專利名稱：用于感測過程流體的壓力的壓力傳感器和過程控制變送器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中使用類型的壓力變送器。更具體地，本實用新型涉及一種在壓力變送器中使用的壓力傳感器。
背景技術：
壓力變送器在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中用于監(jiān)測過程流體的壓力。壓力變送器包括連接到過程流體并提供響應過程流體施加的壓力的輸出的壓力傳感器。一種眾所周知類型的壓力變送器為可從Chanhassen，Minnesota的Rosemount股份有限公司獲得的Model 3051 變送器。例如，在美國專利第5，094，109號中也顯示了壓力變送器。在測量壓差的許多設備中，還常常需要獲得管路壓力測量值(即，管或管道中的過程流體的壓力)。例如，管路壓力可以用于確定過程流體的質(zhì)量流或者用于其它控制應用。然而，當除了壓差測量之外還需要管路壓力測量時，典型地需要另外的壓力傳感器。該另外的壓力傳感器需要額外的部件并連接到過程流體。這些額外部件導致增加了復雜性和費用，并且增加出現(xiàn)故障的可能性。進一步地，許多壓力感測技術通過隔離結構連接到過程流體，所述隔離結構使用暴露于過程流體的隔離膜片和將壓力傳感器連接到隔離膜片的隔離填充流體。該隔離結構可能潛在性地成為過程裝置中的誤差、復雜性和潛在故障的來源。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的旨在消除或至少減少現(xiàn)有技術的上述一個或多個缺陷，提供一種用于感測過程流體的壓力的壓力傳感器，傳感器主體變形時，膜片的諧振頻率改變，提供測量諧振頻率，可以確定所施加的壓力，從而避免過程裝置中的誤差、復雜性和潛在故障。根據(jù)本實用新型的一方面，提供了一種用于感測過程流體的壓力的壓力傳感器， 包括可變形傳感器主體，所述可變形傳感器主體被暴露到所述過程流體的壓力，其中所述傳感器主體響應于所述壓力而變形；膜片，所述膜片通過所述傳感器主體被懸掛，并且具有響應于所述傳感器主體的變形而變化的張力，其特征在于，所述壓力傳感器還包括諧振頻率傳感器，所述諧振頻率傳感器感測所述膜片的諧振頻率，所述諧振頻率指示所述過程流體的壓力。膜片的諧振頻率被測量。測量的諧振頻率指示管路過程流體的壓力和隔離填充流體系統(tǒng)的完整性。除測量諧振頻率之外，振動模式本身可以用作用于評定傳感器健康狀態(tài)(health)的診斷工具。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種過程控制變送器，該過程控制變送器包括連接到根據(jù)本實用新型的第一方面所述的壓力傳感器的變送器電路。

圖1是根據(jù)本實用新型的壓力傳感器的橫截面立體圖；圖2是從施加到圖1的傳感器的壓力口的壓力的結果顯示圖1的壓力傳感器的橫截面圖；圖3是包括聲源的壓力傳感器的橫截面圖；圖4是包括根據(jù)本實用新型的壓力傳感器的過程變量變送器的橫截面圖；以及圖5A-5F顯示根據(jù)本實用新型的中心膜片的示例性諧振模式。
具體實施方式
本實用新型涉及在工業(yè)過程控制系統(tǒng)的壓力變送器中使用類型的壓力傳感器。對于本實用新型，壓力傳感器被設置成包括可變形傳感器主體。膜片安裝到傳感器主體。當主體變形時，膜片的諧振頻率改變。諧振頻率可以被測量，并且可以確定所施加的壓力。圖1為根據(jù)本實用新型的一個實施例的壓差傳感器10的立體橫截面圖。壓力傳感器10為壓差傳感器結構的一個實例，并且包括延伸通過傳感器主體23的壓力連接器沈。 傳感器主體由半單元46和48形成，并且包括金屬和玻璃合成物。傳感器10內(nèi)的空腔25 承載填充流體?？梢苿幽て?6橫過空腔25延伸并被構造成響應施加的壓差而移動。電極 (電容器極板)20A和20B被布置在傳感器10的空腔25中。連接到電極20和膜片16的電連接裝置40用于測量電極20與膜片16之間的電容。該電容隨著膜片響應施加的壓力移動而變化，并且可用于確定施加的壓差。該壓差測量值可以用于確定管或管道中的流量。根據(jù)本實用新型，諧振聲換能器96 (圖3中所示)連接到壓力傳感器10的可變形壓力傳感器主體23，并且被構造成使膜片16諧振，所述膜片的頻率響應于過程流體的管路壓力變化。電極20A和20B可以用作諧振拾取器并在下面更詳細地說明。當壓差通過壓力連接器沈施加到傳感器主體23時，除膜片16的運動之外，傳感器主體23的整體形狀還響應于管路壓力變化。傳感器主體的這種形狀變形將改變膜片16 的諧振頻率。膜片的諧振頻率可以根據(jù)任何適當?shù)募夹g來測量。例如，聲換能器(源)可以用于使膜片16諧振。接著可以通過測量電極20A和20B與膜片16之間的電容的變化來發(fā)送膜片的諧振頻率。以下方程式用于推算預加應力膜的諧振頻率J-^r (方程式 1) 2 \ pA其中fn=膜的固有頻率(Hz)λ u =基于根據(jù)波節(jié)半徑⑴和波節(jié)直徑(j)的諧振模式的常量σ =中心膜片的張力(psi)ρ =與質(zhì)量體積和重力成函數(shù)的膜材料特性(lb-s7ln4)A =諧振膜的有效面積方程式1描述了可以用于通過測量使膜片諧振的頻率計算中心膜片張力的關系。 簡化方程式1顯示為/n V^ (方程式 2)所述方程式指出中心膜片的諧振頻率與中心膜片16的張力的平方根成比例。圖2為顯示傳感器10的主體響應于從過程流體施加的管路壓力的變形的傳感器 10的簡化橫截面圖?？涨簧疃软憫谑┘拥膲毫Χ黾樱瑥亩鴮е掳雴卧?6和48完全向內(nèi)偏轉。這導致中心膜片16的張力(應力)減小。如圖2所示，空腔深度(Ztl)隨著管路壓力的增加而增加(ΔΖ)。所述偏轉遵循胡克定律并與管路壓力P成正比，即Z = Z0+kzP (方程式 3)其中kz為管路壓力與空腔深度之間的比例的彈簧常數(shù)。類似地，傳感器在中心膜片(CD)處的半徑(r)由于施加的管路壓力而縮小(△!·)。該偏轉與管路壓力(ρ)成線性關系r = r0-krP (方程式 4)其中&為管路壓力與徑向變化之間的比例的彈簧常數(shù)。由于此，CD應力也為管路壓力的線性函數(shù)σ = o0-koP (方程式 5)其中k。為管路壓力與中心膜片應力之間的比例的彈簧常數(shù)。由于CD應力為雙
向，因此應變可以如下轉換成應力 _
權利要求1.一種用于感測過程流體的壓力的壓力傳感器，包括可變形傳感器主體，所述可變形傳感器主體被暴露到所述過程流體的壓力，其中所述傳感器主體響應于所述壓力而變形；膜片，所述膜片通過所述傳感器主體被懸掛，并且具有響應于所述傳感器主體的變形而變化的張力；其特征在于，所述壓力傳感器還包括諧振頻率傳感器，所述諧振頻率傳感器感測所述膜片的諧振頻率，所述諧振頻率指示所述過程流體的壓力。
2.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述可變形傳感器主體包括玻璃及金屬傳感器主體。
3.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述諧振頻率傳感器包括聲源。
4.根據(jù)權利要求3所述的壓力傳感器，其特征在于，所述諧振頻率傳感器還包括電容器極板，所述電容器極板被定位成緊鄰所述膜片，所述電容器極板具有響應于所述膜片的偏轉而改變的電容。
5.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于包括溫度傳感器，并且其中所述膜片的諧振根據(jù)感測到的溫度被補償。
6.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜片被構造成響應于施加的壓力偏轉。
7.根據(jù)權利要求6所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜片被構造成響應于施加到所述膜片的壓差偏轉。
8.根據(jù)權利要求7所述的壓力傳感器，包括電極，所述電極被定位成緊鄰所述膜片；和測量電路，所述測量電路被構造成根據(jù)所述電極與所述膜片之間的電容的變化測量所述壓差。
9.根據(jù)權利要求8所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜片的諧振根據(jù)所述電極與所述膜片之間的電容通過所述測量電路來感測。
10.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述壓力傳感器通過隔離流體連接到過程流體。
11.一種過程控制變送器，其特征在于，包括連接到根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器的變送器電路。
12.根據(jù)權利要求11所述的過程控制變送器，其特征在于，所述變送器電路被構造成根據(jù)所述膜片的諧振頻率確定管路壓力。
專利摘要本實用新型公開了一種用于感測過程流體的壓力的壓力傳感器，所述壓力傳感器包括被暴露到過程流體的壓力的傳感器主體。傳感器主體響應于所述壓力變形。從傳感器主體懸掛的膜片具有響應于傳感器主體的變形而改變的張力。膜片的諧振頻率被測量。測量的諧振頻率指示過程流體的管路壓力和隔離填充流體系統(tǒng)的完整性。除測量諧振頻率之外，振動模式本身可以用作用于評定傳感器健康狀態(tài)的診斷工具。
文檔編號G01L13/02GK202204632SQ20112009463
公開日2012年4月25日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權日2010年3月30日
發(fā)明者安德魯·J·克洛辛斯基, 查爾斯·R·威勒克斯 申請人:羅斯蒙德公司