可以根据要求手动地控制，又可以根据需求自动控制。在一个实施方式中，加热装置32A至32F由使用者通过诸如LC拟6的界面本地启动以运行检验过程。一旦诊断测试启动，使用者不需要进行任何后续任务，防止加热装置的不正确操作并有利于方便使用。例如，加热装置32A-32F的启动周期太长会导致不理想的后果。 如由电路板36在传感器模块34内产生太多热会造成传感器M和热基诊断系统的精确度退化。在其它实施方式中，加热装置32A-32F的启动由控制室14通过控制回路16远程地自动启动。在通过电路22完成检验过程以后，结果以声音警报或视觉提示的方式，诸如通过控制回路16(图1)或通过显示器沈(图1)告知操作者。本发明的热基传感器诊断系统提供一种用于检验传感器M的操作和校准的简单、可靠且准确的方法。通过用来自装置32A-32F中的一个的热脉冲简单地诱导压力信号变化可以检验传感器M的操作。相反地，响应压力信号可以用来检验检验系统本身的操作。来自装置32A-32F的一系列热脉冲的幅值与压力信号的幅值变化的比较用来评估传感器对的校准。此外，如通过依序在压力传感器的高压侧和低压侧进行诊断可以执行高级诊断，以确定1)压力传感器是否正确运行，2)压力传感器是否被校准，3)外部压力连接是否被堵塞，以及4)压力传感器是否由于隔膜破裂、油浅、油内存在空气等而损坏(如图9A-9F 所讨论的那样)。加热装置32A-32D引起填充流体热膨胀，以产生传感器隔膜38的偏转。 加热装置32E和32F引起单元半部54A和54B的扭曲，这种扭曲产生传感器隔膜38的偏转。 这样，加热装置32A-32F的启动产生热脉冲，该热脉冲使由传感器隔膜38产生的压力信号变化。在将参见图11-12更加详细地讨论的其它实施方式中，加热装置用于产生热脉冲，该热脉冲通过改变填充流体的特性而改变压力信号。图11显示本发明的7线式压力传感器的分解图，包括第一单元半部54A，第二单元半部54B和传感器隔膜38。第一单元半部54A包括第一隔离管46A，第一电极52A，第一绝缘体56A以及第一导线58A和59A，类似于图2中的传感器M的那些。单元半部54A还包括具有电极122A的集成误差补偿电极，和包括诊断电线124A的集成填充流体加热系统。 第二单元半部54B包括第二隔离管46B，第二导线58B和59B，第二诊断电线1MB，以及与单元半部54A中类似的其它部件(未显示)。装配时，传感器隔膜38被构造成连接到单元半部54A和54B的周边并包括导线126。这样，单元半部54A和54B被装配以形成7线式传感器 120。为了感测压力，传感器120与传感器M类似地操作之处在于，填充流体被从隔离管46A和46B引入传感器120以填充传感器隔膜38两侧的内腔74。每个单元半部54A和 54B内的电极板，诸如电极52A，与传感器隔膜38形成可变电容电容器。当填充流体改变传感器隔膜38和电极板之间的距离时，电容器的电容改变。隔离管46A内的填充流体受到如来自过程流体的外部压力的影响以影响隔膜38的弯曲。特别地，当传感器隔膜38的周边固定在单元半部54A和54B上时，填充流体引起传感器隔膜38靠近其中心弯曲。然而，由于将传感器隔膜38接合至单元半部所引起的边缘弯矩(edge-bending moment)，传感器隔膜38不会总是均勻地(例如抛物线似地)偏转。例如，隔膜38可以仍然保持基本平坦，但传感器隔膜38中的屈服或者蠕变力矩会引起传感器隔膜38的边缘弯曲，使得隔膜38朝向单元半部54A侧向地平移。因此传感器120设有用于评估传感器隔膜38的位置的附加电极。例如，误差补偿电极122A包括位于单元半部54A上的附加电极，该附加电极为监控传感器隔膜38的偏转提供附加参考点。电极52A和电极122A分别通过延伸穿过开口 76A的导线58A和59A连接至电路板36 (图2)。类似地，传感器电极38通过导线126连接至电路板36。导线58A，59A和126用于将电容信号带出传感器120并带入变送器电路22 (图1)。 变送器电路22包括用于基于电极52A和电极122A的响应进行误差补偿计算以改变传感器隔膜38的位置的软件和算法。在本发明的一个实施方式中，电极122A包括SATURN 电极， 该SATURN 电极的进一步解释和其各种实施方式可以在前述的Frick等人的美国专利US No. 6，295, 875中找到。然而，本发明的传感器120包括用于在传感器120上进行热基诊断的集成填充流体加热系统。在所示的实施方式中，传感器120包括诊断电线124A，其从电极 52A延伸穿过单元半部54A中的开口 76A，以连接至电路板36，且不影响电极52A和122A的操作。图12显示图11中压力传感器120的图解图，显示导线59A在电极122A上的布置以及导线58A和诊断电线124A在电极52A上的布置。诊断电线124A被选择性地操作以提供功率脉冲给电极52A。特别地，在电线58A和124A之间施加电压以引起电极52A的电阻加热，这样可以进行传感器120的热基诊断。传感器120内的电极52A的直接加热产生真实压力信号和虚的压力信号两种，它们每个都能用来诊断传感器120的功能。绝缘体56A最初包括绝缘材料块，诸如玻璃，其通过研磨工艺被形成为杯状盘以供在传感器120中使用。绝缘材料块被制造成包括在操作传感器120和热基诊断系统中使用的导线。特别地，电线58A，59A和124A嵌入所述块中，使得它们完全延伸通过所述块。电线124A包括可以将电荷输送至电极52A的任何合适的电线并因此可以由用来生产电线58A 和59A的原材料制造而成。所述电线的第一端最终连接至电路板36，如图2所示，而所述电线的第二端最终连接至电极板52A和电极122A。当所述块被研磨以形成内腔74时(图 11)，导线的第二端被截去以与绝缘体56A的表面平齐。电极52A包括导电金属涂层，诸如如汽相沉积的铬，其沉积在形成内腔74的绝缘体56A的表面上。导线58A和诊断电线124A 因而电连接至电极52A电。因此，通过使用现有的电极制造方法提供了成本低且集成的加热元件。传感器120的制造需要相对于导线58A将诊断导线124A更加精确地布置在电极 52A上，使得电线58A和124A之间的距离d在每个传感器单元中都几乎保持稳定。电线58A 和124A连接到电极板52A的位置之间的距离d决定阻抗的幅值，并因此影响当在电线58A 和124A上施加功率脉冲时产生的热量。在不同传感器的距离d保持几乎稳定的情况下，可以使用标准化硬件和软件执行诊断过程。在一些实施方式中，诊断电线124A可以连接至电极122A，这样诊断功率脉冲就可以被施加到电极122A和导线59A上。在另外一些实施方式中，导线124A和124B可以连接至与电极板52A明显不同的电阻加热元件。例如，电阻器可以嵌入绝缘体56A中或者沉积在绝缘体56A上。在任何实施方式中，在位于传感器120内的电阻加热元件上施加功率脉冲产生电阻加热，该电阻加热引起传感器120内的填充流体的加热。填充流体的加热引起填充流体在体积上热膨胀，这种热膨胀产生实际压力信号，使得能够在传感器120上进行热基诊断，正如参照图1-10所讨论的那样。填充流体在传感器 120的电极板之间的局部加热在产生诊断压力信号和进行本发明的热基诊断中提供额外的益处。加热元件在传感器120内的直接布置允许更大百分比的填充流体加热。例如，相比于利用连接至传感器M外侧的小百分比的填充流体的加热元件32A或32C和传感器M 的变送器，电极板52A与传感器120内的填充流体直接接触，并因此与使用传感器120的变送器内的全部填充流体中的更多部分进行热交换。除了加热更大百分比的填充流体之外， 电极板52A还更加有效地加热填充流体。特别地，相比于加热隔离管46a或填充管50A及其中的填充流体所需的热量，使包括电极板52A的汽相沉积层的温度升高所需要的热量很少。此外，电极52A沉积在由玻璃或一些其它高度绝缘材料构成的绝缘体56A上这样热量不会消散到单元半部54A中，而被直接引至填充流体。在传感器120中消除了将热量从加热元件传递到传感器M内的填充流体的低效率。这些低效率的消除增加了重复性并降低了执行诊断时的功耗。传感器M内的填充管 50A,隔离管46A，隔离层100 (图4A)和其中的填充流体的加热在填充流体的加热中引入了的额外变量。因此，在将电压输入和所引起的压力信号输出相关联中需要考虑额外的因素。 通过如同传感器120的加热元件一样更加直接地加热填充流体，消除了这些额外因素中的一部分。同样，由于更少的部件需要被加热以使填充流体的温度升高，因此由诊断电线124A 和124B提供的加热效率的增加导致进行诊断需要的功率更少。这样控制回路的功率收集 (power scavenging)(如采用图5中的电路106进行的那样)可以更加容易完成。相反地， 对于相同量的功率，诊断电线124A和124B的效率允许传感器120达到更高的温度。这样， 填充流体经历更大的热膨胀量，从而可以偏转更硬的传感器隔膜。这样，传感器隔膜38的刚度可以增加，如用在更高压范围压力变送器中。加热元件在传感器120内的布置还实现了填充流体的快速加热。诊断电线124A 允许电极板52A快速加热内腔74 (图11)内的在电极板52A和传感器隔膜38之间的填充流体。这对于实现快速诊断结果以及避免与过热相关的问题是有好处的。如上所述，过热可能造成电路板36的不希望的加热。另外，传感器M内(图幻的填充流体的慢速加热允许热量从一个单元半部迁移到另一个单元半部，其最终导致传感器M内的热平衡以及任何热基诊断信号的消除。因此，传感器120内的电极52A的直接加热在传感器隔膜38两侧的填充流体之间产生快速且强烈的压差，这样，可以进行更准确的热基诊断。加热元件在传感器120内的放置还减轻了两个本质安全问题。特别地，消除了如图4A中所示的对填充管50A提供隔离和绝缘的需要。第一，设置了隔离层100，以将加热线圈98与填充管50A分开，填充管50A在变送器的外部接地，以避免潜在的火焰形成，诸如火花。第二，设置了绝缘层102，以防止填充管50A的暴露表面超出临界温度，从而避免与火焰形成相关的热量。在导线124已经内置在单元半部54A内的情况下，不需要进一步隔离和绝缘热源。
传感器120的电极板之间的填充流体的局部加热还使得能够产生虚的压力信号， 其扩大了本发明的热基诊断可以使用的传感器范围。如上文参照方程式(1)说明的那样， 第一电极52A和传感器隔膜38之间的电容取决于两个变量电极之间的距离X，和填充流体的介电常数ε。因此从电容信号导出的压力信号变化具有两个分量基于位置X变化的第一分量，以及基于填充流体的介电常数ε的变化的第二分量。第一分量反映直接源自传感器隔膜38位置的物理变化的真实压力变化。这可以通过由填充流体的热膨胀增加传感器隔膜38上的压力而实现。第二分量反映介电常数ε的真实变化，其不需要压力变化或传感器隔膜38运动，并因此能够被认为虚的压力变化。填充流体在传感器隔膜38和第一电极52Α之间的由加热元件在传感器120内的放置所造成的局部加热同时产生距离X变化和介电常数ε变化。例如，如果传感器120的单元半部54Α中的填充流体使用诊断线124Α加热，那么传感器隔膜38将根据填充流体的热膨胀移动离开电极52Α，造成电极52Α和隔膜38之间的电容减少。这样，第一电极52Α和传感器隔膜38之间的电容变化精确反映由传感器120感受到的真实压力变化。由于填充流体的温度增加且介电常数ε的相应降低，单位半部54Α的内部加热还减少电容。这样， 第一电极52Α和传感器隔膜38之间的电容变化反映由传感器120感受到的虚的压力变化。 常规压力传感器不能仅基于压力传感器的电容变化而区别真实压力变化和虚的压力变化。 本发明的一个实施方式利用控制的虚压力信号检验基于电容的压力传感器的操作。虚压力信号不需要传感器隔膜38的运动并因此在具有硬的隔膜的压力传感器中是有用的。由加热元件90和96(图3和4)通过使传感器M外面的在隔离管46Α或隔离管 50Α内的填充流体膨胀而提供的加热影响传感器M内的填充流体。通过使传感器外面的填充流体的体积膨胀而改变传感器隔膜38的位置在其中传感器隔膜的刚度相对低的低范围压力传感器中是有效的。然而，在较高范围压力传感器中，传感器隔膜38的刚度可以变得使得由加热元件90或96所产生的填充流体体积的轻微变化不能产生大的足以传感器隔膜 38的位置的压力变化。此外，从加热元件90或96进入隔离管46Α或填充管50Α的热量不会迁移到电极板52Α和传感器隔膜38之间的填充流体，并且因此不会产生虚压力信号。然而，在诊断线124Α的情况下(其中加热元件被定位成直接加热电极52Α和隔膜38之间的填充流体)，产生虚压力信号，该虚压力信号可以被检测到，而不管传感器隔膜38的刚度。可以使已知的进入诊断电线124Α的热输入或者电输入与介电常数的变化相关联，这可以接着被用来确定已知的虚压力信号，以诊断压力传感器120的操作。介电常数ε 和温度之间的关系通常是已知的或者可以为此目的而确定。例如，已知的是，主要由于液体的膨胀，即密度的减小，硅油的介电常数随着温度的增加线性地减小，导致每单位体积的流体的极化更小。可以使用放置在单元半部54Α上的温度传感器监控进入电极52Α的热输入。 真实压力信号的幅值是传感器隔膜38的位置的函数，而虚压力信号的幅值是电介质ε的函数。采用微控制器或者专用集成电路，可以将真实压力信号和虚力信号彼此分开。在另一实施方式中，通过加热压力传感器的一侧并测量相对侧上的压力变化而将虚压力信号与真实压力信号分开。可以以与关于传感器M描述的方式类似的方式对包括诊断电线124Α 的加热元件的操作进行供电和控制。虽然相对于基于电容的压力传感器和平面安装式压差传感器描述了加热元件的使用和诊断过程，但本发明的热基诊断还可用在其它过程控制传感器和仪器中。例如，其它油基压力传感器和管道中过程变送器也可以包括本发明的热基诊断，如参照图13-14所描述的那样。另外，远程密封系统也可以包括本发明的热基诊断，如参照图15-16所描述的那样。图13显示具有应变仪压力传感器130和本发明的热基诊断的管道中压力变送器的传感器模块128的示意图。传感器模块1 包括传感器管座131，外壳132，过程连接件 134，隔离隔膜136，隔离管138，填充管140以及气压管142。传感器模块1 还包括加热元件144A，144B和144C以及相应的导线146A，146B和146C，用于实现与参照图1_10所描述的类似的热基诊断。外壳132提供用于将应变仪压力传感器130与过程流体和变送器电子设备连接一起的装置的手段。例如，过程连接件134包括连接器，该连接器具有用于连接至诸如图1的连接件39A质量的过程管道的内螺纹。类似地，外壳132包括用于与电子设备外壳(如图1中的外壳30)连接在一起的外螺纹。在电子设备外壳内，传感器130用导线 147连接至电路板，诸如电路板36(图1)。这样，传感器模块1 与控制回路和电子设备连通，这样，可以在控制室内或者本地显示器处通过电子手段执行和监控压力感测过程。过程连接件134被构造成将隔离隔膜136放置成与过程流体直接接触，这样用传感器130可以获得过程流体的绝对压力或者表压力。隔离管138包括中空管，该中空管将来自隔离隔膜136的压力经填充流体传送至传感器130，这样可以测量过程流体的绝对压力。然而，传感器模块1 包括气压管142，该气压管142用于将传感器130暴露于大气压 P4下，以便精确地测量过程流体的表压力。隔离管138的每个端部分别用传感器管座131 和隔膜136密封，这样，填充流体被收集在隔离隔膜136和传感器130内的柔性元件之间。 填充管140包括从传感器管座131延伸的中空管，这样，填充流体可以被引入隔离管138。 填充管被填满并被压接，如对传感器24 (图幻的填充管50A进行的那样，以将隔离隔膜136 与传感器130流体联接在一起。隔离隔膜136包括柔性构件，该柔性构件被构造成将压力从过程流体经隔离管138经填充流体传送至传感器130。来自过程流体的压力使隔离隔膜 136偏转，这又使隔离管138内的填充流体移位。填充流体接着使传感器130内的柔性元件移位。传感器130内的柔性元件的移位还可以通过用加热元件144A、144B和144C中的一个或多个加热填充流体而移动。加热元件144A-144C包括电阻加热装置，诸如参照图3和4描述的电阻器或线圈， 并选择性地定位在传感器130附近以加热填充流体。加热元件144C定位在填充管140上并被构造成经填充管140加热进入传感器130的填充流体，类似于加热元件32A和32B如何加热传感器M的填充管50A和50B(图2)。加热元件144B位于隔离管138上并被构造成经隔离管138加热进入传感器130的填充流体，类似于加热元件32C和32D如何加热传感器M的隔离管46A和46B(图2、。加热元件144A定位在传感器管座131上并被构造成通过传感器头部131加热传感器130内的填充流体。在另一实施方式中，加热元件144A被构造成加热传感器管座131并使传感器管座131变形，类似于加热元件32E和32F如何使传感器M的传感器单元54A和54B变形(图幻。在又一个实施方式中，加热元件144A被构造成直接加热传感器130内的填充流体，类似于诊断电线124A和124B如何加热传感器 120内的填充流体(图11和12)。导线146A-146B被构造成连接电路板，如电路板36 (图 2)，这样可以执行本发明的热基诊断。图14显示图13的管座131内的柔性应变仪148的示意图，说明加热元件对传感器130的操作的影响。应变仪148包括导线147、支撑层149、柔性构件150、应变仪元件152、 涂层154、孔156和压力室158。支撑层149包括硬的基部构件，柔性构件150安置在该基部构件上。柔性构件150包括在来自填充流体的压力P3下弯曲的基板。柔性构件150包括沿着面向支撑层149的表面的压力室158，这样，柔性构件150被允许在两个方向上弯曲。 孔156被设置在支撑层149中以允许大气压P4到达压力室158内的柔性构件150。因此， 当压力P3相对于大气压P4改变时，柔性构件150弯曲。应变仪元件152沿着柔性构件150的通向隔离管138内的填充流体的表面沉积 (图13)。应变仪元件152包括工业中已知的任何常规应变仪感测元件。例如，在各个实施方式中，应变仪元件152可以包括，惠斯通电桥(Wheatstone bridge)，压电元件、薄膜电路、或者半导体型应变仪。应变仪元件152固定到柔性构件150表面，这样，当柔性构件150 在填充流体的压力下弯曲时，应变仪元件152粘贴到柔性构件150的表面，这样，当柔性构件150在填充流体的压力下弯曲时，应变仪元件152被拉长或者压缩。例如，当压力P3增加时，柔性构件150相对于压力凹部158变得更凸出，而应变仪元件152变得内凹。这样， 应变仪元件150被压缩而应变仪元件的表面变得更小。随着应变仪元件的表面面积减小， 应变仪元件的阻抗也减小。应变仪元件152连接至导线147，导线147连接至电路板36和变送器电子设备22 (图1)，这样，应变仪元件152的阻抗可以与柔性构件150上的压力相关联，正如常规所知的那样。本发明的加热装置144A-144C用来热膨胀填充流体以增加施加在柔性构件150上的压力P3。例如，加热装置144A(图1 可以靠近柔性构件150定位在管座131上，以加热应变仪元件152附近的部分填充流体。然而，在其它实施方式中，加热元件可以直接结合到柔性构件150中，这样，更加直接地加热填充流体。在任何实施方式中，加热元件用于热膨胀填充流体的体积，以影响应变仪元件152中引起的应变。变送器电子设备22(图1)检测作为传感器130上的电阻变化的应变变化。电阻变化最终与加热元件的诱导热量相关联， 这样，可以执行本发明的热基诊断，如参照图1-10所描述的那样。图15显示具有用于供本发明的热基诊断系统使用的加热装置162A和162B的远程密封系统160。远程密封系统160经过毛细管164A和164B连接至变送器12的法兰40， 毛细管164A和164B利用远程密封组件168A和168B连接至过程流体容器166。远程密封组件168A和168B包括隔离隔膜170A和170B，隔离隔膜170A和170B接触容器166内的过程流体172。毛细管164A和164B通过联接器44A和44B与法兰连接在一起。毛细管164A 和164B包括钢管，其典型地由柔性外皮围绕，以在法兰40与远程密封组件168A和168B之间提供既坚固又密封的连接。毛细管164A和164B以及沟槽42A和42B填充有远程密封系统液压流体，类似于隔离管46A和46B内的传感器填充流体。过程流体172的压力Pl和P2 因此分别从隔离隔膜170A和170B经液压流体传递到变送器12处的隔离隔膜48A和48B， 这样，隔离管46A和46B内的填充流体控制传感器M中的传感器隔膜38的位置。加热装置162A和162B用于通过使毛细管164A和164B内的液压流体膨胀以引起传感器M内的填充流体的物理移动而影响传感器隔膜38的受控运动，这可用来检验传感器M和远程密封系统160两者的操作。在所示的实施方式中，加热装置162A和162B分别被包括在毛细管164A和164B上，靠近远程密封组件168A和168B。然而，在其它实施方式中，加热装置 162A和162B更加靠近法兰40定位。在一个实施方式中，加热装置162A和162B通过导线173A和17 独立地连接至变送器12，导线173A和17 用于提供用于产生用于执行本发明的热基诊断所需的电阻加热所需的功率。在还一个实施方式中，加热元件整合到毛细管束中以沿着毛细管的长度提供加热，正如图16所示的那样。图16显示具有毛细管176、加热器电缆178和绝缘外壳180的毛细管系统174。毛细管系统174包括成束的毛细管加热系统，其用于在图15的远程密封系统160上执行热基诊断。与图15的毛细管164A类似的毛细管176包括柔性钢制毛细管外壳181，其包围柔性钢制毛细管道182。毛细管道182分别采用联接器44A或44B在远程密封组件168A或 168B与过程法兰40之间提供密封连接。毛细管外壳181保护内毛细管到182并保持柔韧度。加热器电缆178包括电阻加热线，其被包围在电绝缘外壳内。加热器电缆178沿着远程密封系统160在绝缘外壳180内的长度且靠着毛细管外壳181延伸。加热器电路178经用于提供将必要的功率提供至加热器电缆178的导线独立地连接至变送器电路22。加热器电缆178为毛细管外壳176提供几乎均勻的加热，使得包含在毛细管182内的填充流体的整个体积膨胀以使远程密封组件和过程变送器两者处的隔离隔膜偏转。例如，当加热器电缆179经热膨胀增加毛细管182内的压力时，毛细管系统174可以连接至远程密封组件 168A和凸缘40以偏转隔离隔膜170A和隔离隔膜48A。可以根据本发明执行热基诊断，以基于对传感器隔膜的位置变化的相应响应检验隔离隔膜48A和170A的操作。绝缘外壳180 包括绝缘层184和保护护套186。绝缘层184包括防止热量从毛细管系统174逃脱的热绝缘材料，这样，热量集中在毛细管176周围。保护护套186包括诸如聚合体涂层的套管，其保持毛细176、加热器电缆178和绝缘层184的组合并防止损坏毛细管系统174。在本发明的一个实施方式中，毛细管系统174包括商业可获得的毛细管加热系统，其典型地用于防止远程密封系统中的冰冻或者其它不需要的温度变化。例如，在本发明的一个实施方式中， 毛细管系统174包括商业可获得的管捆，诸如可从密苏里州的Louis市的O'Brien公司可获得的、用来产生用于执行本发明的热基诊断的压力脉冲的TRACEPAK 系统。虽然已经参考优选实施方式对本发明进行了描述，本领域技术人员将会认识到， 在不偏离本发明的精神和范围的条件下可以载形式或者细节上进行变化。
权利要求
1.一种用于测量过程变量的过程变送器，该过程变送器包括传感器模块，所述传感器模块包括用于测量工业过程的过程变量并生成传感器信号的传感器；连接至传感器模块的加热装置，用于生成热脉冲以影响传感器信号的生成；和变送器电路，所述变送器电路连接至传感器和加热装置；其中变送器电路通过测量由热脉冲引起的传感器信号的变化来检验传感器的操作。
2.如权利要求1所述的过程变送器，其中传感器模块包括 外壳，所述外壳包含所述传感器；柔性传感器元件，所述柔性传感器元件设置在所述传感器内，所述柔性传感器元件的位置与传感器信号的幅值对应；隔离隔膜，所述隔离隔膜位于所述外壳的外部； 隔离管，所述隔离管将柔性传感器元件和隔离隔膜连接在一起；和填充流体，所述填充流体位于隔离管内以基于过程变量的幅值影响柔性传感器元件的位置。
3.如权利要求2所述的过程变送器，其中来自加热装置的热脉冲使填充流体的温度升尚ο
4.如权利要求3所述的过程变送器，其中所述传感器包括具有第一电容器极板的单元体；并且柔性传感器元件包括柔性隔膜，所述柔性隔膜邻近电容器极板连接至单元体以起到可变电容器极板的作用。
5.如权利要求4所述的过程变送器，其中来自加热装置的热脉冲改变电容器极板和柔性隔膜之间的电容。
6.如权利要求5所述的过程变送器，其中加热装置包括设置在传感器的单元体外部的电阻加热元件。
7.如权利要求6所述的过程变送器，其中来自电阻加热装置的热脉冲改变填充流体的体积，以引起柔性隔膜的位置变化，从而改变电容器极板和柔性隔膜之间的电容。
8.如权利要求7所述的过程变送器，其中加热装置包括 隔离套管，所述隔离套管围绕着隔离管的一部分定位； 线圈绕组，所述线圈绕组缠绕在隔离套管的周围；和绝缘套管，所述绝缘套管缠绕线圈绕组的周围。
9.如权利要求7所述的过程变送器，其中加热装置包括绕隔离管的周围放置的多个电阻器。
10.如权利要求7所述的过程变送器，其中加热装置包括设置在隔离管内以与填充流体接触的加热元件。
11.如权利要求5所述的过程变送器，其中加热装置包括设置在传感器的单元体内部的电阻加热元件。
12.如权利要求11所述的过程变送器，其中来自电阻加热装置的热脉冲改变填充流体的介电值以改变电容器极板和柔性隔膜之间的电容。
13.如权利要求12所述的过程变送器，其中加热装置包括第一导线，所述第一导线连接至第一电容器极板和变送器电子设备；和第二导线，所述第二导线连接至第一电容器极板和变送器电子设备； 其中变送器电子设备被构造成在第一导线和第二导线之间施加电压以引起电容器极板的电阻加热。
14.如权利要求3所述的过程变送器，其中柔性传感器元件包括应变仪。
15.如权利要求14所述的过程变送器，其中来自加热装置的热脉冲改变应变仪内的应变。
16.如权利要求15所述的过程变送器，其中热脉冲改变填充流体的体积以引起应变仪的位置变化。
17.如权利要求2所述的过程变送器，其中来自加热装置的热脉冲引起柔性传感器元件的位置变化。
18.如权利要求17所述的过程变送器，其中来自电阻加热装置的热脉冲改变填充流体的体积以弓I起柔性隔膜的位置变化。
19.如权利要求18所述的过程变送器，其中 传感器包括具有第一电容器极板的单元体；并且柔性传感器元件包括柔性隔膜，所述柔性隔膜邻近电容器极板连接至单元体以起到可变电容器极板的作用。
20.如权利要求19所述的过程变送器，其中柔性传感器元件的位置变化引起第一电容器极板和柔性隔膜之间的电容变化。
21.如权利要求17所述的过程变送器，其中来自电阻加热装置的热脉冲引起单元体热膨胀，以产生柔性传感器元件的偏转。
22.如权利要求21所述的过程变送器，其中柔性传感器元件包括应变仪。
23.如权利要求2所述的过程变送器，其中加热装置包括选自由电阻器和线圈绕组构成的组中的电阻加热元件。
24.如权利要求2所述的过程变送器，还包括用于为加热装置供给电能的电池。
25.如权利要求2所述的过程变送器，其中柔性传感器元件选自由柔性电容器极板和应变仪构成的组。
26.如权利要求2所述的过程变送器，其中变送器电路基于热脉冲生成期望的压力信号，并且使所述期望的压力信号与已生成的传感器信号相关联以检验传感器的校准。
27.如权利要求沈所述的过程变送器，还包括用于为加热装置供给电能的功率生成电路，该功率生成电路包括 电容，所述电容用于存储即将被供给至加热装置的功率；和多个开关，所述多个开关用于调节流至电容和加热装置的电流。
28.如权利要求27所述的过程变送器，其中电容包括超级电容。
29.如权利要求27所述的过程变送器，其中变送器电路被构造成 提供来自变送器电路的连续电流以对电容进行充电；和将存储在电容中的电荷引至加热装置以生成热脉冲。
30.如权利要求27所述的过程变送器，其中变送器电路被构造成 提供来自变送器电路的限时流电流以对电容进行充电；和将存储在电容中的电荷引至加热装置以生成热脉冲。
31.如权利要求沈所述的过程变送器，其中变送器电路运行以在与过程控制回路联线时作为背景操作检验传感器的操作。
32.如权利要求沈所述的过程变送器，其中变送器电路运行以在与过程控制回路离线时检验传感器的操作。
33.如权利要求沈所述的过程变送器，还包括邻近加热装置定位以监控加热装置的热输出的温度传感器。
34.如权利要求沈所述的过程变送器，其中过程变送器包括多个加热装置。
35.如权利要求34所述的过程变送器，其中变送器电路交替地为所述多个加热装置供电能以消除由热脉冲生成的误差。
36.如权利要求沈所述的过程变送器，其中变送器电路在检测到缺少或可忽略的响应于热脉冲所生成的传感器信号之后诊断出隔离管中填充流体不足、填充流体中存在空气、 渗氢的隔离隔膜、或者破裂的隔离隔膜。
37.如权利要求沈所述的过程变送器，其中变送器电路在检测到响应于热脉冲产生的大于所述期望的压力信号的传感器信号之后诊断出堵塞的过程连接件。
38.如权利要求沈所述的过程变送器，其中变送器电路在检测到响应于热脉冲产生的小于期望的压力信号的传感器信号之后诊断出腐蚀的柔性传感器元件。
39.如权利要求2所述的过程变送器，进一步包括 远程密封系统，所述远程密封系统包括从隔离隔膜延伸的具有第一端的毛细管； 设置在毛细管的第二端的远程密封外壳； 位于毛细管内的远程填充流体；和远程隔离隔膜，所述远程隔离隔膜位于远程密封外壳内，这样远程填充流体被密封在隔离隔膜和远程隔离隔膜之间；其中，加热装置通过毛细管连接至传感器模块并位于远程密封系统上以引起远程填充流体热膨胀。
40.如权利要求39所述的过程变送器，其中远程加热装置包括大致延伸毛细管的整个长度的电阻加热电缆。
41.如权利要求40所述的过程变送器，还包括 围绕毛细管的柔性毛细管外壳；围绕加热电缆的电绝缘层；连接毛细管外壳和电绝缘层的热绝缘层；和围绕热绝缘层的保护护套。
42.一种用于诊断工业过程变送器中的压力传感器的性能的方法，该方法包括下述步骤将流体压力施加到压力传感器以产生表示所感测的压力的压力信号； 施加能够引起所感测的压力变化的热脉冲；和基于热脉冲如何影响压力信号而产生诊断测试结果。
43.如权利要求42所述的方法，其中诊断测试结果包括压力信号变化的幅值。
44.如权利要求42所述的方法，其中诊断测试结果通过将压力信号变化的幅值与热脉冲的幅值进行比较而产生。
45.如权利要求42所述的方法，其中诊断测试结果通过将压力信号变化的幅值与用于产生热脉冲的能量的幅值进行比较而产生。
46.如权利要求42所述的方法，其中诊断测试结果通过将压力信号的期望变化与压力信号的实际响应进行比较而产生。
47.如权利要求46所述的方法，其中压力信号的期望变化基于热脉冲的幅值；并且压力信号的实际响应基于压力信号对热脉冲的反应。
48.如权利要求47所述的方法，其中热脉冲的幅值通过位于热脉冲的起源点附近的温度传感器确定。
49.如权利要求46所述的方法，其中 压力传感器包括单元体，所述单元体具有电容器极板；柔性传感器元件，所述柔性传感器元件邻近电容器极板连接至单元体以起到可变电容器极板的作用；和填充流体，所述填充流体设置在电容器极板和柔性传感器元件之间；并且施加热脉冲的步骤进一步包括引起填充流体的介电性变化的步骤。
50.如权利要求46所述的方法，其中 压力传感器包括单元体，所述单元体具有电容器极板；柔性传感器元件，所述柔性传感器元件邻近电容器极板连接至单元体以起到可变电容器极板的作用；和填充流体，所述填充流体设置在电容器极板和柔性传感器元件之间；并且施加热脉冲的步骤进一步包括通过引起单元体的热膨胀而使感测隔膜偏转的步骤。
51.如权利要求46所述的方法，其中 压力传感器包括单元体，所述单元体具有电容器极板；柔性传感器元件，所述柔性传感器元件邻近电容器极板连接至单元体以起到可变电容器极板的作用；和填充流体，所述填充流体设置在电容器极板和柔性传感器元件之间；并且施加热脉冲的步骤进一步包括通过引起填充流体的热膨胀而使感测隔膜偏转的步骤。
52.如权利要求51所述的方法，其中施加热脉冲的步骤还包括施加使感测隔膜交替地且相对地偏转的多个交替热脉冲。
53.如权利要求51所述的方法，其中当热脉冲不产生压力信号变化或者产生可忽略的压力信号变化时，诊断测试结果指示填充流体中的空气或者气体的存在、破裂的隔离隔膜、 浅填充流体、或者敞开的过程连接件。
54.如权利要求51所述的方法，其中当压力信号的实际响应大于压力信号的期望变化时，诊断测试结果指示堵塞过程连接件。
55.如权利要求51所述的方法，其中当压力信号的实际响应小于压力信号的期望变化时，诊断测试结果指示腐蚀的传感器隔膜。
56.如权利要求42所述的方法，其中施加热脉冲的步骤包括将来自电池的电能引至加热装置的步骤。
57.如权利要求42所述的方法，其中施加热脉冲的步骤包括将来自电容的电流引向加热装置的步骤。
58.如权利要求57所述的方法，其中电容包括超级电容。
59.如权利要求57所述的方法，其中通过用来自变送器内的电路的恒定电流对电容进行充电而将电能存储在电容中。
60.如权利要求57所述的方法，其中通过用来自变送器内的电路的时间相关的电流对电容进行充电而将电能存储在电容中。
61.如权利要求42所述的方法，还包括在连接至变送器内的电路的控制回路上传送压力信号和诊断测试结果的步骤。
62.如权利要求61所述的方法，其中，施加热脉冲的步骤和控制回路上的传送步骤同时操作。
63.如权利要求61所述的方法，其中，施加热脉冲的步骤和控制回路上的传送步骤交替地操作。
64.一种用于感应过程流体的压力的工业过程变送器，所述变送器包括变送器壳体；压力传感器，所述压力传感器设置在所述壳体内，用于感测过程流体压力，所述压力传感器具有用于生成电容性压力信号的感测隔膜；隔离隔膜，所述隔离隔膜位于变送器壳体上以与过程流体相互作用；隔离管，所述隔离管将隔离隔膜与压力隔膜连接在一起；填充流体，所述填充流体设置在隔离管内，以将来自隔膜隔膜的压力传输至感测隔膜， 以在过程流体压力改变时改变压力信号；加热装置，所述加热装置被定位以加热隔离管中的填充流体，从而影响所述电容性压力信号；温度传感器，所述温度传感器设置在加热装置附近以监控加热装置的热输出；和变送器电子设备，所述变送器电子设备设置在所述壳体内并与压力传感器、加热装置和温度传感器连接，其中变送器电子设备执行压力传感器的诊断，所述诊断包括基于来自压力传感器的所述电容性压力信号和来自加热装置的热输出检验感测隔膜的操作和压力传感器的校准。
全文摘要
一种用于测量工业过程中的过程变量的过程变送器，包括传感器模块，加热装置和变送器电路。传感器模块具有用于测量工业过程的过程变量并生成传感器信号的传感器。加热装置连接至传感器模块，用于生成热脉冲以影响传感器信号的生成。变送器电路连接至传感器和加热装置。变送器电路通过测量由热脉冲引起的传感器信号的变化而检验传感器的操作。在本发明的一个实施方式中，热脉冲使过程变送器内的填充流体的体积热膨胀。在另一个实施方式中，热脉冲改变过程变送器内的填充流体的物理特性，诸如介电特性。
文档编号G05B19/418GK102232203SQ200980148314
公开日2011年11月2日 申请日期2009年9月29日 优先权日2008年10月6日
发明者大卫·A·布罗登, 安德鲁·居里·克罗辛斯基, 查尔斯·R·威勒克斯, 约翰·P·舒尔特, 罗伯特·C·海德克 申请人:罗斯蒙德公司