專(zhuān)利名稱(chēng)：具有真空電介質(zhì)的電容性表壓傳感器的制作方法
具有真空電介質(zhì)的電容性表壓傳感器
背景技術(shù)：
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如，過(guò)程變量變送器)被用于過(guò)程控制工業(yè)，以遠(yuǎn)程感測(cè)過(guò)程變量。一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或過(guò)程變量變送器包括用于監(jiān)控過(guò)程壓力的電容性壓力傳感器。在這些電容性壓力傳感器了采用了各種電介質(zhì)材料。例如，有時(shí)采用流體填充構(gòu)造，在流體填充構(gòu)造中，使用油或其他流體作為電介質(zhì)材料。在其他構(gòu)造中，期望使用真空作為電介質(zhì)材料。真空電介質(zhì)可以具有較低復(fù)雜度的構(gòu)造，可以降低成本，是非充油式的， 可以更加精確，和/或可以更加穩(wěn)定。然而，由于真空電介質(zhì)構(gòu)造的緣故，典型地，這些傳感器僅測(cè)量絕對(duì)壓力，而不測(cè)量過(guò)程的表壓(例如，相對(duì)于局部壓力(如周?chē)拇髿鈮毫?的過(guò)程壓力)。表壓有時(shí)又稱(chēng)“計(jì)示”壓力。用于測(cè)量過(guò)程的表壓的現(xiàn)有壓力傳感器構(gòu)造采用了大量不同的方式。例如，高壓傳感器被出售為密封封裝，其中內(nèi)置了校準(zhǔn)壓力偏移，用以逼近表壓。其他構(gòu)造添加了第二傳感器用于測(cè)量大氣壓力，并使用電子設(shè)備或軟件來(lái)調(diào)整該測(cè)量壓力，以提供表壓估計(jì)。這增加了壓力傳感器的成本。其他構(gòu)造允許大氣(空氣)變?yōu)殡娊橘|(zhì)材料，這會(huì)導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定性誤差，并會(huì)限制傳感器在腐蝕性環(huán)境中被使用的能力。由于這些嘗試均對(duì)精度、成本、 穩(wěn)定性或可靠性具有不利影響，能夠精確測(cè)量過(guò)程的表壓而不承受這些不利影響的新的壓力傳感器配置將是非常有益的。

發(fā)明內(nèi)容
一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括電容性表壓傳感器，被配置為測(cè)量過(guò)程介質(zhì)的表壓。壓力傳感器的傳感器主體包括第一和第二腔。第二腔處于真空狀態(tài)下并形成壓力傳感器的真空電介質(zhì)。在傳感器主體中形成大氣參考口，并且大氣參考口使第一腔與環(huán)境大氣壓力保持平衡。傳感器的過(guò)程介質(zhì)入口被配置為耦接至過(guò)程介質(zhì)源。傳感器包括位于第二腔和介質(zhì)入口之間的導(dǎo)電的可彎曲隔膜。電容性板與隔膜相關(guān)地被部署在第二腔中，從而隔膜的彎曲產(chǎn)生電容的改變?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還包括傳感器電路和變送器電路，所述傳感器電路產(chǎn)生傳感器信號(hào)，所述傳感器信號(hào)指示過(guò)程介質(zhì)的表壓，以及所述變送器電路通過(guò)過(guò)程通信環(huán)發(fā)送與傳感器信號(hào)有關(guān)的信息。


圖1是包括所公開(kāi)的構(gòu)思和實(shí)施例在內(nèi)的過(guò)程表壓變送器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的概略視圖。圖2是圖1中所示的變送器的一部分的概略視圖。圖3是圖1中所示的變送器的一部分的概略視圖，示出了響應(yīng)于過(guò)程壓力、改變了電容性板電極和傳感隔膜之間間隙的傳感隔膜彎曲。圖4是示出了作為過(guò)程壓力的函數(shù)的、圖3所示的電容性板電極和傳感隔膜之間間隙的曲線圖。圖5是圖1中所示的變送器的第二實(shí)施例的概略視圖，其中，在傳感器主體中形成排出口。圖6是圖1中所示的變送器的第三實(shí)施例的概略視圖，其中，提供了排出管。
具體實(shí)施例方式所公開(kāi)的實(shí)施例解決了測(cè)量過(guò)程的表壓的現(xiàn)有電容性壓力傳感器配置的困難。表壓以環(huán)境空氣壓力為零基準(zhǔn)。換言之，過(guò)程的表壓等于從過(guò)程中測(cè)量的絕對(duì)壓力減去周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)的大氣壓力。所公開(kāi)的實(shí)施例在不使用輔助大氣壓力傳感器的情況下提供了對(duì)表壓的測(cè)量，同時(shí)仍使用真空電介質(zhì)以降低溫度不穩(wěn)定性和/或提供相對(duì)于現(xiàn)有電容性表壓傳感器設(shè)計(jì)的其他優(yōu)勢(shì)。圖1示出了示例電容性表壓變送器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備100，使用了該電容性表壓變送器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備100的所公開(kāi)的實(shí)施例是有用的。圖2更詳細(xì)地示出了壓力變送器100的一部分。一般地，壓力變送器100包括耦接至傳感器主體110的變送器主體105。變送器主體 105作為電子設(shè)備外殼，容納變送器的處理和通信電路。傳感器主體110中形成有主腔111。主腔111包括第一和第二部分112和113，第一和第二部分112和113本身是形成在傳感器主體內(nèi)的第一和第二腔。傳感器主體110容納有根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的電容性表壓傳感器。可選地，變送器主體105和傳感器主體110 可以形成為完整的儀器。傳感器主體110被配置為耦接至過(guò)程容器或通道，以測(cè)量過(guò)程流體或介質(zhì)120的表壓。在示例實(shí)施例中，傳感器主體Iio具有或被耦接至配件115，配件115提供對(duì)過(guò)程介質(zhì)120的源的訪問(wèn)。配件115與入口 125相鄰，入口 125中置有傳感隔膜130，從而過(guò)程介質(zhì)與傳感隔膜接觸。傳感隔膜130是導(dǎo)電的可彎曲隔膜，部署在第二部分或腔113和過(guò)程介質(zhì)入口 125之間。此外，絕緣體主體135在傳感器主體110內(nèi)，絕緣體主體135可以是例如陶瓷絕緣體。絕緣體150可以是玻璃金屬頭材料，將傳感器主體密封，在傳感器主體中形成腔112和 113。與導(dǎo)電的可彎曲隔膜130相對(duì)地，將一個(gè)或多個(gè)電容性板或金屬電極140部署在第二腔113中的絕緣體主體135上，從而隔膜的彎曲產(chǎn)生電極140和隔膜130間電容的改變。 在示例實(shí)施例中，金屬電極是環(huán)。電容或電容的改變能夠與過(guò)程介質(zhì)120的表壓相關(guān)聯(lián)，因而指示過(guò)程介質(zhì)的表壓?？梢詫⒌团蛎泬|片145置于絕緣體主體135和導(dǎo)電的可彎曲隔膜 130之間，以利于隔膜130在受到過(guò)程介質(zhì)120的壓力時(shí)和響應(yīng)于大氣壓力的彎曲。此時(shí)參照?qǐng)D3，圖3示出了變送器100的一部分的概略示意，示出了在來(lái)自過(guò)程介質(zhì)的壓力下彎曲的隔膜130。由于墊片145與隔膜130保持接觸，電極140和隔膜130間的間隙147增加或減小。圖4繪出了間隙147和過(guò)程表壓間的關(guān)系的示例。隨著過(guò)程表壓使隔膜彎曲遠(yuǎn)離電極140，電極140和隔膜130間的電容減小。電容改變與圖4中所示的間隙曲線成反比關(guān)系，由于增加的表壓引起較大的間隙因此電容減小。返回參照?qǐng)D1，示出了銷(xiāo)(pin) 155，銷(xiāo)155提供至電極140的電連接。銷(xiāo)155可以貫穿絕緣體135。在所示的實(shí)施例中，柔性導(dǎo)線160電連接在銷(xiāo)155和電極導(dǎo)線165之間。 電極導(dǎo)線165電耦接至傳感器電路185。耦接至電容性表壓傳感器的傳感器電路185(即， 通過(guò)至電極140和傳感器主體的連接)被配置為基于電容性表壓傳感器的電容，產(chǎn)生傳感器信號(hào)186。由于傳感器的電容指示過(guò)程介質(zhì)的表壓，傳感器信號(hào)指示過(guò)程介質(zhì)的表壓。變送器電路190耦接至傳感器電路185。變送器電路190包括通信電路，用于通過(guò)過(guò)程通信環(huán)195發(fā)送與傳感器信號(hào)有關(guān)的信息。如圖所示，傳感器電路185和變送器電路190可以裝在變送器主體或電子設(shè)備外殼105中。在所公開(kāi)的實(shí)施例中，壓力變送器100能夠測(cè)量過(guò)程介質(zhì)120的表壓，同時(shí)仍利用真空電介質(zhì)并獲得其優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，電容性表壓傳感器包括部署在主腔111中的薄環(huán)形隔膜170。薄環(huán)形隔膜170可以是箔材料，如，環(huán)繞絕緣體主體135周界的沖壓墊圈。薄環(huán)形隔膜170的示例材料包括金屬，如不銹鋼?？梢曰跓崤蛎泴傩?，并且根據(jù)要如何將薄環(huán)形隔膜連接在絕緣體主體135和傳感器主體110之間，來(lái)選擇用于薄環(huán)形隔膜170的特殊材料。薄環(huán)形隔膜170必須比導(dǎo)電的可彎曲隔膜130更加柔軟。在示例實(shí)施例中，將薄環(huán)形隔膜170銅焊或電阻縫焊(RSW)至絕緣體主體135和傳感器主體110，絕緣體主體135和傳感器主體110均可由陶瓷材料制成。在要連接薄環(huán)形隔膜170的區(qū)域，可以將陶瓷材料金屬化。如圖1可見(jiàn)，薄環(huán)形隔膜170和絕緣體主體135 —起將主腔111分離為兩個(gè)較小的腔或腔部分112和113。第二腔113保持在真空狀態(tài)下，從而形成壓力傳感器的真空電介質(zhì)175。在傳感器主體110中形成大氣參考口 180，并且大氣參考口 180貫穿傳感器主體 110，以使第一腔保持于環(huán)境大氣壓力PATM。通過(guò)包括大氣參考口，將傳感器主體的第一腔 112中的壓力與變送器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的傳感器主體周?chē)?外部)的環(huán)境大氣壓力PATM保持平衡，可以執(zhí)行對(duì)過(guò)程介質(zhì)120的真實(shí)表壓測(cè)量。在其他實(shí)施例中，第一腔112和變送器100 周?chē)闹車(chē)h(huán)境之間可以存在微小的壓力變化，但第一腔112的壓力保持為與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境大氣壓力密切或緊密相關(guān)。所公開(kāi)的實(shí)施例的設(shè)計(jì)允許環(huán)境大氣壓力經(jīng)由絕緣體135和墊片145推壓導(dǎo)電的可彎曲傳感隔膜130。因此，隔膜130充當(dāng)壓力的求和點(diǎn)，一側(cè)是大氣壓力，另一側(cè)是過(guò)程壓力。作為結(jié)果，可以測(cè)量真實(shí)表壓，同時(shí)保持使用真空電介質(zhì)的能力。這可以有助于實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性、限制濕度對(duì)電介質(zhì)屬性的影響、并允許變送器被用于惡劣的大氣環(huán)境?？梢允褂枚喾N不同的技術(shù)和設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)造具有真空電介質(zhì)的變送器。例如，已知允許在真空下將組件焊接在一起的連接技術(shù)。當(dāng)在真空下將薄環(huán)形隔膜170附接至絕緣體 135和傳感器主體110時(shí)，在變送器脫離真空之后，真空電介質(zhì)175得以保持。使用另一技術(shù)，使用排出口 205在圖5中所示的變送器200中形成真空電介質(zhì) 175。在傳感器主體110中形成排出口 205，并且排出口 205用于排空第二腔113以形成真空電介質(zhì)。在將氣體從腔113排出后，用永久或可移除材料206填充排出口 205以將腔113 密封并保持真空。在某些實(shí)施例中，材料206可以是塞或其他用于密封(以及可選地開(kāi)啟) 腔113的機(jī)構(gòu)。在其他方面，變送器200可以如參照?qǐng)D1所示的變送器100描述的那樣。下面，參照?qǐng)D6，圖6示出了用于構(gòu)建真空電介質(zhì)175的另一技術(shù)。如圖6所示， 在變送器300中，為此目的，添加了排出管305。在該示例實(shí)施例中，排出管305貫穿第一腔112并進(jìn)入第二腔113，以排空腔113。例如，排出管305可以貫穿絕緣體135。排出管 305還可以以其他方式安排。在排空腔113后，將排出管密封，以保持真空電介質(zhì)。在其他方面，變送器300可以如參照?qǐng)D1所示的變送器100描述的那樣。雖然已參考多個(gè)可選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下在形式和細(xì)節(jié)上做出改變。
權(quán)利要求
1.一種電容性表壓變送器，包括 電容性表壓傳感器，包括傳感器主體，在所述傳感器主體中限定了主腔；薄環(huán)形隔膜，被部署在主腔中，并將所述主腔劃分為第一部分和第二部分，所述第二部分處于真空狀態(tài)下并形成真空電介質(zhì)；大氣參考口，形成于所述傳感器主體中，并使腔的第一部分保持于環(huán)境大氣壓力； 過(guò)程介質(zhì)入口，被配置為耦接至過(guò)程介質(zhì)的源；導(dǎo)電的可彎曲隔膜，被部署在腔的第二部分和所述過(guò)程介質(zhì)入口之間；以及至少一個(gè)電容性板，與隔膜相對(duì)地被部署在腔的第二部分中，從而所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜的彎曲產(chǎn)生在至少一個(gè)電容性板和導(dǎo)電的可彎曲隔膜之間的電容的改變，所述電容指示過(guò)程介質(zhì)的表壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，還包括傳感器電路，電耦接至所述電容性表壓傳感器，以基于所述電容性表壓傳感器的電容來(lái)產(chǎn)生傳感器信號(hào)，所述傳感器信號(hào)指示過(guò)程介質(zhì)的表壓；以及變送器電路，耦接至所述傳感器電路，以通過(guò)過(guò)程通信環(huán)發(fā)送與傳感器信號(hào)有關(guān)的信息ο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，還包括耦接至傳感器主體的電子設(shè)備外殼，所述傳感器電路和變送器電路置于所述電子設(shè)備外殼中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，還包括置于腔的第二部分中的絕緣體主體，所述至少一個(gè)電容性板被部署在絕緣體主體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變送器，還包括置于絕緣體主體和導(dǎo)電的可彎曲隔膜之間的低膨脹墊片，以利于所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜在受到過(guò)程介質(zhì)的壓力時(shí)的彎曲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，還包括形成在傳感器主體中的排出口，用于排空腔的第二部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，還包括貫穿腔的第一部分并進(jìn)入腔的第二部分的排出管，以排空腔的第二部分。
8.一種用于工業(yè)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括電容性表壓傳感器，被配置為測(cè)量過(guò)程介質(zhì)的表壓，所述表壓傳感器包括 傳感器主體，在所述傳感器主體中形成有第一腔和第二腔，所述第二腔處于真空狀態(tài)下，并形成所述表壓傳感器的真空電介質(zhì)；大氣參考口，形成在所述傳感器主體中，并使所述第一腔與所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境大氣壓力保持平衡；過(guò)程介質(zhì)入口，被配置為耦接至過(guò)程介質(zhì)的源；導(dǎo)電的可彎曲隔膜，被部署在所述第二腔和所述過(guò)程介質(zhì)入口之間；以及電容性板，與所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜相隔開(kāi)地被部署在所述第二腔中，從而所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜的彎曲產(chǎn)生電容改變，其中所述電容指示過(guò)程介質(zhì)的表壓；傳感器電路，電耦接至所述表壓傳感器，并被配置為產(chǎn)生傳感器信號(hào)，所述傳感器信號(hào)指示過(guò)程介質(zhì)的表壓；以及變送器電路，耦接至所述傳感器電路，以通過(guò)過(guò)程通信環(huán)發(fā)送與傳感器信號(hào)有關(guān)的信肩、ο
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還包括置于所述傳感器主體中的絕緣體主體，所述電容性板被部署在所述絕緣體主體上；以及薄環(huán)形隔膜，以物理方式耦接在所述絕緣體主體和所述傳感器主體之間，其中，所述絕緣體主體和所述薄環(huán)形隔膜將環(huán)境大氣壓力下的第一腔與提供真空電介質(zhì)的第二腔分開(kāi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還包括置于絕緣體主體和導(dǎo)電的可彎曲隔膜之間的低膨脹墊片，以利于所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜在受到過(guò)程介質(zhì)的壓力時(shí)的彎曲。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還包括耦接至傳感器主體的電子設(shè)備外殼，所述傳感器電路和變送器電路置于所述電子設(shè)備外殼中。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還包括形成在所述傳感器主體中的排出口，用于排空所述第二腔以形成真空電介質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還包括貫穿所述第一腔并進(jìn)入所述第二腔的排出管，用于排空所述第二腔以形成真空電介質(zhì)。
14.一種電容性表壓變送器，包括電容性表壓傳感器，被配置為測(cè)量過(guò)程介質(zhì)的表壓，所述表壓傳感器包括 傳感器主體，在所述傳感器主體中形成有第一腔和第二腔，所述第二腔處于真空狀態(tài)下，并形成表壓傳感器的真空電介質(zhì)；大氣參考口，形成在傳感器主體中，并使所述第一腔與所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境大氣壓力保持相關(guān)；過(guò)程介質(zhì)入口，被配置為耦接至過(guò)程介質(zhì)的源；導(dǎo)電的可彎曲隔膜，被部署在所述第二腔和所述過(guò)程介質(zhì)入口之間；以及金屬電極，與所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜相關(guān)地被部署在所述第二腔中，從而所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜的彎曲產(chǎn)生在所述金屬電極和所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜之間的電容的改變，所述電容指示過(guò)程介質(zhì)的表壓；傳感器電路，電耦接至所述表壓傳感器，并被配置為基于所述金屬電極和所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜間的電容來(lái)產(chǎn)生傳感器信號(hào)；以及變送器電路，耦接至所述傳感器電路，以通過(guò)過(guò)程通信環(huán)發(fā)送與傳感器信號(hào)有關(guān)的信肩、ο
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的變送器，還包括置于所述傳感器主體中的絕緣體，所述金屬電極被部署在所述絕緣體上；以及以物理方式耦接在所述絕緣體和所述傳感器主體之間的薄環(huán)形隔膜，其中，所述絕緣體和所述薄環(huán)形隔膜將所述第一腔與第二腔分開(kāi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的變送器，還包括耦接至傳感器主體的電子設(shè)備外殼，所述傳感器電路和變送器電路置于所述電子設(shè)備外殼中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的變送器，還包括置于所述絕緣體和導(dǎo)電的可彎曲隔膜之間的低膨脹墊片，以利于所述導(dǎo)電的可彎曲隔膜在受到過(guò)程介質(zhì)的壓力時(shí)的彎曲。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變送器，還包括形成在所述傳感器主體中的排出口，用于排空所述第二腔以形成真空電介質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變送器，還包括貫穿所述第一腔并進(jìn)入所述第二腔的排出管，用于排空所述第二腔以形成真空電介質(zhì)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變送器，還包括配件，用于將所述過(guò)程介質(zhì)入口耦接至過(guò)程介質(zhì)的源。
全文摘要
一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(100)，包括電容性表壓傳感器，被配置為測(cè)量過(guò)程介質(zhì)的表壓。壓力傳感器的傳感器主體(110)包括第一和第二腔(112，113)。第二腔(113)處于真空狀態(tài)下并形成壓力傳感器的真空電介質(zhì)。在傳感器主體(110)中形成大氣參考口(180)，并且大氣參考口(180)使第一腔(112)與環(huán)境大氣壓力保持平衡。傳感器的過(guò)程介質(zhì)入口(125)被配置為耦接至過(guò)程介質(zhì)源(120)。傳感器包括位于第二腔(113)和介質(zhì)入口(125)之間的導(dǎo)電的可彎曲隔膜(130)。電容性板(140)與隔膜(130)相關(guān)地被部署在第二腔(113)中，從而隔膜(130)的彎曲產(chǎn)生電容的改變。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(100)還包括傳感器電路(185)和變送器電路(190)，所述傳感器電路產(chǎn)生傳感器信號(hào)，所述變送器電路通過(guò)過(guò)程通信環(huán)(195)發(fā)送與傳感器信號(hào)有關(guān)的信息，所述傳感器信號(hào)指示過(guò)程介質(zhì)(120)的表壓。
文檔編號(hào)G01L9/00GK102356307SQ201080012018
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者戴維·A·布羅登 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司