用于過程壓力測量的改進(jìn)的隔離系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于過程壓力測量的改進(jìn)的隔離系統(tǒng)
[0001]本申請是分案申請。本申請的原案為進(jìn)入中國國家階段的PCT專利申請，原案的PCT申請?zhí)枮镻CT/US2009/046060，申請日為2009年6月3日；原案的國際公開號為W02009/0152004，國際公開日為2009年12月17日；原案的中國專利申請?zhí)?200980121145.4，進(jìn)入中國國家階段日為2010年12月6日。原案的說明書全文提供如下以供參考。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)過程壓力變送器用力測量工業(yè)過程流體(如化工、紙漿、石油、天然氣、制藥、食品和/或其它流體處理設(shè)備中的泥漿、液體、蒸汽或氣體)的壓力。工業(yè)過程流體壓力變送器通常放置在過程流體附近，或者放置在現(xiàn)場應(yīng)用中。通常這些現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)受嚴(yán)格且變化的環(huán)境條件，這對這種變送器的設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)。
[0003]多種過程流體壓力變送器中的感測元件通常是電容基的傳感器，包括可偏轉(zhuǎn)感測隔膜和兩個或多個電容電極。電介質(zhì)填充流體通常用在電容板和隔膜之間。隔離膜通常與過程流體界面連接并防止過程流體(其有時可以是苛刻的、腐蝕性的、臟的、受污染的或處于極高的溫度)與該傳感器的元件相互影響。通常，過程流體作用在隔離膜上，使隔離膜偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)移動或移位隔膜后面的填充流體，該填充流體隨后相應(yīng)地移動或移位壓力傳感器的感測隔膜。壓力傳感器具有隨施加的壓力變化的諸如電容之類的電特性，該電特性由過程流體壓力變送器內(nèi)的測量電路測量或確定，產(chǎn)生與過程流體壓力相關(guān)的輸出信號。還可以根據(jù)公知的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議對該輸出信號進(jìn)行格式化，并通過過程通信回路將其傳輸至其它現(xiàn)場設(shè)備或控制器。
[0004]隨著過程流體壓力變送器的技術(shù)狀態(tài)的提高，感測技術(shù)和精度也改善了。然而，仍然要求這種設(shè)備的制造廠商提供具有更嚴(yán)格的精度和準(zhǔn)度的設(shè)備。因此，提供具有改善的準(zhǔn)度和精度的過程流體壓力變送器將有利于工業(yè)過程測量和控制技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種過程流體壓力變送器，包括壓力傳感器、變送器電子組件和隔離系統(tǒng)。壓力傳感器具有隨著壓力改變的電特性。變送器電子組件連接至壓力傳感器，用于感測所述電特性并計算壓力輸出。隔離系統(tǒng)包括基底構(gòu)件、隔離膜和填充流體。隔離膜安裝至基底構(gòu)件并插入壓力傳感器和過程流體之間。填充流體位于隔離膜和壓力傳感器之間?；讟?gòu)件和隔離膜由不同的材料構(gòu)造而成以使隔離膜的熱膨脹系數(shù)大于基底構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)。
【附圖說明】
[0006]圖1A為本發(fā)明的各實(shí)施方式特別適用的過程流體壓力變送器的示意圖。
[0007]圖1B為隔離系統(tǒng)的一部分的示意圖。
[0008]圖2圖不了隔咼系統(tǒng)對溫度升尚的響應(yīng)。
[0009]圖3A為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的隔離裝置容積相對隔離膜壓力的圖表。
[0010]圖3B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的隔離裝置容積相對隔離膜壓力的圖表。
[0011]圖4為本發(fā)明的實(shí)施方式可以實(shí)踐的過程流體壓力測量系統(tǒng)的示意圖。
[0012]圖5為沿著圖4中的剖面線A-A截取的橫截面示意圖，圖示了隔離膜和基底。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明的一些方面和實(shí)施方式源于對已經(jīng)困擾隔離系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的問題的獨(dú)特理解。具體地，測量諸如蒸汽之類的熱的工業(yè)流體的工業(yè)過程流體壓力變送器通常在“恒穩(wěn)態(tài)”和瞬態(tài)條件兩個情況下展現(xiàn)出較大誤差。這些測量誤差在采用單隔膜隔離裝置測量表壓(gauge pressure)或絕對壓力的過程流體壓力測量變送器中是常見的。此外，這些測量誤差還存在于遠(yuǎn)程密封(remote seal)系統(tǒng)以及壓差測量系統(tǒng)中。
[0014]當(dāng)采用單個隔離量表或絕對壓力變送器測量非常熱的過程流體時，電子組件和溫度補(bǔ)償傳感器通常遠(yuǎn)離彈性金屬過程流體隔離膜設(shè)置。當(dāng)在實(shí)質(zhì)上高于典型的工業(yè)電子組件可以承受的溫度(即，185° F)的過程流體溫度下測量時特別如此。在這些設(shè)備中，熱的過程非常快地加熱隔離流體(如硅油或DC200)和隔離裝置隔膜。填充流體膨脹，使隔離裝置隔膜伸展，隔離裝置隔膜產(chǎn)生背壓(用作容積應(yīng)變彈簧)。壓力傳感器將這種情況測量為誤差。這種溫度引起的誤差不能由熱瞬變系統(tǒng)中的“環(huán)境”溫度修正測量系統(tǒng)完全補(bǔ)償。
[0015]取決于過程流體壓力變送器的結(jié)構(gòu)，上述誤差即使在系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時仍然存在。這通常在當(dāng)在絕對壓力或表壓測量變送器的情況中連接單個隔膜裝置遠(yuǎn)程密封件時發(fā)生。用于與熱過程熱隔離(具有或不具有毛細(xì)管)目的的遠(yuǎn)程密封件的添加可能具有本質(zhì)上的測量誤差。
[0016]上述誤差幾乎是零基測量誤差。然而，跨度(斜率)也受到影響。因為所述誤差幾乎是零基的，較低的壓力測量是非常脆弱的。這些誤差還由于油或填充流體體積和隔膜剛度而增加。隔離膜剛度隨著直徑的減小而增加，因此較小的隔離膜易于產(chǎn)生更大的誤差。為了解決這種誤差，在高溫遠(yuǎn)程密封的情況下通常使用大的隔離膜。
[0017]圖1A為本發(fā)明的各實(shí)施方式特別適用的過程流體壓力變送器的示意圖。變送器10包括過程流體端口 12，其構(gòu)造為容納螺紋入口，以輸送到那里的過程流體。變送器10還包括隔離系統(tǒng)14，其在圖1B中被更詳細(xì)地示出。隔離系統(tǒng)14構(gòu)造為與存在于端口 12處的過程流體直接接觸，并將壓力施加至填充流體，如娃油，或從Michigan州米德蘭市的DowCorning公司購買到的DC200，其將壓力傳遞至圖1A中以虛線圖示的壓力傳感器16。壓力傳感器16產(chǎn)生由變送器電子組件18感測的電信號或特性。變送器電子組件18還構(gòu)造為基于傳感器信號計算過程流體壓力，并在過程通信回路(示意性地圖示為電線20)上傳輸計算出的過程流體壓力。
[0018]過程流體壓力變送器10為諸如表壓或絕對壓力變送器之類的單入口過程流體壓力變送器的例子。本發(fā)明的各實(shí)施方式特別使用的其它示例性的過程流體壓力變送器包括壓差變送器。本質(zhì)上，無論何時隔離系統(tǒng)用來采用填充流體將過程流體與壓力傳感器物理隔離，都可以采用本發(fā)明的實(shí)施方式。因此，即使在遠(yuǎn)程密封應(yīng)用中，也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0019]圖1B為隔離系統(tǒng)14的示意圖。隔離系統(tǒng)14包括支撐基底30，其優(yōu)選是圓柱形的，且具有約3/4英寸的直徑。用于支撐基底30結(jié)構(gòu)的常規(guī)材料是316型不銹鋼。隔離裝置隔膜32優(yōu)選是圓形的并圍繞其周邊34焊接至支撐基底30。隔離裝置隔膜32通常包括至少一個盤旋結(jié)構(gòu)36，并且通常約千分之一英寸(0.001英寸)厚。而且，隔離裝置隔膜32通常由與支撐基底30相同的材料形成。因此，隔離裝置隔膜32也通常由316型不銹鋼構(gòu)造。如圖1B所示，過程流體在隔離裝置隔膜32的外表面上施加壓力，該壓力傳遞至隔離膜32后面的且在通道40內(nèi)的填充流體38。通道40 —直向上延伸至壓力傳感器16，在那里由傳感器16測量填充流體38的壓力。
[0020]圖2圖示了隔離系統(tǒng)對溫度升高的響應(yīng)。具體地，當(dāng)溫度增加時，支撐基底和隔離裝置隔膜的直徑都隨著它們的熱膨脹系數(shù)而增加。此外，靠近隔離裝置隔膜的填充流體還通過薄的金屬隔膜經(jīng)由傳導(dǎo)而暴露至升高的溫度，并且其膨脹。因此，當(dāng)溫度增加時，隔膜從圖示50的實(shí)線移向圖示52的虛線。如可理解，當(dāng)隔膜暴露至熱的過程流體時，填充流體膨脹，使隔膜伸展。在如隔離剛度圖表所示(圖3A)從第一溫度移動至升高的第二溫度的過程中，這引起背壓的增加。如果溫度持續(xù)增加，則在隔膜中產(chǎn)生徑向張力，這增加了背壓。最終，當(dāng)超過極限時隔膜會永久變形。溫度升高時的隔離膜剛度實(shí)質(zhì)上是相同的，因為隔離裝置安裝在與該隔離裝置具有近似相同的熱膨脹的基底材料上。
[0021]本發(fā)明的實(shí)施方式大體上產(chǎn)生一種系統(tǒng)，其中一些填充流體的熱膨脹由隔離裝置隔膜的張力減小而逆向平衡?？梢詫?shí)施這種系統(tǒng)的一種方式是選擇用于隔離膜和支撐/基底構(gòu)件的材料，使得隔離裝置隔膜具有比它沿周邊連接到其上的支撐/基底構(gòu)件高的熱膨脹系數(shù)。因此，當(dāng)溫度增加時，隔離膜相對于它連接到其上的基底構(gòu)件擴(kuò)大。這種熱誘