用于使用填充管进行压力测量的方法和设备的制作方法

专利名称：用于使用填充管进行压力测量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程中的压力测量。更具体地，本发明涉及使用填充管对压力进行测量。
背景技术：
工业过程用于制造和运输多种类型的材料。在这种系统中，通常需要测量过程中的不同类型的压力。经常要测量的一类压力是差压，该差压是过程中的一个点与过程中的另一个点之间的压差。例如，含有过程流体流的管中的孔板两端的差压与流体的流量有关。 差压还可以用于例如测量槽或其它容器中的过程流体的高度。在这种工业过程中，压力传感器通常容纳在压力变送器或耦合到压力变送器，所述压力变送器位于远位置处并将压力信息发回到诸如控制室的中央位置。传输经常发生在过程控制回路上。例如，通常使用两线过程控制回路，在该两线过程控制回路中，双线用于将信息以及动力传送给发射器。还可能使用无线通信技术。此外，在许多过程安装中，理想的是测量过程的绝对压力或表压力，这里被称作为 “管路压力”。该信息由于在流动计算中包括过程流体的密度变化而可以用于例如提供更加准确的流动测量值。通常，附加压力测量需要耦合过程流体的另外的压力传感器。例如，可以设置包括管路压力传感器的另外的压力变送器，并且该压力变送器耦合到两线过程控制回路。

发明内容
压力传感器包括被布置成耦合到过程压力的填充管。传感器耦合到填充管并被构造成测量填充管中的流体的压力，所述填充管中的流体的压力为填充管的物理性质的变化的函数。


图1显示根据本发明构造而成的具有过程变送器的过程测量系统；图2是图1的变送器的示意图；图3显示图1的过程变送器的一部分的横截面图；图4是显示在一个示例性结构中的管路压力测量的简图；图5是图4中的结构的一部分的放大图；图6是显示磁致伸缩与镍的百分数的曲线图；图7是显示了图4中所示的结构的简化示意图；图8是显示了图4中所示的结构的简化示意图；图9是频率与压力的曲线图；图10是磁感变化与应力的曲线图；图11是电感随应力的变化相对于所施加的偏磁场的曲线图12A和12B是根据本发明的管路压力传感器的简图；图13是根据图12A和12B的示意图；图14A和14B是显示另一个示例性实施例的简图；图15是根据图14A和14B的示意图；图16是显示对于双线圈设计来说基于所施加的管路压力的电压变化的曲线图；图17是显示对于单个线圈设计来说基于所施加的管路压力的电压变化的曲线图；图18是显示其中波登管用于测量管路压力的结构的简图；图19是本发明的实施例的被构造成使用石英传感器测量管路压力的横截面图；图20是显示传感器上的应力的图；图20A是使用石英晶体的压力传感器的侧视平面图；图20B是使用石英晶体的压力传感器的侧视横截面图；图20C是使用石英晶体的压力传感器的前视平面图传感器；图20D是使用石英晶体的压力传感器的侧视平面图；图20E是使用石英晶体的压力传感器的立体图；图21是使用音叉结构的其它示例性实施例的侧视横截面图；图22k是浮动管的侧视横截面图；图22B是被布置成测量差压的石英传感器的侧视图；图23是用于测量差压的压力测量系统的侧视横截面图；以及图M是用于测量差压的压力测量系统的侧视横截面图。
具体实施例方式在一个实施例中，本发明提供一种用于确定差压测量结构中的管路压力的设备和方法。更具体地，一方面，本发明监测用于将差压传感器耦合到过程流体的毛细管的变形。 这些变形与过程流体的管路压力有关。在其它实施例中，本发明提供用于基于容器的变形测量压力的技术。在另一个实施例中，本发明提供一种用于测量管路压力的传感器。图1大致显示过程测量系统32的环境。图1显示含有压力下的流体的耦合到用于测量过程压力的过程测量系统32的过程管道30。过程测量系统32包括耦合到管道30 的脉冲管道34。脉冲管道34耦合到过程压力变送器36。诸如孔板、文丘里管、流动喷嘴等的主元件33在脉冲管道34的管子之间接触过程管道30中的位置处的过程流体。当流体流动通过主元件33时，主元件33使该流体产生压力变化。变送器36是通过脉冲管道34接收过程压力的过程量测装置。变送器36感测差动过程压力并将该压力转换成为过程压力的函数的标准化传输信号。过程回路38从控制室40将动力信号提供给变送器36并提供双向通信，并且可以根据多种过程通信协议被构造而成。在所述的示例中，过程回路38是两线回路。两线回路用于在正常操作期间以4-20mA信号将所有动力和所有通信都发送给变送器36和从变送器 36发送所有动力和所有通信。计算机42或通过调制解调器44或其它网络接口的其它信息处理系统用于与变送器36进行通信。远程电源46为变送器36提供电力。在另一个示例性结构中，回路38是无线连接装置，在该无线连接装置中可以在不需要在变送器36与控制
5室40之间延伸的线的情况下发送和/或接收数据。在其它示例性实施例中，使用无线通信协议通过无线的方式发送和/或接收数据。图2是压力变送器36的简化方框图。压力变送器36包括通过数据线66耦合在一起的传感器模块52和电子设备板72。传感器模块电子设备60耦合到接收施加的差压 M的差压传感器56。数据连接装置58将传感器56耦合到模数转换器62。任选的温度传感器63还与传感器模块存储器64 —起被示出。电子设备板72包括微型计算机系统74、电子设备存储模块76、数模信号转换装置78和数字通信块80。此外，图2中还示出了用于将差压传感器56耦合到过程流体M的毛细管或“填充”管93和94。隔离膜片90接收来自过程流体M的压力，所述压力以响应的方式被施加到毛细管93和94中被输送的填充流体。通过该填充流体，工业过程的压力被施加到差压传感器56。根据本发明，变形传感器98耦合到毛细管93并被布置成监测毛细管93的变形。 这些变形与工业过程的管路压力有关，并且传感器98将输出信号提供给模数转换器62或提供给管路压力测量线路99。一方面，可以使用响应于管的变形的任意类型的传感器。线路99可以是独立线路，或者在一些结构中，线路99可以被包含在用于测量差压的其它线路中。例如，用于监测各种传感器的一些部件或所有部件可以是共用部件。图3是本发明的一个实施例的显示了变形传感器98的简化横截面图。如上所述， 压力传感器56通过隔离膜片90耦合到过程流体，所述隔离膜片隔离过程流体与空腔92。 空腔92通过脉冲管道93和94耦合到压力传感器模块56。大致不可压缩的填充流体填充空腔92以及脉冲管道93和94。当来自过程流体的压力施加到膜片90时，所述压力被传递给压力传感器56的空腔132和134中的多个部分。压力传感器56由两个半压力传感器114和116形成并填充有优选地脆性的大致不可压缩的材料105。膜片106悬在形成在传感器56中的空腔132、134内。空腔132、134 的外壁支承电极146、144、148和150。这些电极通常可以被称作为主要电极144和148、以及辅助或次级电极146和150。这些电极相对于可移动膜片106形成电容器。电容器又可以被称作为主要电容器和辅助电容器。如图3中所示，传感器56中的各种电极通过电连接装置103、104、108和110耦合到模数转换器62。另外，可偏转膜片106通过连接装置109耦合到模数传感器模块电子设备 60。2001 年 10 月 2 日授予 Rosemount Inc.的题目为“PROCESS PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITHIMPROVED ERROR COMPENSATION” 的美国专利 No. 6，295，875 中说明了用于测
量差压的技术。变形传感器98可以具有各种结构。以下说明用于测量变形的多个示例性技术。然而，在广义方面，本发明不局限于这些具体技术，而是可以采用用于测量变形的任意技术， 包括在这里没有具体论述的技术。来自过程流体的管路压力使毛细管93改变形状。例如，增加的管路压力可以使毛细管93膨胀。类似地，增加的管路压力可以在毛细管93中产生任意弯曲以使毛细管变得更平直。毛细管的这些或其它变形可以被监测或以其它方式被测量并与过程流体的管路压力相关。图4是本发明的一个示例性实施例的简化横截面图150。在图4的结构中，毛细管或填充管的磁致伸缩特性用于测量管的变形，这是传感器主体的一个实例。例如，如果填充管由镍铁合金制成，则该管将呈现磁致伸缩特性并且将在存在磁场的情况下产生尺寸变化。这也提供了一种互惠响应，使得如果金属受到应变，则以与所施加的应变成正比例地产生磁感变化。磁致伸缩特性可以用于产生将使镍铁合金以被控制的方式振动的共振器 (即，振荡器)。所述振动是填充管的尺寸和该填充管的特性的函数。因此，频率将根据管的环境的变化而变化。通过监测共振器的频率，可以确定金属的物理状态。除了测量压力之外，磁致伸缩特性也与温度有关，并且可以用于提供温度测量。在图4的结构中，差压传感器148分别通过毛细管156和158将过程流体耦合到隔离膜片152和154。毛细管156、158的平直部分160和162分别提供并可以用作填充管以使毛细管填充有填充流体。这些部分可以是独立管或与管156、158—体形成。虽然这些部分被显示为独立管，但是这些部分可以与管156、158形成为单个管。部分162包括被构造成测量填充管的变形的变形传感器170。图5是图4中所示的变形传感器170的更加详细的视图。如图5中所示，驱动线圈190耦合到部分162并例如从图2中所示的线路99接收控制信号输入。驱动线圈190 以期望的频率被驱动，并在磁致伸缩材料162中感应磁通量。这导致在部分162中产生振动运动198。通常，永磁体(未示出)靠近填充管和线圈定位以将管偏压到有利的磁操作方式。感测线圈192邻近部分162布置并被构造成感测管的磁感变化。该感测线圈192提供输出。例如，可以将这种输出提供给图2中所示的线路99。节点止动件(node stop) 194 也耦合到部分162并提供刚性支架，所述刚性支架被构造成反映由于当振荡开始时在管部分162内发生的振动198而产生的纵波。对于具体应用来说可以根据设计约束使用任意适当的磁致伸缩材料。图6是在不同百分数的磁场饱和水平下长度的百分数变化与镍在铁中的百分数的曲线图，并且显示了磁致伸缩是如何根据镍在铁中的百分数变化的。Ni-Span具有大约42%的镍，并且在存在磁场的情况下长度增加。图7是更加详细地显示变形传感器170的操作的简图。如图7所示，驱动线圈190 被成型为电感L1和电阻I u。电流I1流入到驱动线圈190中，并且在驱动线圈190两端产生电压义。感测线圈192类似地作为电感L2和电阻I^2被示出，且具有相应的电流I2和电压V2。在感测线圈192两端应用调谐电容器C2。管部分162的长度被示出为λ。在操作期间，管部分162将以由以下公式给出的基本频率纵向振动fι —............................... . J.......................*........... ^^ 1
4λ V其中g、E、λ和ρ分别是重力加速度常数、管的杨氏模量，管162的长度和密度。 通过设置生成磁场的驱动线圈190，与传感线圈192 —起可以构造正反馈振荡器。图7中示意性地显示了驱动线圈和传感器线圈。如果共振管在一端封闭使得可以将压力施加在相对端(靠近节点止动件194)上，则管将作为压力传感器操作，在所述压力传感器中，传感器输出是振荡频率&并且作为所施加的压力的函数而变化。当压力变化时，振荡频率由于Ε、 λ和P的有效值的变化而偏移。驱动线圈和感测线圈作为电感器1^和L2以及DC电阻RL1 和RL2被示出。与感测线圈192并联的调谐电容器C2形成LC振荡线路并可以选择以具有接近共振器的基本频率的共振频率的共振频率。优选地，LC线路将确保在启动时产生适当的频率。一旦金属开始共振，这将控制线路，使得共振频率表征管振荡而不是表征自激振荡 LC线路。图8是使用大开环增益运算放大器200的示例性共振器线路的简图。线圈190、192 被布置成使得在接近管的共振频率时发生180度相位移，从而保持持续振荡。在一个示例中，测试装置被构造成类似于图7所示的结构。频率发生器耦合到驱动线圈190，并且示波器耦合到感测线圈192。通过扫掠驱动频率，可以得到管的共振频率。然后对管加压并确定新的共振频率。这样，可以绘制频率随所施加的压力的变化的变化。图9是频率与压力的曲线图，并且显示了通过由合金52构造而成的压力传感器获得的实际数据。合金52是52% 的镍和48%的铁。管被焊接到压力配件中，并且相对端被焊死(welde shut)。管没有被硬化，并且可以通过焊接工艺稍微进行退火。在该实例中，管壁也比需要承受的过压要厚。如果较薄，则传感器对压力的灵敏度增加。尽管具有这些缺点，但是也能够容易地看到频率随压力的变化。传感器的极限压力分辨率是可能来自管组件的Q因子的函数。为了保持大Q 因子，管应该被适当地硬化。图9中的实例提出了大约0. 065Hz/PSI的每PSI频率变化。具有为1000Q因子和在51，OOOHz中心的共振频率的传感器将具有大约0. 025Hz (0. 4PSI)的可能分辨率。2500的Q因子将具有0. 004Hz的可能频率分辨率。2500的Q因子将允许管路压力分辨率大约为0. 06PSI。如这里所述，本发明不局限于用于测量变形的这些具体技术。本发明的另一个示例性实施例采用例如镍铁合金的应力相关磁导率。当将镍铁合金受到应变时，该材料的磁导率发生变化。该特性被称为维拉利效应。如果合金通过固定磁场(H)被磁性偏压，则根据以下公式限定产生的磁感(B)B= μ。μ KH公式 2其中，μ。是真空磁导率，而μ ^是合金的相对磁导率。根据公式2，μ κ的任意变化将导致磁感B的变化。图10是对于固定磁场H来说磁感的变化与所施加的应力的曲线图。要注意的是B场对所施加的应力的变化的灵敏度是所施加的磁场H的函数。此外，材料的滞后特性取决于磁场强度，且在越高的磁场强度处产生最低的迟滞。图11是显示电感随应力(ο是所施加的应力)的变化与所施加的偏磁场H的曲线图。如图11中所示，具有磁偏点，在该磁偏点处，迟滞最小，并且对所施加的应力的灵敏度最大。以上磁特性可以用于检测所施加的压力。例如，可以使用具有与成比例的感应系数的线圈测量B场的变化。图12Α和12Β显示了被布置成使用该现象检测压力的传感器170的示例性结构。图12Α和12Β中类似于图4和图5中的元件的元件保持相同的附图标记。在该结构中，管162可以包括例如Ni Span合金52或镍。拾波线圈200和驱动线圈 202包围管162并通过夹子204固定在适当的位置。偏磁体206也使用夹子204安装。线圈止动件210相对于管162将线圈保持在适当的位置。在操作期间，偏磁体206提供固定偏磁场H，使用驱动线圈202关于所述固定偏磁场调节磁场。使用拾波线圈200测量产生的 B场，并且使所述B场与施加的压力有关。图13是来自图12B的被构造成用于进行电测量的传感器170的示意图。在操作期间，AC信号发生器220将交变信号施加到驱动线圈202。使用感测线圈200感测产生的 B场。使用仪表222测量信号的大小，并且使所述信号的大小与管162的磁导率有关，并因此随施加的压力P变化。如上所述，可以通过诸如图3中所示的线路执行对AC信号发生器
8220和在感测线圈中产生的信号的感测的控制。图14A和14B是显示传感器170的另一个结构的示意图，在其它图中使用的元件的附图标记保持一致。在图14A和14B的结构中，传感器170被布置为单个线圈230。图 15是显示了用于使用单个驱动线圈230感测B场的示意图。在图15的结构中，AC信号发生器220通过电容器C耦合到线圈230。可以通过使用电压传感器222测量电压的大小来感测B场由于所施加的磁场的变化，所述电压传感器耦合在线圈230的两端。图16是电压传感器222的输出的相对电压变化(作为范围的百分数)与来自诸如图12A、12B和13中所示的双线圈传感器的双线圈传感器的管路压力的曲线图。图17是诸如图14A、14B和15中所示的单个线圈结构的单个线圈结构的类似曲线图。如图16和图 17中所示，感测到的电压与管路压力有关。测量线路可以被设计成随着基于管的电感值的频率而振荡，并因此提供当电感随压力变化时测量压力的装置。此方法与先前所述的方法不同，由此管通过磁致伸缩驱动机构以其纵向共振频率机械振荡。图18显示了根据本发明的变形传感器170的另一种结构。在图18的结构中，填充管(填充管16 中的一个的一部分被构造成为波登管。通过波登管，管的一部分被构造成在特定压力下(例如，零压力)具有图18中由附图标记310表示的弯曲部。当施加压力并最终达到其最大压力时，该部分310则伸直，其中在所述最大压力时，管如图18中的由附图标记312所示为平直的。诸如应变仪或其它传感器的传感器314耦合到波登管以测量该管的变形。将来自传感器314的输出提供给诸如图2中所示的管路压力测量线路。如上所述，任意适当的技术可以用于测量管的变形或管的其它物理性质，包括管的刚度的变化。这些技术包括应变技术、共振的测量及其它。根据本发明可以测量和使用管的随压力变化的任意物理性质。管可以被构造成例如通过改变管的厚度来增强灵敏度。 也可以选择管的几何形状以增强性能并增强传感器信号。如上所述，可以通过测量两个毛细管的物理变化来获得微分测量。在另一个示例中，紧邻测量线路设置波登管，并且所述波登管与图2中所示的测量线路10形成电容。当波登管变形时，电容变化并且可以与施加的压力有关。在另一个示例性实施例中，使用频率调制振动石英传感器来实现压力传感器170。 在一些应用中，由于输出信号的固有数字特性，这可能是优选的。当石英用作传感器材料时，石英提供稳定性极好的偏磁频率和范围。另外，石英具有相对较低稳定的灵敏活动性。 石英晶体的压电特性可以用于提供使用振荡线路持续振动的装置。本发明包括耦合到充油管的非侵入式外部压电传感器。充油管是传感器主体的一个实例，并且本发明不局限于该结构。进一步地，本发明的压力传感器可以单独使用，或者与诸如压力表、绝对压力传感器或差压传感器的另一个压力传感器结合使用。耦合可以在内部或外部。填充管内的压力改变外部石英结构的共振频率。使用石英共振器测量压力在本领域是公知的。然而，本发明提供一种用于这种测量的非侵入式结构。图19是压力传感器170的横截面图。压力传感器170包括具有密封端402和开口端404的充油管400。管400是传感器主体的一个实例。开口端404被构造成接收来自过程连接装置406的压力M。过程隔离膜片408隔离过程流体与充油管400。可以包括例如薄毛细管的油路径410从过程隔离膜片408和管开口 404延伸。整个组件容纳在壳体414 中。
如下所述，石英传感器420(参见图20B)安装到充油管400并具有根据所施加的压力变化的共振。可以通过实验或其它方法确定施加的压力与共振频率之间的关系。充油管400可以被认为是悬臂梁。充油管内的压力比外部压力高。这在管壁内产生应力。管壁响应于所述应力稍微伸展。石英晶体通过任一端部处的两个支架保持与接触，所述支架刚性地连接到管。管壁长度变化在晶体内产生合应力。因此，晶体的共振频率作为施加到管的压力的函数而变化。在简化的线路压力感测线路中，其被构造成使用石英晶体420感测管400内的压力。共振线路耦合到石英晶体420并将频率输出提供给数字转换器。共振线路将使用公知的技术基于从管400施加到石英晶体420的应力以一定频率共振。因此，此频率指示施加的压力。测量线路被构造成将测量的频率转换成压力并提供压力输出。在图20中，当施加应力时，管的长度以如下量变化AL= ε L0 = FL。/AE = σ aL0/E公式 3其中E是杨氏模量，ε是应变，F是力，A是面积，Lo是管的初始长度。管壁中的点处的轴向方向的应力可以表示如下σ a = (piri2-p0r02) / (γ20-γ,2)，其中公式 4Oa=轴向方向的应变Pi=管的内部压力p0 =管的外部压力ri=管的内径r。=管的外径以下限定的圆周应力(周向应力)为轴向应力的大小的两倍。为了增加传感器的灵敏度，晶体束轴线偏离管轴线5度。这是为了拾取管的圆周应力。管壁中的一点处的沿圆周方向的应力1圆周应力)可以表示如下σ c = [ (piri2-p0r02) / (γ02+γ,2) ] + [γ,2γ02 (P0-Pi) /r2 (γ02-γ,2)]，公式 5其中σ。=沿圆周方向的应力，r=当r = ri(内部管)时，到管壁最大应力的点的半径。图20是显示管的多个共振振动模式的图。这些振动模式包括纵向模式、平移模式和剪切模式。平移模式共振频率与长度的平方成反比。这类似于狗尾巴的摆动，并且可以提供对压力变化的相对较低的灵敏度。类似地，剪切共振与长度成反比并由沿管的长度传播的传播波构成。这也对压力变化相对不敏感。纵向共振频率也与长度成反比并类似于诸如管风琴的细长管的共振。进一步地，共振频率还与管刚度除以管质量的比值的平方根成比例。由于增加压力会影响这两项，因此这会产生相对复杂的关系。在一个结构中，AT切割晶体是优选的。此结构使得横过传感器的平面的力使频率变化的振幅类似于或大于由晶体的其它切割产生的频率变化的振幅。AT切割的一个特征是在无应力状态下共振频率不受温度的影响。当晶体被刚性安装时，温度变化将在晶体内产生应力，因此导致共振频率变化。然而，共振频率不会回到当温度仅仅由于不同热膨胀而变化时的额定值。进一步地，具有AT切割的晶体在断裂之前受到大的压缩力，并且为频率关系提供几乎线性力。这种结构还可以使厚度振荡(剪切模式)并且比其它模式中的晶体振荡更加强。此切割还可以非常快速地对应力的阶跃变化进行响应。
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图20A-20E示出了根据一个示例性实施例的包括石英晶体结构420的传感器170 的侧视平面图、横截面图、前视平面图、测试平面图和立体图(其中石英晶体结构420可以是单个支持梁结构或三元组杆结构)。晶体结构420是其中中心杆与两个外梁相对振动的三元组杆结构。此结构可以被夹紧在两端和安装在悬臂管上的整个晶体处。电极被真空沉积在晶体表面上以形成两个上表面电连接和在晶体的下侧的接地面。在图20A-20E中，显示了压力传感器组件418。组件418包括壳体422并耦合到充油管400。在图20B中所示的横截面图中，石英晶体420被示出为安装到具有晶体支架4 和426的管400，所述晶体支架布置在晶体420的相对端部处。如在图20C的平面图中更加清楚地所示，晶体420包括延伸到振动梁部分434的电极430和432，所述振动梁部分限定在两个切掉区域436与 438之间。沿晶体420的后侧设置接地线440(图20D中被示出)。如上所述，石英晶体420的共振频率将作为管400的变形的函数而变化。固定在两端处的矩形梁的基本弯曲共振频率由以下公式给出/。=1.028去聖公式 6
/ M ρ其中g是重力加速度常数，E是长度方向上的杨氏模量，P材料的密度，t是厚度， 1是固定点之间的长度。在图20A-20E所示的结构中，基本频率小于以上所示的基本频率， 这是因为梁被固定在所述梁连接的点之外，并且期望减少fo。当沿梁的长度施加张应力时， 基本频率f由以下公式给出
.2 r2 ^ g/ +^"7^公式 7
4/其中ZEy ^在一个结构中，充油管可以以一定曲率稍微被预先弯曲。在施加全尺
度压力的情况下总梁曲率变化小于0. 0025mm。梁在固定端状态下在垂直平面内振动。偏磁频率通常为40kHz，其中偏磁频率响应于管膨胀而减小。充油管类似于振动隔离系统作用。 管的质量防止振动能耗散，从而产生高振动Q。通过石英晶体的压电特性、涂覆在梁上的电极、和由振荡线路提供的电能的组合来持续梁振动。如图所示，充油管可以是平直的。Q因子与存储的能量与振动系统中每一个周期损失的能量的比值成比例。损失是由于管的与压力成比例的刚度的变化而造成的。图21显示了石英音叉实施例的横截面图。该实施例使用石英晶体音叉450检测充油管400中的压力。石英晶体音叉触觉传感器和机器人手指一起使用来识别物体的物理性质，例如，硬度、柔软度、粗糙度以及平滑度。使用纵模石英晶体音叉识别接触表面下的材料性质。石英晶体450包括具有支撑部分(基部)妨4的振动部分458，所述支撑部分焊接在充油管上。能够在沿X轴的电场的作用下允许石英晶体音叉450沿Y轴振动。石英与基部之间的声阻抗的差将使纵向振动能量从传感器基部径向耗散到管400。平面波通过油传送并通过油被反射回到传感器。能量耗散将使得石英晶体音叉阻抗在共振下增加。因为油的密度随压力变化，因此声能衰减将变化。因此，声阻抗将随压力变化。在特定频率下，石英晶体音叉450阻抗与传感器与油压之间的声阻抗成比例。因此，石英晶体音叉频率变化与管中的油的压力成比例。
从石英晶体音叉基部妨4耗散到管400的能量取决于管400的接触面积，这是因为接触面积是固定的，可以测量阻抗以识别油压，或者可以比较传感器频率与没有压力的管。该结构具有多个优点，包括 尺寸小，从而减少包装成本； 机械部件便宜，包括石英结构； 当测量是非侵入式测量时不需要压力头； 因为信号是基于频率的，因此不需要A/D转换器； 因为温度特征是可预测的，因此温度特征被简化； 没有油移动，从而能够导致较小的膜片和较快的响应时间； 在不同管材料的情况下可以优化不同的范围； 可以制造非常高压力的装置； 小尺寸、低成本以及小功率。可以使用被布置成感测表压力的两个传感器来测量差压。低压侧差动连接到一个传感器，而高压侧差动连接到另一个传感器。电子设备简单地比较两个频率。图22A和22B显示被布置成感测差压的传感器的实例。在图22A中，示出了包括孔板482的管480的横截面图。孔板482产生差压和横过板的流动。该差压与流量有关。 在图22B中，示出了差压484。传感器484包括耦合到压力Pl的第一管486和耦合到压力 P2的第二管488。密封件490将管486和488分离。石英感测元件492耦合到管486，而石英感测元件494耦合到管488。传感器492和494根据上述技术操作。当差压在压力Pl 与P2之间变化时，从传感器492和494的输出将相应地变化。两个输出之间的差与差压 (P1-P2)有关。在图22A和22所示的结构中，管486和488可以被布置成直接耦合到过程流体。在可选的实施例中，隔离膜片与填充流体一起被采用。在其它设计结构中，可以将第二变形传感器施加到第二填充管。使用这种结构，可以提供冗余检验，在该冗余检验中，比较来自两个变形传感器的输出。类似地，可以通过将与变形传感器中的一个相关联的压力减去与另一个变形传感器相关联的压力来获得差压。 虽然这里所述的变形传感器被示出为与毛细管的填充管部分相关联，但是传感器可以沿毛细管的任意适当区域定位，并且不局限于这种结构。在另一个示例性结构中，驱动线圈与毛细管中的一个的相关联，而传感器线圈与另一个毛细管相关联。在这种结构中，除了振荡频率之外，可以通过监测占空比来监测管路压力以及差压。可以使用显示磁致伸缩效应的适当的材料，例如包括Ni-Span、合金52、镍铁合金等。优选地，振荡器被构造成为正反馈振荡
ο图23是被布置成测量差压和管线压力的压力测量系统500的侧视横截面图。使用图23的结构，差压传感器502通过填充管508和510耦合到过程流体。另外的压力传感器 504和506被布置成测量各个管路压力LPl和LP2。这些另外的传感器还可以用于基于两个传感器输出之间的差确定差压。由传感器504和506测量的差压可以用于检查差压传感器502的操作。在另一个示例中，当压力值在压力传感器502的范围之外时，传感器504和 506用于测量差压。诸如以上所述的任意类型的绝对压力传感器可以用于实现传感器504 和 506。图M是根据另一个示例性实施例的压力测量系统500的横截面图。在图M中，元件520和522可以包括如以上所述的管路压力传感器的单独的管路压力传感器。在另一个示例性实施例中，压力管508和510包括显示磁致伸缩特性的金属，并且元件520可以包括驱动线圈，而元件522可以包括传感线圈。在这种结构中，可以使用以上所述的技术使整个差压传感器502振动，并且由感测线圈522感测到的共振频率将是差压的函数。这可以用于提供多余的差压测量。 虽然已经参照优选的实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将认识到在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和细节上进行改变。如这里所使用的， 管路压力是指绝对压力和表压力。
权利要求
1.一种压力传感器，包括差压传感器，所述差压传感器具有第一端口、第二端口和与所述第一端口和第二端口之间的差压有关的输出；第一填充管，所述第一填充管被布置成将所述第一端口耦合到第一过程压力； 第二填充管，所述第二填充管被布置成将所述第二端口耦合到第二过程压力；和压力传感器，所述压力传感器耦合到所述第一管，并被构造成测量所述第一管中填充流体的压力，所述填充流体的压力为所述第一填充管的物理性质的变化的函数。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述物理性质包括所述第一填充管的变形。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述物理性质包括所述第一填充管的刚度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器测量所述第一填充管的磁性能。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述压力传感器被布置成测量所述第一填充管中的振荡。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，振荡频率与管路压力有关。
7.根据权利要求4所述的设备，包括被构造成作为所述磁性能的函数而共振的线路。
8.根据权利要求4所述的设备，包括驱动线圈和感测线圈，所述驱动线圈以期望的频率被驱动，并被布置成在传感器主体内感应磁通量。
9.根据权利要求4所述的设备，其中，所述填充管被构造成由于磁致伸缩效应而机械共振，并且在与施加的过程压力有关的频率下机械共振。
10.根据权利要求7所述的设备，包括节点止动件，所述节点止动件被布置成反映所述传感器主体内的振动。
11.根据权利要求4所述的设备，包括邻近所述填充管的偏磁体，所述偏磁体被构造成施加偏磁场。
12.根据权利要求4所述的设备，其中，所述线路进一步被构造成测量所述填充管的温度，所述填充管的温度为所述磁性能的函数。
13.根据权利要求4所述的设备，其中，所述磁性能包括磁导率。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述传感器主体的磁导率的变化是由于施加的所述过程压力导致的设置在所述传感器主体上的应变的函数。
15.根据权利要求4所述的设备，其中，所述线路被构造成感测由施加的AC磁场产生的B场。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述线路进一步被构造成基于所述磁导率特性在一定频率下振荡。
17.根据权利要求1所述的设备，包括第二压力传感器，所述第二压力传感器耦合到所述第二填充管。
18.根据权利要求17所述的设备，包括测量线路，所述测量线路被布置成根据来自压力传感器和所述第二压力传感器的输出测量差压。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一填充管被构造为波登管。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器包括耦合到所述第一填充管的应变仪。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器包括电容器，所述电容器被布置成具有作为管路压力的函数变化的、关于所述第一填充管的电容。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器还进一步被构造成测量作为所述第一填充管的物理性质的变化的函数的温度。
23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器包括石英元件。
24.—种用于测量工业过程中的压力的方法，包括以下步骤 将第一填充管耦合到所述工业过程以测量第一过程压力； 将第二填充管耦合到所述工业过程以测量第二过程压力；使用耦合到所述第一填充管和所述第二填充管的差压传感器测量差压；以及根据所述第一填充管的物理性质的变化测量所述过程流体的管路压力。
25.根据权利要求M所述的方法，其中，所述物理性质包括所述第一填充管的变形。
26.根据权利要求M所述的方法，其中，所述物理性质包括所述第一填充管的刚度。
27.根据权利要求M所述的方法，其中，所述测量管路压力的步骤包括 测量所述第一填充管的磁性能。
28.根据权利要求27所述的方法，包括以下步骤设置驱动线圈，所述驱动线圈在期望的频率下被驱动并被布置成在填充管主体内感应磁通量。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述填充管被构造成由于所述磁致伸缩效应机械共振并且作为施加的过程压力的函数而机械共振。
30.根据权利要求四所述的方法，其中，所述测量管路压力的步骤包括以下步骤 测量所述第一填充管中的振荡。
31.根据权利要求30所述的方法，包括以下步骤设置节点止动件，所述节点止动件被布置成反映传感器主体内的振动。
全文摘要
一种压力传感器(56)包括被布置成耦合到过程压力的填充管(93)。传感器(98)耦合到填充管(93)并被构造成测量填充管(93)中的流体的压力，所述流体的压力为填充管(93)的物理性质的变化的函数。线路(74)被设置成根据填充管(93)的物理性质的变化测量压力。
文档编号G01L9/16GK102239396SQ200980148272
公开日2011年11月9日 申请日期2009年11月17日 优先权日2008年12月3日
发明者卢良驹, 查尔斯·R·威勒克斯, 罗伯特·C·海德克 申请人:罗斯蒙德公司