具有矿物质绝缘电缆的压力传感器的制造方法

具有矿物质绝缘电缆的压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种压力测量系统，所述压力测量系统包括压力传感探头，所述压力传感探头能够延伸到过程流体中，并具有电特性随着过程流体压力变化的压力传感器。矿物质绝缘电缆具有金属护套，所述金属护套具有近端和连接至压力传感探头的远端。矿物质绝缘电缆包括多个导体，所述多个导体在金属护套内延伸并由干燥的电绝缘的矿物质彼此隔开。金属护套的近端被构造成用于密封地连接到过程流体容器。
【专利说明】具有矿物质绝缘电缆的压力传感器

【背景技术】
[0001] 工业过程控制系统用于监测和控制用于生产或输送流体等的工业过程。在这种系 统中，通常重要的是测量诸如温度、压力、流量及其它的"过程变量"。过程控制变送器测量 这种过程变量并将与测量的过程变量有关的信息发送回到诸如中央控制室的中央位置。
[0002] -种类型的过程变量变送器是测量过程流体压力并提供与测量的压力有关的输 出的压力变送器。这种输出可以是压力、流量、过程流体的液位、或可以由测量的压力得出 的其它过程变量。压力变送器被构造成将与测量压力有关的信息发送回到中央控制室。通 常通过二线式过程控制回路提供所述发送，然而，有时使用其它通信技术。
[0003] 通常，压力由压力传感器检测，所述压力传感器耦合到过程变量变送器，并通过某 种类型的过程联接器连接到过程流体。在许多情况下，压力传感器通过隔离流体或通过与 过程流体的直接接触以流体连通的方式连接到过程流体。过程流体的压力使压力传感器产 生物理变形，这种物理变形在压力传感器中产生诸如电容或电阻之类的相关电学变化。
[0004] 在许多工业压力测量的应用中，压力屏障是必须的。压力屏障是容纳过程流体压 力以确保工厂人员安全的机械结构。因此，压力屏障是过程流体压力测量系统的关键要求。 为了提供一种安全且稳固的系统，一些应用要求冗余的压力屏障，以确保万一主压力屏障 失效时工厂人员的安全。因此，如果主屏障（如隔离膜片）失效，过程流体仍然可被辅助屏 障（如玻璃或金属管座）容纳。


【发明内容】

[0005] 本发明公开了一种压力测量系统。所述压力测量系统包括压力传感探头，所述压 力传感探头能够延伸到过程流体中并具有电特性随着过程流体压力变化的压力传感器。矿 物质绝缘电缆具有金属护套，所述金属护套具有近端和连接到压力传感探头的远端。矿物 质绝缘电缆包括多个导体，所述多个导体在金属护套内延伸，并由电绝缘的干燥矿物质彼 此隔开。金属护套的近端被构造成用于密封地连接到过程流体容器。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1是根据本发明的实施例的使用矿物质绝缘电缆的压力传感探头的图解视图。
[0007] 图2是根据本发明的实施例的使用矿物质绝缘电缆的压力传感探头的图解视图。
[0008] 图3是根据本发明的实施例的压力传感探头的压力传感器组件的截面图解视图。
[0009] 图4是根据本发明的实施例的制作压力传感器组件的方法的流程图。
[0010] 图5是根据本发明的另一个实施例的压力传感探头的压力传感器组件的截面图 解视图。
[0011] 图6是根据本发明的实施例的制作图5中的压力传感器组件的方法的流程图。

【具体实施方式】
[0012] 压力屏障可以具有各种形式。例如，过程隔离膜片通常作为主压力屏障很好地工 作。此外，远程密封毛细管系统可以是有效的辅助屏障。玻璃或陶瓷集水管允许有效的电 连接同时还提供有用的压力屏障。最后，压力传感器本身可以被设计成容纳压力并因此用 作压力屏障。如上所述，压力屏障在过程流体压力测量中极其重要，这是因为所述压力屏障 确保过程流体的整体性。然而，压力屏障产生许多问题。这种问题包括成本、复杂性、尺寸、 可靠性、和顺从性。
[0013] 根据本发明的实施例，矿物质绝缘（MI)电缆在压力测量系统中用作辅助密封件。 这极大地提高了矿物质绝缘电缆技术，以提供可配置性高、成本低的辅助密封件。例如，生 产矿物质绝缘电缆的技术成熟，并以低成本提供非常耐用的结构。为了生产矿物质绝缘电 缆，在金属管内悬挂一根或多根电线。电线由干燥的陶瓷粉末，如氧化镁围绕。然后，在滚 筒之间挤压整个组件以减小它的直径（并增加它的长度）。在矿物质绝缘电缆通常会发现 高达7种导体，从一些制造商可以获得高达19种导体。矿物质绝缘电缆非常耐用，并且可 以在非常高的温度下工作。测试已经表明，矿物质绝缘电缆可以在40bar左右的压力下工 作，并且产品文献表明，矿物质绝缘电缆能够承受高达至少IOOOOpsi的压力。
[0014]图1是根据本发明的一种实施例的采用矿物质绝缘电缆的压力检测探头的示意 图。过程压力测量系统10包括与金属法兰14连接的电子元件隔间12。法兰14包括多个 螺钉孔15 (如图2所示），所述多个螺钉孔15便于将系统10安装至过程流体管道或容器。 压力传感器组件16通过矿物质绝缘电缆18电耦合至电子元件隔间12,矿物质绝缘电缆18 还物理地支撑压力传感器组件16。电子元件隔间12包含用于测量安装在组件16内的一个 或多个传感器的电气特性的电路。电子元件隔间12优选还包括用于通过合适的过程工业 通信协议将与测量的电气特性相关的信息传输至其它装置的电路，合适的过程工业通信协 议例如是4_20mA、高速可寻址远程换能器（HART?)协议、Foundation?Fieldbus、无线过程 通信协议，例如IEC62591、或其他合适的协议。
[0015]图2是根据本发明的一种实施例的采用矿物质绝缘电缆的压力检测探头的示意 图。图2图示了去除电子元件隔间12后的系统10。多根电线连接到在矿物质绝缘电缆18 中从近端22延伸到远端24的多种金属棒或导体上。这些电线便于将金属棒连接到电子元 件隔间12中的电路。金属棒通过诸如干燥的氧化镁（MgO)粉末之类的矿物质彼此绝缘并 与围绕所述金属棒的金属护套绝缘。矿物质绝缘电缆的生产技术容易允许矿物质绝缘电缆 长度的变化。另外，较长的长度在探头生产过程中能够容易砍掉，以便于提供不同的探头长 度。据信矿物质绝缘电缆可能长达1米并依然能够提供满意的操作。矿物质绝缘电缆18 的金属护套30(图3中示出）在附图标记20的位置处焊接到法兰14。标记20能够表示 把矿物质绝缘电缆18密封到诸如罐或管道的过程流体容器上的任何类型的密封件。因此， 电缆18的近端提供了一种密封端，该密封端能够被密封到法兰14上或被直接密封到过程 流体容器上。实际上，护套30可能制作的十分厚（与已知的矿物质绝缘电缆相比）以便于 将护套30焊接到法兰14上和排斥高的过程压力。如图2所示，矿物质绝缘电缆18的远端 24连接到传感器组件16的套管26上。套管26容纳矿物质绝缘电缆18和组件16的一个 或更多传感器之间的互连装置。金属屏蔽网28优选地焊接到套管26上以允许过程流体接 触组件16的传感器，然而另外也为了保护传感器免受损害。
[0016]本发明的实施例在与由诸如蓝宝石的单晶材料形成的基于电容的压力传感器结 合使用时是特别有优势的。当用于这样的压力传感器时，使用矿物质绝缘电缆作为辅助密 封件具有特别的优势。这些压力传感器已经众所周知。例如，美国专利No. 6, 520, 020公开 了这样一种传感器。然而，这种压力传感器具有许多要求独特的安装和封装方式以充分利 用的特征。最值得注意的是，压力传感器，凭借它的材料和设计，适合直接接触过程流体，而 不需要使用金属或陶瓷隔离膜片的充油的隔离系统。在至少一些实施例中，油的缺乏允许 这种实施例能够承受极高的过程温度。进一步地，传感器被设计成可以铜焊到压力界墙上。 然后，黄铜接头把过程压力侧和周围的环境侧分隔开。于是，就不要求玻璃或金属密封件。 仍然进一步地，压力传感器的至少一些设计包含一体的温度传感器，从而允许传感器组件 同时检测温度和压力。
[0017] 图3是根据本发明的实施例的压力传感探头的压力传感器组件的截面图解视图。 金属护套30在附图标记32的位置处被焊接到套管26上。金属护套30可以由任何合适的 材料形成，这些合适的材料例如是不锈钢，包括诸如丨nconel?(铬镍铁合金）之类的镍基 合金的其他合适的合金。虽然本发明的一些实施例使用内径不变的金属护套，但护套30的 内径可以随着从远端24移动到近端22而减小。因此，过程压力将进一步压紧氧化镁填料 52,潜在地提高密封的压力等级。
[0018] 矿物质绝缘电缆18包含从近端22延伸到超过护套30的末端38的多根金属棒 (导体）34、36。每个单独的棒34、36分别被电耦合至，优选地被焊接到导电互连件42、44 上，导电互连件42、44进一步连接至压力传感器50上相应的连接焊盘或迹线46,48。每根 棒34, 36通过绝缘矿物质52与每根其他的棒34, 36和金属护套30隔开和绝缘。压力传感 器50可以是已知的由诸如蓝宝石之类的单晶材料形成的电容基压力传感器，或任何其他 的合适的压力传感器。在操作中，过程流体压力沿着箭头52所示的方向起作用以压缩传感 器50。这种对传感器50的压缩会导致变形，该变形造成形成传感器50的层之间的间距改 变。导电板被放置到压力传感器50的内表面上，使得该变形导致导电板间的电容的改变。 这种电容的改变由设置在电子元件隔间12中并经由矿物质绝缘电缆18连接到压力传感器 50的合适的电路检测。压力传感器组件16可以插入到诸如管道或槽壁的过程流体容器中 并通过法兰14安装到过程流体容器上。然而，可以采用其它安装技术，包括直接把电缆18 安装到过程流体容器中的开口。进一步地，也可以实践本发明的将压力传感器组件16插入 到用于压差流应用中的脉冲管中的实施例。进一步地，本发明的至少一些实施例的高温承 受能力可以允许传感器组件使用最少的脉冲管用在蒸汽检测环境中。此外，在一些实施例 中，压力传感器50可以包括温度传感器，如电阻温度检测器，该温度传感器提供随过程流 体温度变化的诸如电阻之类的电学指示。
[0019] 如图3所示，压力传感器50在附图标记56的位置处连接到传感器安装构件或盘 54。这种连接更优为把压力传感器50安装并密封到盘54上的铜焊接头。盘54又在附图 标记58的位置处焊接到套管26上。图3中描述的结构提供了多个有用的特征。例如，在 压力传感器50坏掉或以其他方式断裂的情况中，通过传感器安装盘54上的孔的过程流体 将不会通过矿物质绝缘电缆18,从而确保维持过程压力。如图3所示的结构的一个附加特 征是矿物质绝缘电缆或传感器组件具有允许使用更轻的过程密封件（法兰密封件）的相对 小的直径。另外，考虑到材料减少，甚至可以以相对少的投资成本提供需要特殊材料的应用 (如海底应用）。仍然进一步地，较小的结构也便于在较小的区域内使用。
[0020] 图4是根据本发明的实施例制作压力传感探头的一种方法的流程图。方法100开 始于提供矿物质绝缘电缆的方框102。矿物质绝缘电缆的金属护套的一部分被削减，从而暴 露了其中的矿物质和导体。接下来，在方框104处，传感器组件电连接到相应的矿物质绝缘 导体上。这种操作可以包括把柔软的金属互连件焊接到每个矿物质绝缘导体上，然后把每 个柔软的金属互连件焊接到传感器上相应的焊盘或迹线上。在方框106处，诸如套管26之 类的套管滑动到合适的位置中，并焊接到金属护套上。在方框108处，优选由干燥的矿物质 (氧化镁）填充套管。接下来，在方框110处，诸如盘54之类的传感器安装盘滑到组件上。 更优的是，传感器安装盘具有针对压力传感器的狭槽。探测器安装盘优选被激光焊接到套 管上。在方框112处，传感器被铜焊到端盖上。最后，在方框114处，屏蔽网或其他合适的 保护构件焊接到传感器安装盘以完成压力传感器组件。矿物质绝缘电缆的近端简单地通过 诸如法兰14之类的法兰上的孔，并焊接到该法兰上的孔。
[0021] 迄今为止，所描述的本发明的实施例提供了一种直接接触过程流体的传感器。然 而，采用提供隔离流体填充式隔离系统的实施例仍然可以具有一些优势。例如，隔离流体填 充系统提供另一种过程屏障。进一步地，隔离流体填充系统将会减小或削弱温度传感器对 于热力瞬变的反应。
[0022] 图5是根据本发明的另一个实施例的压力传感探头的压力传感器组件的截面图 解视图。图5所示的实施例与图3所示的实施例有些相似，并且相似的元件编号相似。压 力传感器50被由隔离流体容纳系统204包含的隔离流体206围绕。隔离流体容纳系统204 优选地包括圆筒形波纹管，所述圆筒形波纹管对过程流体压力做出反应，因此会把过程流 体压力传递给传感器50而不需要让过程流体实际接触传感器50。隔离流体填充结构204 更优由适合暴露于过程流体中的金属形成，这种金属例如是镍基合金，如Incone：l?i(铬镍 铁合金），并且隔离流体填充结构204通过使用诸如电阻点焊（RSW)的任何合适的技术焊接 到盘54上。结构204提供了第一个失效屏障。把压力传感器50连接到板54的铜焊接头提 供了第二个屏障，并且矿物质绝缘电缆18还提供了防止过程流体进入电子元件壳体12的 第三个屏障。取决于最终的要求，结构204可以有任意合适数量的波纹，范围是从没有波纹 (一个简单的薄箔圆筒）到一个充分展开的、由合适的材料（如镍基合金，例如丨nconel? ) 形成并具有顺从性的金属波纹管。这种波纹管可以在市场上买到并且能够通过包括电阻点 焊的任何合适的技术连接到板54上。在一个实施例中，通过装料口 208填充图5所示的隔 离流体填充结构，然后密封装料口 208。在一个实施例中，隔离流体包括油。
[0023] 图5和图3的另一个不同是屏蔽网28已被一个更耐用的穿孔盖子200替代，所述 盖子具有穿过该盖子的多个穿孔202,所述多个穿孔202允许过程流体进入传感器50。然 而，屏蔽网28和盖子200仅仅是能够用于保护传感器50免受机械损害同时允许过程流体 进入传感器的保护结构的示例。根据本发明的实施例，可以使用其他合适的、能够执行相同 功能的结构。
[0024] 图6是根据本发明的实施例的制作图5中的压力传感探头的方法的流程图。方法 250开始于方框252,其中由单晶材料形成的电容基压力传感器铜焊到诸如板54之类的传 感器安装盘上。接下来，在方框254处，诸如矿物质绝缘电缆18的矿物质绝缘电缆电连接 到传感器上。在一些实施例中，这种电连接包括提供焊接到矿物质绝缘电缆的棒/导体和 传感器50上相应的焊盘或迹线的小的柔性电线。此外，更优的是，一旦完成电连接，提供一 个套管并用干燥的粉末状矿物质填充该套管。在方框256处，套管滑动到合适的位置中并 焊接到矿物质绝缘电缆18的金属护套和传感器安装板上。在方框258处，波纹管组件焊接 到传感器安装板上。然后，由基本上不可压缩的隔离流体，如硅油，填充波纹管组件，并在附 图标记260处密封该波纹管组件。接下来，在方框262处，诸如穿孔盖子202的穿孔盖子焊 接到传感器安装板。与图3所描述的实施例相比，所形成的隔离液体填充结构提供了一种 附加的过程屏障。另外，考虑到隔离流体的热质量，与图3的实施例相比，认为安装在传感 器50内的任何温度传感器会对热力瞬变具有衰减的响应。
[0025]虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不 背离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和详细上进行改变。例如，尽管已经相 对于连接到矿物质绝缘电缆上的单个传感器（具有压力检测结构，以及可选择地具有温度 检测结构）描述了本发明的实施例，但值得注意的是，可以获得具有多于单个压力/温度 传感器所需要的芯体/棒的商用矿物质绝缘电缆。于是，本发明的实施例也包括在矿物质 绝缘电缆的远端处或附近提供多个压力或温度传感器。甚至当提供这种实施例时，认为具 有半英寸或更小直径的单个矿物质绝缘电缆可以提供必需的电连接。这里所展示的法兰仅 仅是用于把矿物质绝缘电缆连接载送过程流体的过程流体容器的示例性技术。示例性过程 流体容器包括罐或管道。在一个示例配置中，矿物质绝缘电缆的近端能够被直接密封到过 程流体器皿的开口。多于一种类型的干燥绝缘矿物质可以被用到该装置的不同位置处。
【权利要求】
1?一种压力测量系统，包括： 压力传感器组件，所述压力传感器组件能够延伸到过程流体内，所述压力传感器组件 具有电特性随着过程流体压力变化的压力传感器； 矿物质绝缘电缆，所述矿物质绝缘电缆包括具有近端和连接至压力传感器组件的远端 的金属护套，所述矿物质绝缘电缆具有通过干燥的电绝缘的矿物质彼此隔开的多个导体， 所述多个导体电耦合至压力传感器并在金属护套内延伸； 其中，金属护套的近端被构造成用于密封地连接到过程流体容器。
2. 根据权利要求1所述的压力测量系统，包括过程法兰，该过程法兰具有穿过该过程 法兰的孔，并且其中金属护套的近端被密封地连接到过程法兰，并且过程法兰被构造成用 于密封地连接到过程流体容器。
3. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中随过程流体压力变化的所述电特性是电 容。
4. 根据权利要求3所述的压力测量系统，其中所述压力传感器由单晶材料形成。
5. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述压力传感器被铜焊至传感器安装构 件中的孔，并且其中铜焊接头形成主过程流体密封件，而矿物质绝缘电缆形成辅助过程流 体密封件。
6. 根据权利要求5所述的压力测量系统，进一步包括焊接到传感器安装构件上和焊接 到矿物质绝缘电缆的金属护套上的套管。
7. 根据权利要求6所述的压力测量系统，其中所述套管保护矿物质绝缘电缆到压力传 感器的电连接。
8. 根据权利要求6所述的压力测量系统，其中所述套管填充有干燥的绝缘矿物质。
9. 根据权利要求4所述的压力测量系统，其中所述单晶材料是蓝宝石。
10. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述压力传感组件包括与矿物质绝缘 电缆电连接的温度敏感元件。
11. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述金属护套由不锈钢形成。
12. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述金属护套具有恒定的内径。
13. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述金属护套具有从远端到近端减小 的内径。
14. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述矿物质是氧化镁。
15. 根据权利要求1所述的压力测量系统，进一步包括连接到压力传感器组件以保护 压力传感器的屏蔽网。
16. 根据权利要求1所述的压力测量系统，进一步包括连接到压力传感器组件的穿孔 端盖。
17. 根据权利要求1所述的压力测量系统，进一步包括包围压力传感器的隔离流体填 充系统，所述隔离流体填充系统把过程压力传递到压力传感器，但将压力传感器与过程流 体隔离。
18. 根据权利要求17所述的压力测量系统，其中所述隔离流体填充系统包括多个波纹 管。
19. 根据权利要求17所述的压力测量系统，其中所述隔离流体填充系统由铬镍铁合金 形成。
20. 根据权利要求1所述的压力测量系统，进一步包括耦合至矿物质绝缘电缆的第二 压力传感器组件。
21. 根据权利要求20所述的压力测量系统，其中所述矿物质绝缘电缆具有约0. 5英寸 或更小的直径。
22. -种形成压力测量系统的方法，所述方法包括下述步骤： 提供一段矿物质绝缘电缆； 剥去矿物质绝缘电缆一部分以访问矿物质绝缘电缆中的多个导体； 提供具有多个导电焊盘的压力传感器； 把矿物质绝缘电缆的相应的导体电耦合至压力传感器的导电焊盘以形成互连区域； 围绕互连区域定位一套管； 将套管连接到矿物质绝缘电缆的金属护套上； 将传感器安装构件定位在套管的末端处，并将传感器安装构件连接到套管上；以及 将压力传感器铜焊到传感器安装构件上。
23. 根据权利要求22所述的方法，包括用干燥的矿物质粉末填充套管的步骤。
24. 根据权利要求22所述的方法，进一步包括将矿物质绝缘电缆穿过过程法兰中的孔 并将矿物质绝缘电缆的护套连接到过程法兰上的步骤。
25. 根据权利要求22所述的方法，进一步包括邻近压力传感器连接屏蔽网的步骤。
26. 根据权利要求22所述的方法，并进一步包括提供围绕压力传感器设置的隔离流体 容纳系统并用隔离流体填充隔离流体容纳系统的步骤。
27. 根据权利要求26所述的方法，并进一步包括将穿孔的端盖连接到隔离流体容纳系 统上的步骤。
28. 根据权利要求22所述的方法，并进一步包括将矿物质绝缘电缆的近端密封地安装 到过程流体容器上的步骤。
【文档编号】H01B7/20GK104515637SQ201410085849
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】马克·斯蒂芬·舒马赫, 大卫·安德鲁·布罗登 申请人:罗斯蒙特公司