新聞資訊

具有遠程壓力傳感器的過程流體壓力變送器

來源：江蘇創輝自動化儀表有限公司時間：2022-07-08

技術領域

本實用新型涉及過程流體壓力變送器，且更具體地，涉及傳感器和傳感器電子元件分離的過程流體壓力變送器。

背景技術

過程監測和控制系統用來監測和控制工業過程的操作。工業過程在生產中用來制造各種產品，如成品油、醫藥、紙張、食品等等。在大規模生產中，這些過程必須被監測和控制，以在所需參數范圍內操作。

“變送器”己成為一個術語，其用來描述連接到過程裝置并且用于檢測過程變量的裝置。過程變量的示例包括壓力、溫度、流量等。通常情祝況下，變送器位于遠程位置（即在“現場”中)，并且將感測到的過程變量傳送回到位于中央的控制室。使用各種技術用于傳輸過程變量，包括有線和無線通信兩者。一種常見的有線通信技術采用所謂的二線式過程控制回路，其中單一的一對電線用來同時傳送信息以及提供電力到變送器。用于傳遞信息的一種已為大家接受的技術是通過將通過過程控制回路的電流水平控制在4mA和20mA之間。4-20mA范圍內的電流值可以被映射到過程變量的相應值。其他通信協議包括：HART®通信協議，其中除4-20mA通信電流模擬信號之外，對數字信號進行調制：FOUNDATIONT"現場總線(Fieldbus)協議，其中所有通信都是數字化地進行的；無線協議，諸如無線HART(IEC62591)等等。

變送器的一種類型是壓力變送器。在一般情況下，壓力變送器是測量過程的流體的壓力的任何類型的變送器。（術語流體包括氣體和液體以及它們的組合。）壓力變送器可以用于直接測量壓力，包括壓差、絕對壓力或表壓。此外，使用已知的技術，壓力變送器可以用來基于在兩個位置之間的過程流體中的壓差測量過程流體的流量。

通常情況下，壓力變送器包括壓力傳感器，壓力傳感器通過隔離系統連接到過程流體的壓力。隔離系統可以包括例如物理接觸過程流體的隔離膜片和以及在隔離膜片和壓力傳感器之間延伸的隔離填充流體。填充流體一般地包括諸如油之類的基本不可壓縮的流體。在過程流體施加壓力在隔離膜片上時，所施加的壓力的變化在隔離膜片上傳遞，通過隔離流體并且傳遞到壓力傳感器。這種隔離系統防止壓力傳感器的精密部件直接地暴露到過程流體。

大量市售的過程流體壓力變送器可用于有效地測量過程流體壓力。這些裝置通常憑借隔離系統或填充有過程流體的長管將壓力帶到變送器。這種結構的示例顯示在圖1A-1D。

圖1A顯示典型蒸汽流裝置。由于高溫，過程流體壓力變送器10遠離過程12安裝。一對壓力脈沖管線14、16與多個連接件一起使用，并提供開口以將過程壓力帶到變送器10。

圖1B圖示高溫壓力變送器。由于高溫，通過使用用于傳遞壓力的輔助油填充系統，壓力變送器20遠離過程安裝。

圖1C是典型的遠程密封系統30。在這種情況中，壓力通過油填充的輔助系統34被傳送回到變送器32。

圖1D是流量計40的圖解視圖，其中主元件42產生壓差。壓差由管44內的兩個脈沖管線或引壓管(impulse line)向上傳遞到共面變送器接口46。

關于圖1A-1D圖示的結構已經是成功的并且提供許多優點。模塊化變送器設計已經能夠實現大批量生產和高度受控的過程，以提高性能。標準共面接口允許分配效率，并允許用于校準和更換的分離點(separation point)。然而，這些結構確實存在某些限制。舉例來說，將壓力帶到變送器是昂貴的，因為它需要大量的金屬和輔助加壓系統。結構可能會受到潛在的泄漏點、插塞式管線和其他脈沖管線問題的影響。此外，這些結構也可能易受到機械振動的影響。

提供可以測量在其源頭上的壓力而無需將這個壓力傳送到正常過程壓力范圍以外的結構將推進過程流體壓力測量和控制技術。

實用新型內容

一種過程流體壓力變送器，具有遠程壓力傳感器。所述變送器包括電子元件殼體和設置在電子元件殼體中并且被配置為按照過程通信協議進行通信的回路通信裝置。控制器設置在電子元件殼體內并且連接到回路通信裝置。傳感器測量電路設置在電子元件殼體內并且連接到控制器。遠程壓力傳感器殼體被配置為直接地連接至過程并且與電子元件殼體分離。壓力傳感器設置在遠程壓力傳感器殼體內。壓力傳感器形成具有隨著過程流體壓力變化的電特性的至少一個電子部件。所述電子部件的多個部分直接地連接到多芯電纜，多芯電纜將壓力傳感器可操作地連接到傳感器測量電路。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，所述電子部件可以包括至少一個電容器，并且其中所述電子部件的每個部分是電容板。
較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以包含至少一個隔離膜片，所述至少一個隔離膜片將過程流體與壓力傳感器隔離但將過程流體壓力傳遞到壓力傳感器。

較佳地，該過程流體壓力變送器還可以包括在所述至少一個隔離膜片和所述壓力傳感器之間延伸的、用于傳遞過程流體壓力基本不可壓縮的填充流體。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，填充流體可以是單組分有機硅擴散泵用流體。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，壓力傳感器可以被設置以直接地接觸過程流體。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，壓力傳感器殼體和電子元件殼體可以用剛性支架連接在一起。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，多芯電纜可以是屏蔽多芯電纜。

較佳地，該過程流體壓力變送器還可以包括溫度傳感器，該溫度傳感器設置在遠程壓力傳感器殼體中，并且被配置以測量過程流體溫度并且通過多芯電纜將過程流體溫度的指示提供至傳感器電路。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，壓力傳感器和溫度傳感器可以構成壓力傳感器殼體內的僅有的電子部件。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以填充有灌注混合物。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，該過程流體壓力變送器可以進一步包括：

第二遠程壓力傳感器殼體，配置為直接地連接到過程：第二壓力傳感器，設置在第二遠程壓力傳感器殼體內，第二個壓力傳感器形成具有隨著過程流體壓力變化的電特性的至少一個電子部件：并且其中所述電子部件的多個部分直接地連接到多芯電纜，該多芯電纜將第二壓力傳感器可操作地連接到傳感器測量電路。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，壓力傳感器可以構成壓力傳感器殼體內的唯一的電子部件。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，變送器可以被配置以測量過程流體差壓、過程流體表壓和過程流體絕對壓力中的一種。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以集成在過程流動主元件中。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以集成在遠程過程密封件中。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以集成在過程容器中。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以集成在流量測量裝置中。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以以共面圖案形式連接到所述過程。

較佳地，在上述過程流體壓力變送器中，遠程壓力傳感器殼體可以是模塊化的。

較佳地，該過程流體壓力變送器可以進一步包括設置在電子元件殼體內并且在電學上插入傳感器電子電路和多芯電纜之間的本質安全屏障。

附圖說明

圖1A-1D說明本實用新型的實施例在其中特別有用的示例結構。

圖2和3是根據本實用新型實施例的遠程安裝的壓力傳感器系統的圖解視圖。

圖4是根據本實用新型的實施例的連接到單個電子元件殼體的多個遠程壓力傳感器的圖解視圖。

圖5是根據本實用新型實施例的連接至遠程密封件或嵌入遠程密封件內的遠程傳感器的圖解視圖。

圖6是用于本實用新型實施例的柔性膜片、基于電容的差壓傳感器的剖視圖。

圖7是根據本實用新型實施例的遠程壓力測量系統的系統框圖。

具體實施方式

本實用新型的實施例大致源自壓力傳感器本身與傳感器電子元件的物理分離。因此，接近過程的唯一電子部件是壓力傳感器。雖然在過去己經嘗試將壓力傳感器與檢測電子元件分離，但這些嘗試一般地要求至少一些電子電路，如二極管，被連接到壓力傳感器并靠近壓力傳感器安裝。因此，在過程流體溫度非常高的應用中，這些種技術將受限于電子部件的工作溫度范圍。參見，例如，Dah1ke的美國專利4,250,490。根據本實用新型的各個實施例，接近過程的唯一電子部件是壓力傳感器本身。在一些實施例中，溫度傳感元件可以設置為壓力傳感器的一部分或作為獨立的傳感器。因此，在本實用新型實施例中唯一的熱限制是由壓力傳感器和/或可選溫度傳感器的結構所引起的。將壓力傳感器與傳感器電子部件分離在高性能系統中是有悖常理的。一般來說，傳感器是相當高阻抗、低信號裝置。分離增加了增加錯誤到信號的機會。為了適應這種物理分離，本實用新型實施例主要包括傳感器電子元件，其幫助減少錯誤，同時使得能夠實現遠程傳感器系統的優勢。

圖2和3是遠程安裝的壓力傳感器系統的圖解視圖。圖2說明連接到主元件102的遠程殼體100。遠程殼體100包括差壓傳感器204（見圖6）和用于補償的溫度傳感器(未顯示)。傳感器204的每個壓力相關元件，如每個電容板(capacitive plate),直接連接到多芯電纜106中的各個單獨的導體。不像現有技術中的嘗試，沒有電子部件（如二極管)插入殼體100內的電容板和電纜106的每個導體之間。電纜106優選使用屏蔽電纜將電子元件殼體104連接到遠程傳感器100。對比圖2與圖1D,優勢是明顯的，其中包括，節約成本、減少潛在泄漏路徑。優選地，遠程殼體100完全與主元件102集成在一起。在另一個實施例中，可以采用模塊化設計，其將具有螺栓連接到主元件102的遠程殼體100。同樣可以采用其他選擇，包括排氣閥/排水閥和利用集合管。此外，該結構還可以適應多變量應用。在一個實施例中，遠程殼體102通過剛性支架連接到電子元件殼體104，剛性支架有助于保護其中的電互連。

圖3是連接過程流體管道108的遠程傳感器100的圖解視圖。憑借其直接連接，殼體100內的壓力傳感器直接測量在管道108內流動或以其他方式存在的過程流體壓力，并且提供與過程流體壓力有關的電特性，如電壓、電阻、電容、電感等等。殼體104內的傳感器電路測量電特性并將該電特性的數字指示提供到殼體104內的處理器電路。已經發現本實用新型的實施例采用基于電容的壓力傳感器提供了令人滿意的遠程性能，壓力傳感器和傳感器電子元件之間的物理間距大約為兩米。因此，電纜106可以至少兩米長并且仍然提供令人滿意的性能。信號錯誤和關于物理分離涉及的問題包括分辨率降低、溫度影響、穩定性、安裝效果、抗噪聲以及電子互換性。雖然在傳感器附近增加zui小電子元件，諸如二極管橋，可以顯著增加分離距離，但這種部件將zui高工作溫度限制到這種電子元件的工作范圍。如果溫度傳感元件包括在遠程傳感器中，則它必須能夠承受用于這種應用的極高溫度。在優選的實施例中，壓力傳感器本身提供傳感器溫度的測量，從而不需要能夠經受住高溫的單獨的溫度傳感器。

通過使用屏蔽傳感器電線并協調傳感器電路內的電路細節以與新的電路動態向匹配而實現性能優化。例如，增加較長的傳感器電纜到電容式傳感器將增加電容。由于不足的偏置電流和穩定時間，現有電子元件可能表現不佳。優化或至少調整偏置電流和穩定時間被認為是解決這種性能問題的。

根據本實用新型的各種實施例，多個遠程傳感器可以連接到單組遠程電子元件，如遠程過程密封應用。圖4是通過多芯電纜106、122分別地連接到單個電子元件殼體104的多個遠程壓力傳感器100、120的圖解視圖。這種布置可以提供的獨特的優勢在于zui大限度地減少在多傳感器系統中的延遲效應。另外選擇是在單個殼體104內提供多個測量電路。

本實用新型的實施例可以產生一些獨特的安全認可問題。對此類問題的一個解決方案是將遠程傳感器100安裝在防爆殼體中并且控制遠程傳感器100的殼體和電子元件104之間的電纜連接。雖然這種方法可以實現必要的安全認可，但其將增加成本并降低安裝靈活性。代替地，優選地，類似于使用市售的旋渦流量計當前所做的那樣，本質安全屏障(intrinsic safety barrier)被增加到電子元件104。遠程傳感器l00現在變成本質安全系統，其允許在電纜106的選擇和設計方面具有明顯靈活性。此外，遠程傳感器100不需要被包封在防爆殼體中，這將降低殼體成本和復雜性，這種復雜性包括需要使用電火花加工機床(EDM)孔。

圖5是遠程傳感器100的圖解視圖，遠程傳感器100連接到遠程密封件110或嵌入在遠程密封件110中。如先前實施例，傳感器100通過多連接器屏蔽電纜106連接到電子元件殼體104。因此與關于圖1C圖示的具有延伸長度的毛細管34的裝置不同，遠程密封件110憑借電纜106連接到其電子元件殼體104。

本實用新型的實施例大體上降低了需要有效地測量過程流體壓力的流體連接件的數量。此外，使用本實用新型的實施例基本上省卻了流體填充的管道，如脈沖管線和毛細管。本實用新型實施例的另一個優點是，可以減少伴熱(heat tracing)裝置的使用或需要。對于諸如這些在圖1A中描述的應用，脈沖管道填充有氣體或液體，這些氣體或液體可能凍結，或以其他方式產生固相材料，固相材料可能堵塞管道和損害過程壓力的測量。終端用戶通常圍繞脈沖管道安裝伴熱裝置，以防止這種情況的發生。因此，本實用新型的實施例能夠完全消除脈沖管道，并且因而也消除伴熱裝置的需要。

雖然本實用新型的實施例大體上是關于差壓傳感器描述的，但也可以關于任何類型壓力傳感器實踐多個實施例，包括絕對壓力和表壓力傳感器。此外，雖然本實用新型的實施例大體上是關于電容式柔性膜片壓力傳感器描述的，但也可以關于通過改變電特性對壓力作出反應的任何結構實踐本實用新型的實施例。因此，本實用新型的實施例包括電阻應變儀型傳感器、壓電式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電磁壓力傳感器、諧振傳感器等等。在圖26中顯示的實施例中在傳感器和電子元件之間使用柔性電纜。可選的實施例將使用硬支架連接。例如，可以通過管道或支架物理地連接傳感器和電子元件。這將使安裝更加容易，并保護電纜免受電噪聲和物理傷害。

圖6是用于本實用新型的實施例的柔性膜片式、基于電容的差壓傳感器204的剖視圖。雖然壓力傳感器204的實際結構可以采取任何適當的形式，但本實用新型的一個具體實施例如圖6所示使用填充流體。壓力傳感器模塊200包括壓力傳感器204和流體隔離部件206、208以及從壓力傳感器204延伸到流體隔離部件206、208的管210、212。過程流體進入管213、214中的一個或兩者，并且分別地對隔離部件206、208施加壓力。每個隔離部件206、208包括將過程流體與管210、212內的填充流體物理地分離的隔離膜片。因此雖然阻止過程流體物理地接觸壓力傳感器204，但過程流體的壓力分別地通過管210、212從管213、214傳遞到傳感器204。在一個實施例中，每個管213、214直接地連接到主元件的對應的高壓和低壓側，如在圖2中圖示。

對于典型應用，遠程壓力傳感器能夠實現多種優勢，包括節約成本、節省安裝、提高了安全性和可靠性。對于這些應用，傳感器可以利用現有的設計理念。在一個實施例中，優選地是用標準硅油對傳感器204進行油填充的，并使用合適的灌裝材料在殼體中隔離傳感器204。如果遠程傳感器是模塊化的，則共面接口可以使用標準聚四氟乙烯的0型圈(0-ring),或適合金屬的0型圈。

圖7是根據本實用新型實施例的遠程壓力測量系統的系統塊圖。遠程電子模塊104通過電纜106可操作地連接至遠程壓力傳感器100。遠程壓力傳感器100可以包括任何合適的壓力傳感器，并操作地連接到過程流體壓力的源。傳感器電子元件104包括可操作地連接到多個接線端302的回路通信裝置模塊300，接線端302用于將電子元件104連接到合適的過程通信回路。過程通信回路的示例包括已知的4-20mA模擬信號回路、HART®信令、FOUNDATIO現場總線技術以及其他合適的過程通信回路或程序段。回路通信裝置300可操作地連接到控制器304，在一個實施例中，控制器304優選地是微處理器。控制器304進而連接到能夠通過電纜106可操作地連接到壓力傳感器100的測量電路306。在一些實施例中，本質安全屏障308在電學上插入測量電路306和壓力傳感器100之間。雖然圖7圖示測量電路306作為單獨的模塊存在，但事實上其可以包括多個這樣的模塊，以便連接到多個遠程壓力傳感器。此外，在一些實施例，可以使用開關或適合的多路復用器，以基本上按順序地或有選擇地將多個壓力傳感器連接到單個測量電路模塊306。相比用于測量過程流體壓力的現有技術，本實用新型的實施例，提供了許多優點。遠程傳感器提供了用在諸如高溫的嚴峻應用中的能力。隨著過程溫度增加，非金屬材料的局限性必須加以考慮。要求隨著過程的溫度和壓力升高而變化。以下是圖示本實用新型的實施例的特別用于說明性的蒸汽應用的示例。高溫壓力傳感器不僅限于蒸汽應用，而且其他應用將不會超過400℉。

當前市售的采用共面壓力測量的過程流體壓力測量系統通常限于250℉的溫度。本實用新型的實施例被認為對于高壓、高溫是有用的，并且被認為能夠在高達400℉的溫度下運行，包括一些海底應用。在一個實施例中，壓力傳感器可以是基于電容的壓力傳感器，如關于圖6所示，其中填充油是單組分有機硅擴散泵用流體，如可從Mid1 and MI的DowCorning公司獲得的Xiameter品牌有機硅流體。此外，優選地，傳感器204安裝在灌注材料中，并且由于高壓而沒有使用0型圈。400℉極限也將為差壓流動應用提供許多優勢。較低壓力下的應用可以利用模塊化結構，其中遠程壓力傳感器可以被螺栓連接到主元件。在這種較低壓力應用中，0型圈可以為金屬或聚四氟乙烯，其被列出是具有高達400℉的工作溫度。許多過程閥門和密封設計使用聚四氟乙烯，因此傳感器現在能夠在聚四氟乙烯工作的相同溫度處工作。

目前測量的蒸汽應用的大部分都達到或低于900#ANSI壓力等級。用于該等級的zui大壓力隨著溫度變化。用于100℉的zui大壓力是3350PSI,用于400℉的zui大壓力是1900PSI,用于750F的zui大壓力是1510PSI。過程密封設計變化包括使用用于較低溫度（低于400℉)和小于約6000PSI壓力的標準聚四氟乙烯0型圈。對于更為苛刻的應用，可以使用金屬0形圈，這允許在較高溫度和壓力處工作。也可以提供用全焊接系統消除過程密封。注填充設計變化包括用可以承受較高溫度的油代替硅油。通過使用合適的油能夠將極限提高到500℉或600℉。用于非常高的溫度和用于緊湊設計的一個優選實施例是使用沒有隔離膜片的無油傳感器。在這樣的系統中，使過程流體或介質直接地與可偏轉膜片接觸。這些應用要求過程流體與傳感器材料兼容。在這些應用中，其他類型的壓力傳感器可能更有用。將差壓傳感器集成到遠程密封膜片中產生類似的好處。省卻了充填充毛細管系統，并且還減少了流體連接件的數量，降低了填充流體泄漏的可能性，也有利于減少或消除由遠程密封件的毛細管內的填充流體提供的任何熱效應。