CN102057265A - 用于过程压力测量的改进的隔离系统 - Google Patents

Abstract

一种过程流体压力变送器(10)，包括压力传感器(16)、变送器电子组件(18)和隔离系统(14)。压力传感器(16)具有随着压力改变的电特性。变送器电子组件连接至压力传感器(16)，用于感测所述电特性并计算压力输出。隔离系统(14)包括基底构件(30)、隔离膜(32)和填充流体(38)。隔离膜(32)安装至基底构件(30)并插入压力传感器(16)和过程流体之间。填充流体(38)位于隔离膜(32)和压力传感器(16)之间。基底构件(30)和隔离膜(32)由不同的材料构造而成，以使隔离膜(32)的热膨胀系数大于基底构件(30)的热膨胀系数。

Description

用于过程压力测量的改进的隔离系统

背景技术

工业过程压力变送器用力测量工业过程流体(如化工、纸浆、石油、天然气、制药、食品和/或其它流体处理设备中的泥浆、液体、蒸汽或气体)的压力。工业过程流体压力变送器通常放置在过程流体附近，或者放置在现场应用中。通常这些现场应用经受严格且变化的环境条件，这对这种变送器的设计人员提出了挑战。

多种过程流体压力变送器中的感测元件通常是电容基的传感器，包括可偏转感测隔膜和两个或多个电容电极。电介质填充流体通常用在电容板和隔膜之间。隔离膜通常与过程流体界面连接并防止过程流体(其有时可以是苛刻的、腐蚀性的、脏的、受污染的或处于极高的温度)与该传感器的元件相互影响。通常，过程流体作用在隔离膜上，使隔离膜偏转，这种偏转移动或移位隔膜后面的填充流体，该填充流体随后相应地移动或移位压力传感器的感测隔膜。压力传感器具有随施加的压力变化的诸如电容之类的电特性，该电特性由过程流体压力变送器内的测量电路测量或确定，产生与过程流体压力相关的输出信号。还可以根据公知的工业标准通信协议对该输出信号进行格式化，并通过过程通信回路将其传输至其它现场设备或控制器。

随着过程流体压力变送器的技术状态的提高，感测技术和精度也改善了。然而，仍然要求这种设备的制造厂商提供具有更严格的精度和准度的设备。因此，提供具有改善的准度和精度的过程流体压力变送器将有利于工业过程测量和控制技术。

发明内容

一种过程流体压力变送器，包括压力传感器、变送器电子组件和隔离系统。压力传感器具有随着压力改变的电特性。变送器电子组件连接至压力传感器，用于感测所述电特性并计算压力输出。隔离系统包括基底构件、隔离膜和填充流体。隔离膜安装至基底构件并插入压力传感器和过程流体之间。填充流体位于隔离膜和压力传感器之间。基底构件和隔离膜由不同的材料构造而成以使隔离膜的热膨胀系数大于基底构件的热膨胀系数。

附图说明

图1A为本发明的各实施方式特别适用的过程流体压力变送器的示意图。

图1B为隔离系统的一部分的示意图。

图2图示了隔离系统对温度升高的响应。

图3A为根据现有技术的隔离装置容积相对隔离膜压力的图表。

图3B为根据本发明实施方式的隔离装置容积相对隔离膜压力的图表。

图4为本发明的实施方式可以实践的过程流体压力测量系统的示意图。

图5为沿着图4中的剖面线A-A截取的横截面示意图，图示了隔离膜和基底。

具体实施方式

本发明的一些方面和实施方式源于对已经困扰隔离系统设计技术的问题的独特理解。具体地，测量诸如蒸汽之类的热的工业流体的工业过程流体压力变送器通常在“恒稳态”和瞬态条件两个情况下展现出较大误差。这些测量误差在采用单隔膜隔离装置测量表压(gauge pressure)或绝对压力的过程流体压力测量变送器中是常见的。此外，这些测量误差还存在于远程密封(remote seal)系统以及压差测量系统中。

当采用单个隔离量表或绝对压力变送器测量非常热的过程流体时，电子组件和温度补偿传感器通常远离弹性金属过程流体隔离膜设置。当在实质上高于典型的工业电子组件可以承受的温度(即，185℉)的过程流体温度下测量时特别如此。在这些设备中，热的过程非常快地加热隔离流体(如硅油或DC200)和隔离装置隔膜。填充流体膨胀，使隔离装置隔膜伸展，隔离装置隔膜产生背压(用作容积应变弹簧)。压力传感器将这种情况测量为误差。这种温度引起的误差不能由热瞬变系统中的“环境”温度修正测量系统完全补偿。

取决于过程流体压力变送器的结构，上述误差即使在系统已经达到热稳定状态时仍然存在。这通常在当在绝对压力或表压测量变送器的情况中连接单个隔膜装置远程密封件时发生。用于与热过程热隔离(具有或不具有毛细管)目的的远程密封件的添加可能具有本质上的测量误差。

上述误差几乎是零基测量误差。然而，跨度(斜率)也受到影响。因为所述误差几乎是零基的，较低的压力测量是非常脆弱的。这些误差还由于油或填充流体体积和隔膜刚度而增加。隔离膜刚度随着直径的减小而增加，因此较小的隔离膜易于产生更大的误差。为了解决这种误差，在高温远程密封的情况下通常使用大的隔离膜。

图1A为本发明的各实施方式特别适用的过程流体压力变送器的示意图。变送器10包括过程流体端口12，其构造为容纳螺纹入口，以输送到那里的过程流体。变送器10还包括隔离系统14，其在图1B中被更详细地示出。隔离系统14构造为与存在于端口12处的过程流体直接接触，并将压力施加至填充流体，如硅油，或从Michigan州米德兰市的Dow Corning公司购买到的DC200，其将压力传递至图1A中以虚线图示的压力传感器16。压力传感器16产生由变送器电子组件18感测的电信号或特性。变送器电子组件18还构造为基于传感器信号计算过程流体压力，并在过程通信回路(示意性地图示为电线20)上传输计算出的过程流体压力。

过程流体压力变送器10为诸如表压或绝对压力变送器之类的单入口过程流体压力变送器的例子。本发明的各实施方式特别使用的其它示例性的过程流体压力变送器包括压差变送器。本质上，无论何时隔离系统用来采用填充流体将过程流体与压力传感器物理隔离，都可以采用本发明的实施方式。因此，即使在远程密封应用中，也可以实现本发明的实施方式。

图1B为隔离系统14的示意图。隔离系统14包括支撑基底30，其优选是圆柱形的，且具有约3/4英寸的直径。用于支撑基底30结构的常规材料是316型不锈钢。隔离装置隔膜32优选是圆形的并围绕其周边34焊接至支撑基底30。隔离装置隔膜32通常包括至少一个盘旋结构36，并且通常约千分之一英寸(0.001英寸)厚。而且，隔离装置隔膜32通常由与支撑基底30相同的材料形成。因此，隔离装置隔膜32也通常由316型不锈钢构造。如图1B所示，过程流体在隔离装置隔膜32的外表面上施加压力，该压力传递至隔离膜32后面的且在通道40内的填充流体38。通道40一直向上延伸至压力传感器16，在那里由传感器16测量填充流体38的压力。

图2图示了隔离系统对温度升高的响应。具体地，当温度增加时，支撑基底和隔离装置隔膜的直径都随着它们的热膨胀系数而增加。此外，靠近隔离装置隔膜的填充流体还通过薄的金属隔膜经由传导而暴露至升高的温度，并且其膨胀。因此，当温度增加时，隔膜从图示50的实线移向图示52的虚线。如可理解，当隔膜暴露至热的过程流体时，填充流体膨胀，使隔膜伸展。在如隔离刚度图表所示(图3A)从第一温度移动至升高的第二温度的过程中，这引起背压的增加。如果温度持续增加，则在隔膜中产生径向张力，这增加了背压。最终，当超过极限时隔膜会永久变形。温度升高时的隔离膜刚度实质上是相同的，因为隔离装置安装在与该隔离装置具有近似相同的热膨胀的基底材料上。

本发明的实施方式大体上产生一种系统，其中一些填充流体的热膨胀由隔离装置隔膜的张力减小而逆向平衡。可以实施这种系统的一种方式是选择用于隔离膜和支撑/基底构件的材料，使得隔离装置隔膜具有比它沿周边连接到其上的支撑/基底构件高的热膨胀系数。因此，当温度增加时，隔离膜相对于它连接到其上的基底构件扩大。这种热诱导扩大使得隔离膜中的张力减小，这抵消了填充流体的热膨胀。

图3A为根据现有技术的隔离装置容积相对隔离膜压力的图表。当温度从参考条件改变至升高条件时，隔离流体体积改变。此外，隔离膜的刚度保持固定。因此，产生压力误差60。

图3B为根据本发明实施方式的隔离装置容积相对隔离膜压力的图表。与图3A相反，如可以看到的那样，当温度从参考条件改变至升高条件时，隔离膜的刚度从实线改变至虚线。此外，当隔离体积流体改变时，隔离膜上的压力保持不变，并且因而不存在热诱导压力误差。因此，如果进行恰当地设计，随着温度的升高，隔离膜比其基底膨胀快。这有效地释放了通过使填充流体膨胀而产生的张力。人们相信，采用恰当的设计，有效效应是基本上可以减少或消除任何温度诱导的隔离系统误差。

根据本发明的一种实施方式，提供了具体的材料的例子。如可以认识到的那样，基底材料、隔离膜材料和隔离膜尺寸和结构的选择可以改变。在这种情况中，隔离膜由316型不锈钢制成。这种材料以17×10^-6/℃的速率膨胀。然而，将基底材料选择为400型系列不锈钢。基底材料以11×10^-6/℃的速率膨胀。高温误差可以以10倍从当前状态减小。虽然这个例子示出了仅6×10^-6/℃的差异，但其它应用可能要求热膨胀系数之间具有更明显的差异。

图4为本发明实施方式可以实现的过程流体压力测量系统的示意图。系统100包括差动过程流体压力变送器102，其通过对应的毛细管线108、110连接至一对远程密封件104、106。每个远程密封件104、106构造为经由其法兰112安装至诸如管道或箱之类的过程流体容器。此外，每个远程密封件包括构造为接触过程流体的隔离膜114。差动过程流体压力变送器102构造为测量由每个远程密封件104、106观测到的压力之间的压力差，并通过过程通信回路提供过程变量输出，如箱中的流体液位。如可以认识到的那样，如果远程密封件104、106安装在箱上的不同垂直水平面处，则压力差与动水压力差相关联，并且因此与箱中的过程流体的液位相关联。

图5为沿着图4中的剖面线A-A截取的横截面视图，图示了隔离膜和基底。远程密封件104包括围绕隔离膜112的基底构件110。基底构件110和隔离膜112优选都是圆形的。而且，隔膜112的周边优选焊接至基底构件110。填充流体114设置在隔离膜112的后面，并通过毛细管108将压力传递至变送器102的压差传感器。根据本发明的实施方式，隔离膜和基底构件110由不同的材料构造而成，使得隔膜112随着温度膨胀至比基底构件110大的程度。

通过减小或消除隔离组件中的热诱导误差，本发明的实施方式提供了更大的准确度。然而，本发明的实施方式还允许测量更高的温度过程(假设填充流体适合高温)。因此，现在可以更好地监测和控制由于过程流体的温度而不能可靠地监测的过程流体压力。

本发明的实施方式在无论何时靠近隔膜(感测或隔离)被加热的油会以不希望的方式影响系统时都是有用的。本发明的实施方式允许在经历加热整个系统或者即使它的一部分的环境温度增加时膨胀，以至少部分地容纳来自该系统的其它部件(如毛细管)的膨胀流体。该系统的其余部分通常保持比隔离装置的冷却高度多的填充流体。

作为另一个例子，由316系列不锈钢形成的具有0.75英寸直径的隔离膜可以与由400系列不锈钢形成的基底联合使用。DC200填充流体可以填充至0.008英寸的初始液位。这形成了约0.00062立方英寸的初始隔离容积。100摄氏度的温度增加使该容器增加约0.0000672立方英寸。实际上，在管子和传感器系统中存在也需要膨胀到隔离装置中的油，因为那里是它唯一可以去的地方。假设采用所有上述参数，则计算结果表明，由于隔离装置和基底之间的膨胀差异约为0.00175立方英寸，因此隔离容积增加。因此，本发明的实施方式可以适用于传感器和/或毛细管内的油的相对真实的膨胀。

虽然已经参照优选实施方式描述本发明，但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，可以在形式和细节方面进行改变。例如，虽然本发明的大部分内容涉及单隔离膜绝对压力或表压过程流体压力变送器，但本发明的实施方式适用于远程密封件以及压差过程流体压力变送器。

Claims (14)

1.一种过程流体压力变送器，包括：

压力传感器，具有随着压力改变的电特性；

变送器电子组件，连接至压力传感器，用于感测所述电特性并计算压力输出；和

隔离系统，包括：

基底构件，

隔离膜，安装至基底构件并插入压力传感器和过程流体之间，

填充流体，位于隔离膜和压力传感器之间，并且

其中基底构件和隔离膜由不同的材料构造而成，并且其中隔离膜的热膨胀系数大于基底构件的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的变送器，其中隔离膜和基底构件的热膨胀系数的差约为6×10^-6/℃。

3.根据权利要求1所述的变送器，其中隔离膜由316型不锈钢构造而成。

4.根据权利要求3所述的变送器，其中基底构件由400型不锈钢构造而成。

5.根据权利要求1所述的变送器，其中填充流体为DC200。

6.根据权利要求1所述的变送器，其中隔离膜和基底构件中的每一个都是圆形的。

7.根据权利要求1所述的变送器，其中变送器为绝对过程流体压力变送器。

8.根据权利要求1所述的变送器，其中变送器为表压过程流体压力变送器。

9.一种用于将过程流体压力传递至过程流体压力变送器的压力传感器的隔离系统，该系统包括：

基底构件；

隔离膜，安装至基底构件并具有第一侧和第二侧，所述第一侧设置为与过程流体接触；

填充流体，靠近隔离膜的所述第二侧设置；并且

其中基底构件和隔离膜由不同的材料构造而成，并且其中隔离膜的热膨胀系数大于基底构件的热膨胀系数。

10.根据权利要求9所述的系统，其中该系统为远程密封系统。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括包含至少一些填充流体的毛细管。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括连接毛细管的压差变送器。

13.根据权利要求12所述的系统，还包括连接至压差变送器的第二远程密封件。

14.一种在不同热条件下测量过程流体压力的方法，该方法包括下述步骤：

将过程流体输送到隔离膜上，以移位隔离膜；

使隔离膜移位以通过填充流体使压力传感器的感测隔膜移位，其中填充流体随着温度的升高而膨胀；以及

利用温度的升高降低隔离膜的张力，以抵消填充流体的至少一部分膨胀。

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