CN1997880A - 高温压力变送器组件 - Google Patents

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CN1997880A
CN1997880A CNA2005800174854A CN200580017485A CN1997880A CN 1997880 A CN1997880 A CN 1997880A CN A2005800174854 A CNA2005800174854 A CN A2005800174854A CN 200580017485 A CN200580017485 A CN 200580017485A CN 1997880 A CN1997880 A CN 1997880A
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戴维·安德鲁·布罗德
凯丽·M·奥瑟
乍德·迈克·麦奎尔
弗雷德·查尔斯·席德勒
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Abstract

用于测量过程流体(104)的压力的压力变送器组件(106)包括隔离膜组件(120)。压力传感器(130)与隔离膜组件(120)间隔开以提供热隔离。导管(122)从隔离膜组件(120)延伸到压力传感器(130)，并被构造以输送隔离填充流体。

Description

高温压力变送器组件
技术领域
本发明涉及用于工业过程监视和控制系统中类型的过程控制变送器(或传送器)。更具体地说，本发明涉及在高温环境中测量过程变量的变送器。
背景技术
过程监视与控制系统用于监视和控制工业过程的操作。工业过程用于制造诸如精制油、药品、纸张、食品等的各种产品的生产中。在大型仪器中，为了在期望的参数范围内操作，这些过程必须得到监视和控制。
“变送器”已成为用于描述连接到过程设备并用于传感过程变量的设备的术语。示例过程变量包括压力、温度、流量和其它。通常，变送器位于远程位置(即在“现场”)，并将传感的过程变量送回到中央控制室。包括有线和无线通信的多种技术被用于发送过程变量。一种普通的有线通信技术使用称作双线过程控制回路，其中单对线用于传送信息以及为变送器供电。一种较好建立的信息传送技术是经过程控制回路将当前电流控制在4mA和20mA之间。在4-20mA范围内的电流值能够被映射为过程变量的对应值。
一种类型的变送器是压力变送器。通常，压力变送器是测量过程的流体压力的任何类型的变送器(术语流体包括气体和液体及其组合)。压力变送器能够被用于直接测量包括压差、绝对压力或表压力的压力。此外，使用已知技术，基于两个位置间的过程流体的压差，压力变送器能够被用于测量过程流体的流动。
典型地，压力变送器包括经隔离系统连接(或耦合)到过程流体的压力的压力传感器。该隔离系统例如可包括：与过程流体物理接触的隔离膜；和在隔离膜和压力传感器之间延伸的隔离填充流体。该填充流体优选地包括诸如油的实质上不能压缩的流体。当过程流体对隔离膜施加压力，所施加压力的变化经隔离流体跨过隔离膜传递，并到达压力传感器。这种隔离系统防止了压力传感器的精密构件直接暴露于过程流体。
在一些过程环境中，过程流体会经受相当高的温度。然而，典型的变送器具有250-300的最大工作温度。即使在变送器能够经受高温的情况中，极端的温度仍能够导致压力测量的误差。在温度超过压力变送器的最大温度的过程中，变送器本身的位置必须远离过程流体，并使用长的毛细管连接到过程流体。毛线管能够为许多英尺，并且在管中承载隔离流体。所述管的一端经隔离膜安装到过程流体，并且管的另一端连接到压力变送器。这种长毛细管和隔离膜通常称作“远程密封”。
远程密封结构的引入增加了安装的成本和复杂性，并降低了压力测量的准确性。此外，附加的构件提供了另一可能的设备故障源。
发明内容
一种用于测量过程流体的压力的压力变送器组件包括隔离膜组件。所述隔离膜组件包括隔离膜，所述隔离膜构造为沿过程接口侧连接(或耦合)到过程流体的，并且限定了与过程接口侧相对的隔离腔。压力传感器被安装到隔离膜组件，并与隔离膜组件物理间隔开。导管从隔离腔延伸到压力传感器。还能够使用温度补偿。还提供一种方法。
附图说明
图1是显示其中压力传感器与隔离膜组件间隔开以提供热隔离的压力变送器组件的视图。
图2是过程变送器偏置组件的横截面视图。
图3是包括变送器偏置组件的压力变送器组件的横截面视图。
图4是压力变送器组件的另一实施例的横截面视图。
图5是根据另一实施例的压力变送器组件的横截面视图。
图6A和图6B是显示过程温度对压力变送器组件的构件的影响的曲线。图6A针对现有技术结构，图6B针对根据本发明的结构。
图7是显示用于补偿压力传感器测量的温度传感器的位置的压力变送器组件的横截面视图。
具体实施方式
本发明针对用于测量过程流体的过程变量类型的工业变送器，其中过程流体和/或过程环境处于相对高温。利用本发明，压力传感器和变送器电子设备与过程流体间隔开，以实现与过程流体的热隔离(或热绝缘)。然而，本发明的构造不需要在背景技术部分中讨论的远程密封技术。还能够利用温度补偿。
在诸如制药、生物技术、食品和饮料技术等的加工工业中使用的电子工业压力变送器通常具有特殊要求。例如，它们经常需要测量极高温度的过程液体的压力。在两个“批次”的处理之间出现的清洁过程期间，它们经常需要经受极高温度。所述清洁过程被称作″现场(或原地)清洁″(CIP)和/或″现场(或原地)消毒″(SIP)。这些过程将过程接口暴露于超过200℃的温度。此外，期望地，压力测量变送器不仅经历清洁过程，而且还要在清洁过程期间和之后提供最小的误差。这使得下一“批次”尽快地开始。如果在清洁过程期间存在误差，则期望测量设备快速返回其校正参数，且不会在清洁处理后的输出中存在偏差。
传统的工业压力变送器能够标称地经受最高约85℃的温度和在最高约85℃的温度运行。然而，超过这个温度，例如由于电子构件的过热，会出现设备的实质误差和/或完全故障。如在背景部分中讨论的，远程密封(辅助填充系统，也称作化学密封)能够用于满足高温处理环境的需要。这些密封通常能够经受超过200℃的温度。然而，这种构造具有许多缺点。例如，实质的测量误差会与增加的过程温度相关，差不多1-5％。此外，所述构造可能导致较差的温度瞬时特性，即大的误差和慢恢复。在从高温清洁返回到基线工作温度时，这种构造也引入了漂移和不可重复误差。它们也不能精确测量清洁处理期间的压力。
本发明的工业压力变送器提供了在高温过程中和在经历诸如在箱清洁(CIP和SIP)期间经受的间歇高温的过程中的改进性能。所述构造很适合如在生物技术、药品、食品和饮料处理中使用的卫生方式的压力测量。这种改进包括：增高的高过程温度能力和可靠性；减小的高过程温度下测量期间的误差；减小的从高温返回到正常操作时的误差；和提高的从CIP和SIP期间引起的瞬时温度的返回速度。
图1是说明根据本发明的压力变送器组件106的工业过程装置100的简图。过程装置100包括其中容纳过程流体104的容器102。所述变送器组件106包括将变送器(变送器模块)108安装到容器102的变送器偏置(offset)组件110。虽然变送器偏置组件110显示作为分离的构件，它可以是与变送器108成一体的构件。偏置组件110包括：隔离膜组件120；导管(毛细管)122；和变送器支撑件124。所述隔离膜组件120包括隔离膜128，隔离膜128具有过程界面侧，所述过程界面侧面对和接触过程流体104。隔离腔129被确定在隔离膜128后，并与隔离膜128的过程界面侧相对。所述毛细管122连接到隔离腔129，并且隔离腔129和毛细管122填充有隔离填充流体。这种隔离填充流体是诸如油的实质上不可压缩的液体。与隔离膜组件120相反的毛细管122的端部连接到压力传感器130。所述压力传感器提供了到变送器电路132的输出。所述变送器电路132显示为连接到双线过程控制回路134。利用电连接138，所述压力传感器130被电连接到变送器电子设备(或电子仪器)132。在一个具体实施例中，电连接138包括柔性电路。
所述隔离膜组件120能够是任何构造，并且图1中的膜仅提供用于说明目的。类似地，导管122、变送器108、压力传感器130和变送器电子设备132能够是任何期望的构造。所述导管122无需如图1中所示是直的或管状，并且在可选构造中可以使用任何数目的导管。
所述变送器支撑件124以间隔开的方位将变送器108物理地安装到隔离膜组件122。能够使用任何期望的变送器支撑件或构造。一个示例支撑件124是完全包围导管122以使导管122免受过程环境影响的支撑件。另一示例变送器支撑件分开容器102和变送器108之间的空间以产生阻碍，从而减小或反射辐射。由偏置组件110提供的过程容器102和变送器108之间的间隔提供了它们之间的热隔离(热绝缘)。热隔离能够使用具有良好绝缘属性的材料、通过使用空气间隙或通过其它技术实现。过程容器102和变送器108之间的分离距离能够基于用于特定装置的期望量的热隔离选择。具有特殊热过程温度的装置或者对于包括对极端温度特别敏感的电子设备或其它构件的装置可以使用增加的间隔。不同于在现有技术中使用的远程密封构造，本发明的压力变送器组件106使用用于将压力变送器安装到过程容器的传统技术，提供了能够被安装到过程容器102的整体组件。
图2是根据另一示例实施例的过程变送器偏置(offset)组件150的横截面视图。过程变送器偏置150包括具有形成腔157的隔离膜154的隔离膜组件152。压力导管156从腔157延伸到压力传感器模块158。在图2的构造中，通气压力导管170也从传感器模块158延伸到通气端口172和隔离膜组件152。填充流体导管176设置用于将填充流体填充入导管156。变送器支撑件160围绕导管156和170，并支撑压力传感器模块158。在图2的构造中，变送器支撑件160具有管状形状，然而，可以使用任何形状。所述管160可以由任何适合的材料形成。在一个具体实施例中，所述管160由相对薄的高温塑料壁形成。使用灌封混合物180，所述压力传感器模块158被安装在支撑件160中。空气间隙182提供了隔离膜组件152和压力传感器模块158之间的热隔离。电连接190连接到未在图2中示出的变送器电子设备。所述电连接190例如能够包括柔性电路。所述压力传感器模块158可包括温度传感器(在下面详细描述)，用于补偿压力传感器测量值。灌封材料180提供了用于模块158的支撑结构，并可用于满足固有的安全要求。所述空气间隙182可填充有任何期望的材料，并且例如可构成实质上的真空。
图3是根据另一示例实施例的压力传感器变送器组件200的横截面视图。在图3的实施例中，压力变送器202经偏置组件204连接到隔离膜组件206。在这种构造中，偏置组件204包括沿焊缝208被焊接到隔离膜组件206的不锈钢外壳207。在所示实施例中，外壳207具有管状形状，并提供了变送器支撑件。
变送器202包括变送器外壳210和盖212。在图3的构造中，所述外壳210与管状不锈钢外壳207连续。变送器电子设备220经柔性电路222连接到压力传感器234。压力传感器234经填充流体导管236连接到隔离膜组件206。所述变送器电子设备220经馈通228连接到接线板230。现场布线引入线232被设置在外壳210中，用于连接到接线板230。
图4是根据另一示例实施例的压力变送器组件300的横截面视图。压力变送器组件300包括压力变送器302，所述压力变送器302被连接到包括隔离膜组件306的偏置组件304。偏置组件304包括在焊缝310处连接到隔离膜组件306的变送器支撑件308。支撑件308沿焊缝312连接到变送器主体320。承载在变送器主体320内的变送器电路322经柔性电缆324连接到压力传感器332。压力传感器332经填充流体导管334连接到隔离膜组件306。电路322经柔性电缆328连接到连接头326。连接头326能够为两线过程控制回路或其它数据接口提供连接。
图5是根据另一示例实施例的变送器组件350的横截面视图。变送器350包括具有连接到隔离膜组件356的整体变送器偏置支撑件354的变送器外壳352。压力变送器的压力传感器358包括压力端口360。导管370从压力端口360延伸到隔离膜组件356。可选的温度传感器372被显示安装在压力传感器358上。变送器电子电路374电连接到压力传感器358，并能够经现场布线端口376连接到现场布线(图5中未示出)。整体变送器偏置支撑件354的内部提供了能够填充气体、真空或绝缘材料的隔离或绝缘体积，以提供期望的热隔离。示例绝缘材料包括RTV(室温硫化)、泡沫或其它材料。这种构造能够可以对超过200℃的温度的过程流体操作，同时将压力传感器358和变送器电子设备374保持在冷得多的温度，例如85℃以下的温度。
图6A是显示过程温度对具有典型的现有技术构造的压力变送器的多种构件的影响的曲线；图6B是显示对根据本发明的一个示例实施例的变送器组件的温度影响的曲线。图6A显示了作为上限的一定百分比的零位偏移的过程温度和多种构件的测量温度的曲线。所述曲线显示了当压力变送器暴露于一定范围的过程温度时的多种构件的温度。连接器温度的曲线显示了当它最接近过程时最陡的增加。然而，当过程流体在200℃时，紧邻压力传感器的PRT温度传感器也实质上升到120℃。甚至变送器电子电路显示增加到超过80℃。随着过程温度的增加，这些温度变化的影响能够在压力变送器的零读数上看到。作为对比，如图6B所示，当过程温度增加到200℃，压力传感器温度仅到达约65℃。图6B中的其它线显示了过程变送器的其它区域的温度，包括外壳的内部顶部区域、内部空气(间隙)区域、内部底部和颈部。也显示了随着温度的增加作为量程的一定百分比的零位偏移。
如上所述，在本发明的另一方面中，温度传感器能够与温度隔离一起用于提供温度补偿。图7是显示变送器350中的温度传感器的示例位置的图5所示压力变送器的横截面视图。温度传感器380位于隔离膜组件中；温度传感器382沿变送器支撑件结构定位；温度传感器384位置邻近压力传感器；和温度传感器386被安装在变送器电子设备上。这些温度传感器380-386被连接到变送器350中的电路，并用于给变送器提供的压力相关输出的提供温度补偿。每个温度传感器380-386能够用于补偿不同温度对压力输出的影响。虽然显示了4个不同的温度传感器，在本发明中，在期望的位置处可以使用任何数目的温度传感器。温度传感器能够被用于动态补偿与其连接的相关子系统。特殊的补偿特征能够通过压力变送器系统的法定标准的(imperial)测试或模拟(molding)和逻辑确定，并能够用于减小瞬时误差。所述温度传感器能够被放置在变送器内的位置以提供与由于传感器附近的构件的温度变化导致的相关量的误差成比例的补偿。
本发明提供了一种用于将压力变送器与高温过程连接隔离的技术。整体压力变送器组件包括与隔离膜组件成间隔开构造的压力变送器。这种构造使电路和压力传感器在更低的温度操作，同时过程连接可在230℃或更高的温度。所述模块结构使本发明可在很宽的范围应用中应用，并允许使用简单和低成本组件技术，同时使发明的要求最低。所述热隔离可以通过改变支撑结构中使用的材料和/或加长支撑结构得以增加。温度传感器能够用于补偿根据已知技术测量的过程变量。然而，除了在压力传感器附近放置用于补偿的温度传感器，在一个示例实施例中，温度传感器被放置在隔离膜组件附近。所述压力传感器能够被用于测量标准、绝对和差分压力。温度传感器能够被设置在用于温度补偿的电子电路板上。利用用于补偿温度变化的热导性材料，所述温度传感器能够被热连接到压力传感器。
虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域中的普通技术人员将会意识到：在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。能够使用任意类型的隔离膜组件，并且本发明并不局限于这里特别列出的那些隔离膜组件。类似地，可以使用其它压力变送器构造。所述隔离填充流体可以是任何类型的构造或形状。根据需要可以使用任意类型的压力传感器、隔离膜或变送器电子设备。本发明使用的压力变送器组件中使用的压力变送器组件能够具有一种构造，并且不排它地，典型地将包括变送器电子设备和/或压力传感器。在一个实施例中，隔离膜与压力传感器之间的间隙超过约1.3英寸。在另一示例实施例中，从隔离膜到压力传感器测量的热导性小于约1W/mK(瓦/米*开氏温度)。所述变送器支撑结构能够由被安装到变送器组件模块和/或隔离膜组件的分离构件形成，或它能够是与压力变送器模块和/或隔离膜组件一体形成的构件。根据所需，所述压力传感器能够位于变送器模块内、变送器支撑件内或在其它位置。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于测量过程流体的压力的压力变送器组件，包括：
隔离膜组件，所述隔离膜组件包括隔离膜，所述隔离膜构造为沿过程接口侧连接到过程流体并且限定了与过程接口侧相对的隔离腔；
压力传感器，所述压力传感器被连接到隔离膜组件，并与所述隔离膜组件物理间隔开，以提供与隔离膜组件附近的过程流体的热隔离；
从由隔离膜限定的隔离腔延伸到压力传感器的导管，所述导管构造为输送隔离填充流体，从而将施加到所述隔离膜的压力传送到所述压力传感器；和
将变送器模块连接到隔离膜组件的变送器支撑件。
2.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述变送器支撑件具有相对低的热传导率。
3.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述变送器支撑件包括由相对薄的壁形成的支撑件。
4.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述变送器支撑件是管状的。
5.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述变送器支撑件包括塑料。
6.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：利用灌封混合物变送器模块连接到变送器支撑件。
7.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述隔离膜组件和压力变送器模块之间的间隔包括空气间隙。
8.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述隔离膜组件包括通气端口。
9.根据权利要求8所述的压力变送器组件，包括：在压力变送器模块和通气端口之间延伸的通气压力管。
10.根据权利要求1所述的压力变送器组件，包括：传感器模块，所述传感器模块包括压力端口。
11.根据权利要求10所述的压力变送器组件，包括：压力变送器模块，所述压力变送器模块具有连接到传感器模块中的电路的电连接。
12.根据权利要求11所述的压力变送器组件，其中：所述压力变送器模块包括通过电连接电连接到传感器模块中的电路的输出电子设备。
13.根据权利要求11所述的压力变送器组件，其中：所述电连接包括柔性电路。
14.根据权利要求1所述的压力变送器组件，包括：用于补偿由于温度变化导致的压力测量变化的温度传感器。
15.根据权利要求1所述的压力变送器组件，包括：用于补偿由于温度变化导致的压力测量变化的多个温度传感器。
16.根据权利要求1所述的压力变送器组件，包括热传导性材料，所述热传导性材料将压力传感器热连接到承载在压力变送器中的电子电路板上的热传感器。
17.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：所述隔离膜与压力传感器之间的间隙大于约1.3英寸。
18.根据权利要求1所述的压力变送器组件，其中：从隔离膜到压力传感器测量的热导性小于约1W/m°K。
19.一种制造用于连接到高温过程流体的压力变送器的方法，包括：
提供隔离膜组件，所述隔离膜组件包括隔离膜，所述隔离膜构造为沿过程接口侧连接到过程流体并且限定了与过程接口侧相对的隔离腔；
提供压力传感器；
在与隔离膜组件物理间隔开的位置处将压力传感器加接到隔离膜组件，以提供与隔离膜组件附近的过程流体的热隔离；和
利用导管将由隔离膜限定的隔离腔连接到压力传感器，所述导管被构造为输送隔离填充流体，从而将施加到隔离膜的压力传送到压力传感器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：所述变送器支撑件具有相对低的热传导率。
21.根据权利要求19所述的方法，包括利用灌封混合物填充变送器支撑件。
22.根据权利要求19所述的方法，其中：所述隔离膜组件包括通气端口，并且所述方法包括将压力变送器模块连接到通气端口。
23.根据权利要求19所述的方法，包括提供用于补偿由于温度变化导致的压力测量变化的温度传感器。
24.根据权利要求23所述的方法，包括提供用于提供温度补偿的多个温度传感器。

Claims (26)

1.一种用于测量过程流体的压力的压力变送器组件，包括：
隔离膜组件，所述隔离膜组件包括隔离膜，所述隔离膜构造为沿过程接口侧连接到过程流体并且限定了与过程接口侧相对的隔离腔；
压力传感器，所述压力传感器被连接到隔离膜组件，并与所述隔离膜组件物理间隔开，以提供与隔离膜组件附近的过程流体的热隔离；和
从由隔离膜限定的隔离腔延伸到压力传感器的导管，所述导管构造为输送隔离填充流体，从而将施加到所述隔离膜的压力传送到所述压力传感器。
2.根据权利要求1所述的设备，包括：将变送器模块连接到隔离膜组件的变送器支撑件。
3.根据权利要求2所述的设备，其中：所述变送器支撑件具有相对低的热传导率。
4.根据权利要求2所述的设备，其中：所述变送器支撑件包括由相对薄的壁形成的支撑件。
5.根据权利要求2所述的设备，其中：所述变送器支撑件是管状的。
6.根据权利要求2所述的设备，其中：所述变送器支撑件包括塑料。
7.根据权利要求2所述的设备，其中：变送器模块利用灌封混合物连接到变送器支撑件。
8.根据权利要求2所述的设备，其中：隔离膜组件与压力变送器模块之间的间隔包括空气间隙。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：所述隔离膜组件包括通气端口。
10.根据权利要求9所述的设备，包括：在压力变送器模块和通气端口之间延伸的通气压力管。
11.根据权利要求1所述的设备，包括：传感器模块，所述传感器模块包括压力端口。
12.根据权利要求11所述的设备，包括：具有连接到传感器模块中的电路的电连接的压力变送器模块。
13.根据权利要求12所述的设备，其中：所述压力变送器模块包括通过所述电连接电连接到传感器模块中的电路的输出电子设备。
14.根据权利要求12所述的设备，其中：所述电连接包括柔性电路。
15.根据权利要求1所述的设备，包括：用于补偿由于温度变化导致的压力测量变化的温度传感器。
16.根据权利要求1所述的设备，包括：用于补偿由于温度变化导致的压力测量变化的多个温度传感器。
17.根据权利要求1所述的设备，包括热传导性材料，所述热传导性材料将压力传感器热连接到承载在压力变送器中的电子电路板上的热传感器。
18.根据权利要求1所述的设备，其中：所述隔离膜与压力传感器之间的间隙大于约1.3英寸。
19.根据权利要求1所述的设备，其中：从隔离膜到压力传感器的热导性小于约1W/m°K。
20.一种制造用于连接到高温过程流体的压力变送器的方法，包括：
提供隔离膜组件，所述隔离膜组件包括隔离膜，所述隔离膜构造为沿过程接口侧连接到过程流体并且限定了与过程接口侧相对的隔离腔；
提供压力传感器；
在与隔离膜组件物理间隔开的位置处将压力传感器加接到隔离膜组件，以提供与隔离膜组件附近的过程流体的热隔离；和
利用导管将由隔离膜限定的隔离腔连接到压力传感器，所述导管被构造为输送隔离填充流体，从而将施加到隔离膜的压力传送到压力传感器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中：所述加接包括提供连接到隔离膜组件的变送器支撑件。
22.根据权利要求21所述的方法，其中：所述变送器支撑件具有相对低的热传导率。
23.根据权利要求21所述的方法，包括用灌封混合物填充变送器支撑件。
24.根据权利要求20所述的方法，其中：所述隔离膜组件包括通气端口，并且所述方法包括将压力变送器模块连接到通气端口。
25.根据权利要求20所述的方法，包括提供用于补偿由于温度变化导致的压力测量变化的温度传感器。
26.根据权利要求25所述的方法，包括提供用于提供温度补偿的多个温度传感器。
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