CN101405588B - 高温压力传送器组件 - Google Patents

Abstract

一种用于测量过程流体的压力的压力传送器组件(400)包括构造为联接到过程流体的隔离膜组件(402)。压力传感器(408)被联接到隔离膜组件(402)，并构造为感应压力。隔离膜联接凸缘(420)设置为承载隔离膜组件(402)，并包括切除部(430，432，434)，以提供热隔离。

Description

高温压力传送器组件

技术领域

本发明涉及用于工业过程监视和控制***中的那一类过程控制传送器。更具体地说，本发明涉及在高温环境中测量过程变量的传送器。

背景技术

过程监视与控制***用于工业过程的监视和控制操作。工业过程用于制造生产诸如精制油、药品、纸张、食品等的各种产品。在大型仪器中，为了在期望的参数范围内操作，这些过程必须得到监视和控制。

“传送器”已成为用于描述联接到过程设备并用于感应过程变量的设备的术语。实例过程变量包括压力、温度、流量和其它。通常，传送器位于远端位置(即在“现场”)，并将感应的过程变量发回到位于中央的控制室。包括有线和无线通信的多种技术被用于发送过程变量。一种普通的有线通信技术使用叫做双线过程控制回路的技术，其中单对线既用于传送信息也为传送器供电。一种较好定型的信息传输技术是经过程控制环将当前电流控制在4mA和20mA之间。在4-20mA范围内的电流值能够被映射为过程变量的对应值。其它通信协议包括：

通信协议，其中：数字信号被调制在4-20mA通信流模拟信号的顶部；Fieldbus协议，其中：所有通信通过数字实现；无线协议，等。

一种类型的传送器是压力传送器。通常，压力传送器是任何类型的测量过程的流体压力的传送器(术语流体包括气体和液体及其组合)。压力传送器能够被用于直接测量包括压差、绝对压或表压。此外，使用已知技术，基于两个位置间的过程流体的压差，压力传送器能够被用于测量过程流体的流动。

典型地，压力传送器包括经隔离***联接到过程流体的压力的压力传感器。该隔离***例如可包括：与过程流体物理接触的隔离膜；和在隔离膜和压力传感器之间延伸的隔离填充流体。该填充流体优选地包括诸如油的基本不能压缩的流体。由于过程流体对隔离膜施加压力，所施加压力的变化穿过隔离膜经隔离流体传递，并到达压力传感器。这种隔离***防止了压力传感器的精密部件直接暴露于过程流体。

在一些过程环境中，过程流体会经受相当高的温度。然而，典型的传送器具有250-300°F的最大工作温度。即使在传送器能够经受高温的情况中，极端的温度仍能够导致压力测量的误差。在温度超过压力传送器的最大温度的过程中，传送器本身的位置必须远离过程流体，并使用长的毛细管联接到过程流体。毛线管能够长许多英尺，并且在管中运送隔离流体。该管的一端经隔离膜安装到过程流体，管的另一端联接到压力传送器。这种长的毛细管和隔离膜通常称作“远程密封”。

远程密封结构的引入增加了安装的成本和复杂性，并降低了压力测量的准确性。此外，另外的部件提供了另一可能的设备故障源。

发明内容

一种用于测量过程流体的压力的压力传送器组件包括隔离膜组件和压力传感器。隔离膜联接凸缘承载隔离膜组件，并包括切除部，以提供热隔离。

附图说明

图1是显示其中压力传感器与隔离膜组件间隔开以提供热隔离的压力传送器组件的图。

图2是过程传送器偏置组件的横截面图。

图3是包括传送器偏置组件的压力传送器组件的横截面图。

图4是压力传送器组件的另一实施例的横截面图。

图5是根据另一实施例的压力传送器组件的横截面图。

图6A和图6B是显示过程温度对压力传送器组件的部件的影响的曲线。图6A针对现有技术结构，图6B针对根据本发明的结构。

图7是压力传送器组件的横截面图，其显示用于补偿压力传感器的测量的温度传感器的位置。

图8是包括切除部以提供热隔离的另一典型实施例的横截面视图。

具体实施方式

本发明针对用于测量过程流体的过程变量的那一类型的工业传送器，其中过程流体与/或过程环境处于较高温度。利用本发明，压力传感器和传送器电子装置与过程流体间隔开，以实现与过程流体的热隔离。然而，本发明的构造不需要在背景技术部分中讨论的远程密封技术。还能够利用温度补偿。

在诸如制药、生物技术、食品和饮料技术等的加工工业中使用的电子的工业压力传送器通常具有特殊要求。例如，它们经常需要测量极高温度下的过程液体的压力。在两个“批量”加工之间的清洁过程期间，它们经常需要经受极高温度。该清洁过程被称作＂原地清洁＂(CIP)与/或″原地消毒″(SIP)。这些过程将过程界面暴露于超过200℃的温度。此外，期望地，压力测量传送器不仅经历清洁过程，而且还要在清洁过程期间和之后提供最小的误差。这使得下一“批量”尽快地开始。如果在清洁过程期间存在误差，则期望测量设备快速返回其校正参数，且不会在清洁处理后的输出中存在偏差。

传统的工业压力发射器标称地能够经受并且在最高约85℃的温度下运行。然而，超过这个温度，例如由于电子部件的过热，会出现设备的实质误差与/或完全故障。如在背景部分中讨论的，远程密封(辅助填充***，也称作化学密封)能够用于满足高温处理环境的需要。这些密封通常能够经受超过200℃的温度。然而，这种构造具有许多缺点。例如，实际测量误差会与增加的过程温度相关，差不多1-5％。此外，该构造可能导致较差的温度瞬时行为，即大的误差和慢的恢复。在从高温清洁返回到基线工作温度时，这种构造也引入了漂移和非重复性误差。它们也不能精确测量清洁过程期间的压力。

本发明的工业压力传送器提供了在高温过程中和在经历诸如在箱体清洁(CIP和SIP)经受的间歇高温的过程中的改进性能。该构造很适合象在生物技术、药品、食品和饮料加工中使用的卫生方式的压力测量。这种改进包括：提高高加工温度能力和可靠性；减小高加工温度下测量期间的误差；减小从高温返回到正常操作时的误差；和提高在CIP和SIP期间引起的瞬时温度的返回速度。

图1是显示根据本发明的压力传送器组件106的工业过程装置100的简图。过程装置100包括其中包含过程流体104的容器102。该传送器组件106包括将传送器(传送器模块)108安装到容器102的传送器偏置组件110。虽然传送器偏置组件110显示作为分离部件，它可以是与传送器108成整体的部件。偏置组件110包括：隔离膜组件120；导管122；和传送器支架124。该隔离膜组件120包括隔离膜128，其具有面对和接触过程流体104的过程界面侧。隔离腔129限定在隔离膜128后，并与其过程界面侧相对。该毛细管122联接到该腔129，并且该腔129和毛细管122填充有隔离填充流体。这种隔离填充流体是基本不可压缩的液体，诸如油。毛细管122的与隔离膜组件120相对的端部联接到压力传感器130。该压力传感器提供对传送器电路132的输出。该传送器电路132示出为联接到双线过程控制环134。利用电连接138，该压力传感器130被电联接到传送器电子设备132。在一个具体实施例中，电连接138包括柔性电路。

该隔离膜组件120可以是任何构造，并且图1中的膜仅用于说明目的。类似地，导管122、传送器108、压力传感器130和传送器电子设备132能够是任何期望的构造。该导管122无需如图1中所示是直的或管状，并且在可选构造中可以使用任何数目的导管。

该传送器支架124以间隔开的方位将传送器108物理地安装到隔离膜组件122。可以使用任何期望的传送器支架或构造。一个实例支架124是完全包围导管122以使导管122与过程环境隔离的支架。另一实例传送器支架分开容器102和传送器108之间的空间以产生挡板，以减小或反射辐射。由偏置组件110提供的过程容器102和传送器108之间的间隙提供了其间的热隔离。热隔离可使用具有良好绝缘属性的材料、通过使用空气间隙或通过其它技术实现。过程容器102和传送器108之间的分离距离可基于对特定装置的期望的热隔离量来选择。在具有特殊的热过程温度的装置或者使用包括对极端温度特别敏感的电子设备或其它部件的传送器的装置，可以使用增加的间隔。不同于在现有技术中使用的远程密封构造，使用用于将压力传送器安装到过程容器的传统技术，本发明的压力传送器组件106提供了能够被安装到过程容器102的整体组件。

图2是根据另一实例实施例的过程传送器偏置组件150的横截面图。组件150包括具有隔离膜154的隔离膜组件152，隔离膜154形成腔157。压力导管156从空腔157延伸到压力传感器模块158。在图2的构造中，通风压力导管170也从传感器模块158延伸到通风端口172和隔离膜组件152。填充流体导管176设置用于将填充流体填充入导管156。传送器支架160围绕导管156和170，并支撑压力传感器模块158。在图2的构造中，传送器支架160具有管状形状，然而，可以使用任何形状。该管160可以由任何适合的材料形成。在一个具体实施例中，该管160由相当薄的高温塑料壁形成。使用灌封混合物180，该压力传感器模块158被安装在支架160中。空气间隙182提供了隔离膜组件152和压力传感器模块158之间的热隔离。电连接190联接到未在图2中示出的传送器电子设备。该电连接190例如可包括柔性电路。该压力传感器模块158可包括温度传感器(在下面详细描述)，用于补偿压力传感器测量值。灌封材料180提供了模块158的支撑结构，并可用于满足内在的安全要求。该空气间隙182可填充有任何期望的材料，并且例如可构成基本真空。

图3是根据另一实例实施例的压力传感器传送器组件200的横截面图。在图3的实施例中，压力传送器202经偏置组件204联接到隔离膜组件206。在这种构造中，偏置组件204包括沿焊缝208被焊接到隔离膜组件206的不锈钢外壳207。在所示实施例中，外壳207具有管状形状，并提供了传送器支架。

传送器202包括传送器外壳210和盖212。在图3的构造中，该外壳210与管状不锈钢外壳207连续。传送器电子装置220经柔性电路222联接到压力传感器234。压力传感器234经填充流体导管236联接到隔离膜组件206。该传送器电子装置220经馈通228联接到接线板230。现场布线引入线232被设置在外壳210中，用于连接到接线板230。

图4是根据另一实例实施例的压力传送器组件300的横截面图。压力传送器组件300包括压力传送器302，其被联接到包括隔离膜组件306的偏置组件304。偏置组件304包括在焊缝310处联接到隔离膜组件306的传送器支架308。支架308沿焊缝312联接到传送器主体320。在传送器主体320内承载的传送器电路322经柔性电缆324联接到压力传感器332。压力传感器332经填充流体导管334联接到隔离膜组件306。电路322经柔性电缆328联接到连接头326。该头326能够为两线过程控制环或其它数据接口提供连接。

图5是根据另一实例实施例的传送器组件350的横截面图。传送器350包括具有联接到隔离膜组件356的整体传送器偏置支架354的传送器外壳352。压力传送器的压力传感器358包括压力端口360。导管370从压力端口360延伸到隔离膜组件356。可选的温度传感器372被显示安装在压力传感器358上。传送器电子电路374电联接到压力传感器358，并能够经现场布线端口376联接到现场布线(图5中未示出)。整体传送器偏置支架354的内部提供了能够填充气体、真空或绝缘材料的隔离或绝缘空间，以提供期望的热隔离。实例绝缘材料包括RTV(室温硫化)、泡沫或其它材料。这种配置可以与超过200℃的温度下的过程流体工作，同时将压力传感器358和传送器电子装置374保持在冷得多的温度，例如85℃以下的温度。

图6A是显示处理温度对具有典型的现有技术构造的压力传送器的不同部件的影响的曲线；图6B是显示对根据本发明的一个实例实施例的传送器组件的温度影响的曲线。图6A显示了作为上限的一定百分数的零偏移的过程温度和不同部件的测量温度的曲线。该曲线显示了当压力传送器暴露于一定范围的过程温度时，多种部件的温度。连接器温度的曲线显示了最陡的增加，因为它最接近该过程。然而，当过程流体在200℃时，紧邻压力传感器的PRT温度传感器也基本上升到120℃。甚至传送器电子电路显示增加到超过80℃。随着过程温度的增加，可在压力传送器的零读数上看到这些温度变化的影响。作为对比，如图6B所示，当过程温度增加到200℃，压力传感器温度仅到达约65℃。图6B中的其它线显示了过程传送器的其它区域的温度，包括外壳的内部顶部区域、内部空气(间隙)区域、内部底部和颈部。也显示了随着温度的增加作为量程的一定百分比的零偏置。

如上所述，在本发明的另一方面中，温度传感器能够与温度隔离一起用于提供温度补偿。图7是显示传送器350中的温度传感器的实例位置的图5的压力传送器的横截面图。温度传感器380位于隔离膜组件中；温度传感器382沿传送器支架结构定位；温度传感器384位置邻近压力传感器；和温度传感器386被安装在传送器电子装置上。这些温度传感器380-386被电联接到传送器350中的电路，并用于对传送器提供的压力相关输出的提供温度补偿。每个温度传感器380-386能够用于补偿对压力输出的不同温度的影响。虽然显示了4个不同的温度传感器，在本发明中，在期望的位置处可以使用任何数目的温度传感器。温度传感器能够被用于动态补偿与其联接的相关子***。特殊的补偿特征可以通过压力传送器***的度量衡英制(imperial)的测试或模型以及推理来确定，并可用于减小瞬时误差。该温度传感器可放置在传送器内的位置以提供补偿，所述补偿与由于传感器附近的部件的温度变化的引起的误差的相对值成比例。

图8是根据另一实例实施例的压力传送器组件400的另一横截面图。在图8的配置中，隔离膜组件402包括隔离膜404和406。经毛细管(导管)410和412，隔离膜402和406分别联接到压力传感器408。压力传感器408为测量电路414提供电输出，所述测量电路414提供传送器输出连接器416。

在图8的结构中，膜组件402由通常由不锈钢形成的隔离膜联接凸缘420支撑。联接凸缘420被构造以联接到过程凸缘(未显示)和具有密封件422的密封隔膜404和406。隔离膜联接凸缘420包括切除部430，432和434。切除部430，432和434提供与过程流体和过程凸缘(未显示)的热隔离。可以使用任何数目的切除部和结构。然而，剩余结构应为特定应用提供充分的强度。在一个实例中，切除部填满空气。然而，该切除部可以包含任何类型的材料，包括具有低热传导性的材料。在所示结构中，切除部432完全延伸经过隔离膜联接凸缘420。在另一结构中，密封切除部可包括基本真空。

该隔离膜联接凸缘420可以由单独的部件形成，或可以与传送器外壳440整体形成。在一种结构中，隔离膜联接凸缘包括诸如不锈钢的金属。切除部430，432和434可以使用任何适合的技术形成。实例包括诸如机械加工或通过模制过程的材料去除过程。除了提供热隔离，图8中所示的结构能够减小传送器组件400的重量。

本发明提供了一种用于将压力传送器与高温过程连接隔离的技术。一体压力传送器组件包括结构为从隔离膜组件隔开的压力传送器。这种构造使电路和压力传感器在更低的温度操作，同时过程连接可在230℃或更高的温度。该模块结构使本发明可在广阔的应用范围中实现，并允许使用简单和低成本组装技术，同时使备品的要求最低。该热隔离可以通过改变支架结构中使用的材料与/或加长支架结构得以提高。根据已知技术，温度传感器可用于补偿测量的过程变量。然而，除了在压力传感器附近放置用于补偿的温度传感器，在一个实例实施例中，温度传感器被放置在隔离膜组件附近。该压力传感器能够被用于测量表压、绝对压和压差。温度传感器可被设置在用于温度补偿的电子电路板上。利用用于补偿温度变化的热导性材料，该温度传感器能够被热联接到压力传感器。

尽管参考优选实施描述了本发明，但本领域中的技术工作人员将会意识到：在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。能够使用任意类型的隔离膜组件，并且本发明并不局限于这里特别列出的那些。类似地，可以使用其它压力传送器构造。该隔离填充流体可以是任何类型的构造或形状。根据需要可以使用任意类型的压力传感器、隔离膜或传送器电子装置。本发明使用的压力传送器组件中使用的压力传送器模块可以具有一种构造，非排他的，其典型地包括传送器电子装置与/或压力传感器。在一个实施例中，隔离膜与压力传感器之间的间隙超过约1.3英寸。在另一实例实施例中，从隔离膜到压力传感器测量的热导性小于约1W/m K。该传送器支架结构可以由安装到传送器组件模块与/或隔离膜组件的单独的部件形成，或它可以是与压力传送器模块与/或隔离膜组件整体形成的部件。根据期望，该压力传感器可以位于传送器模块、传送器支架或在其它位置。

Claims (20)

1.一种用于测量过程流体的压力的压力传送器组件，包括：

压力传感器；

隔离膜组件，其包括构造为沿过程界面侧联接到过程流体的隔离膜，并且限定与该过程接口侧相对的隔离腔；

导管，其从由隔离膜限定的隔离腔延伸到压力传感器，并被构造为运送隔离填充流体，从而将施加到隔离膜的压力传送到压力传感器，以及

隔离膜联接凸缘，其构造为承载隔离膜组件，隔离膜联接凸缘具有切除部，以提供热隔离，

其中：所述切除部被热隔离材料填充。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：所述切除部通过材料去除过程形成。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：所述切除部通过模制过程形成。

4.根据权利要求1所述的装置，包括多个切除部。

5.根据权利要求1所述的装置，其中：所述隔离膜联接凸缘具有一侧面和承载隔离膜组件的联接面，所述切除部形成在隔离膜联接凸缘的所述侧面。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：所述切除部延伸通过隔离膜联接凸缘。

7.根据权利要求1所述的装置，其中：所述切除部被嵌入隔离膜联接凸缘中。

8.根据权利要求1所述的装置，包括第二隔离膜组件和第二导管，其中所述切除部位于所述导管之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：所述隔离膜组件位于隔离膜联接凸缘的端部上的平面中。

10.根据权利要求9所述的装置，包括第二隔离膜组件，其大致位于与第一隔离膜组件相同的平面上。

11.根据权利要求1所述的装置，包括传送器支架，其将传送器模块联接到隔离膜联接凸缘，并提供其间的热隔离。

12.一种制造用于联接到高温过程流体的压力传送器的方法，包括：

提供压力传感器；

提供隔离膜组件，所述隔离膜组件包括构造为联接到过程流体的隔离膜；

提供隔离膜联接凸缘，用于承载隔离膜组件；以及

在隔离膜联接凸缘中提供切除部，以提供热隔离；

用热隔离材料填充切除部。

13.根据权利要求12所述的方法，包括通过材料去除过程形成切除部。

14.根据权利要求12所述的方法，包括通过模制过程形成切除部。

15.根据权利要求12所述的方法，包括提供多个切除部。

16.根据权利要求12所述的方法，其中：所述切除部被嵌入隔离膜联接凸缘中。

17.根据权利要求12所述的方法，包括提供第二隔离膜组件和第二导管，其中所述切除部位于所述导管之间。

18.根据权利要求12所述的方法，其中：所述隔离膜组件位于隔离膜联接凸缘的端部上的平面中。

19.根据权利要求18所述的方法，包括提供第二隔离膜组件，其大致位于与第一隔离膜组件相同的平面上。

20.根据权利要求12所述的装置，其中：所述隔离膜联接凸缘具有一侧面和承载隔离膜组件的联接面，所述切除部形成在隔离膜联接凸缘的所述侧面。

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