CN101449139B - 用于压力变送器的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种压力传感器(58)包括响应于施加的压力(P)形变的结构(54)。光源(60)对准该结构。这提供了来自所述结构的反射。传感器(62)被布置用以感测所述反射并且提供与所述施加的压力(P)相关的输出(66)。

Description

用于压力变送器的压力传感器
技术领域
本发明涉及过程控制工业。更具体地，本发明涉及在压力变送器中的压力传感器。
背景技术
在过程应用中，压力变送器测量过程的压力并且响应地通过两线式过程应用回路传达信息，所述回路例如是4-20mA电流回路。在变送器中的压力传感器通常包括某一类型的压力响应结构，该结构具有响应于施加的压力而移动的可挠曲的隔膜。可应用这些结构测量绝对压力和差压。这里使用的术语“差压传感器”是一种在相对宽的绝对压力范围内测量相对小的压差(例如跨越流量管的管口或在充满流体的容器的两个不同高度之间产生的压差)的传感器。在现有技术的典型的变送器中，为了测量差压，两个不同的压力施加至所述结构的两个相对侧面上，从而在所述结构中引起可以被测量的相对的形变。例如，通过电阻应变仪等的电阻变化测量由于承载在所述结构上的电容器板的移动导致的电容的变化，可实现所述形变的测量。
高精确度的绝对压力传感器是一直被期望的。采用两个分离的绝对压力传感器在机械上比机械耦合两个压力至差压传感器简单很多，因此用两个分离的绝对压力传感器测量差压也可能是更被期望的。此外，在这样的差压传感器中过压力条件可能损坏所述差压传感器。然而，一直以来很难获得具有充分精确度的绝对压力传感器，以允许在器件中测量在0.4psi(磅/平方英尺)至40psi范围内的差压，所述器件必须耐受静态的或线压力极限高达4000psia(绝对压强)。例如，0.01％的4psid需要0.00001％的4000psia(10-7或0.1ppm)。
在过程应用中使用的已知的典型的压力传感器具有在感测压力灵敏度上的单元至单元(unit-to-unit)的变化以及对诸如温度的外部参数的不希望的响应的单元至单元的变化。当两个绝对或计示压力传感器的输出被结合以提供代表差压的输出时，或当所述传感器在一个大的压力范围上使用时，这可能是一个特殊的问题。此外，与安装所述传感器至所述压力变送器相关的机械应力可能导致在压力测量上的相对大的误差。
在转让给Rosemount公司的由Sittler等发明的题目为“用于压力变送器的压力传感器”并于2002年11月26日授权的美国专利6484585中描述了另一种类型的压力传感器。Sittler等的专利描述了由脆性材料制成的一种不同类型的压力传感器。电容板由所述材料形成并且响应于施加的压力，所述电容板之间的间距发生变化。这引起了所述板之间的电容发生变化，该电容可被测量并且与所述施加的压力相关联。
发明内容
一种压力传感器包括响应于施加的压力形变的结构。光源对准所述的结构。这提供了来自所述结构的反射。传感器被布置用以感测所述反射并且提供与所述施加的压力相关的输出。
附图说明
图1是一种过程控制或监视***的简化图；
图2是一种可形变的压敏体的透视图；
图3是用于显示穿过所述可形变的压敏体的反射光的图；
图4是可形变的压敏体的图；
图5是包括可形变的压敏体的压力变送器的图；
图6显示了根据本发明的压力传感器的另一个实施例的配置的平面视图；和
图7显示了根据本发明的压力传感器的另一个实施例的配置的平截面视图。
具体实施方式
在本发明中，提供了一种具有响应于施加的压力发生形变的结构的压力传感器。光对准所述的结构，并且它的反射被观测以及相关联于所述施加的压力。在一些现有技术的配置中，通常使用单频光源，由其产生的反射用于测定隔膜的挠曲(deflection)。然而，在这样的配置中，对于隔膜的多种挠曲，所述反射的频率周期性地重复。因而，不利用一些其他的技术，不可能确定频率的哪一个周期性重复被观测，并且因此不可能测定所述隔膜的挠曲。相反地，在本发明的一个配置中使用多频用以测定由一对基板形成的隔膜构造的挠曲。
图1显示了一种类型的包括过程管道12的工业过程控制或监视***10，其中本发明的压力传感器是可适用的。在这个例子中，显示了连接至管道12的压力变送器14并且通过两线式过程控制回路18提供信号给控制室16。来自变送器14的输出与在过程管道12中输送的过程流体的压力相关。在一些配置中，使用两线式过程控制回路18以发送信号和提供电力给变送器14。回路18能根据任何适合的技术运行，诸如包括4-20mA标准、HART
Figure G2007800186102D0003135703QIETU
通信协议、FieldBus通信协议等的已知标准。此外，所述控制回路可无线运行等。
图2是大致透明或半透明材料的可形变的压敏体50的透视图。例如，可形变的压敏体50可根据转让给Rosemount公司的由Sittler等在美国专利号为6,484,585、题目为“用于压力变送器的压力传感器”中阐述的技术制备，其于2002年11月26日授权，通过引用这篇文献的全文将其并入本文中。例如，可形变的压敏体50可由蓝宝石、硅、红宝石、石英、金刚石形成，并且其可包括单晶材料。体50包括形成于其中的空腔52。随着施加压力P于体50，空腔52的内壁54之间的间距变化。
例如，体50可由两个或多个脆性材料的基板形成，其通过在压力下将所述基板放置在一起和可选择性地施加热能熔融结合在一起。这种构造降低了在体50中的缺陷的数量，并且改善了在所述间距d的变化和施加的压力P之间的关系的可重复性。
图3是显示本发明操作的可形变体50的横截面视图。在图3中，通过使用光源60和分光计62形成压力传感器58。元件62可以是包含CCD探测传感器的任何适合的探测器。光源60被配置以朝向体50引导光束64。光束64的一部分64A在壁54和空腔52之间的一个界面上反射，而第二部分64B在空腔52和壁54之间的另一个界面上反射。传感器62被定位以接收包括反射的部分64A和64B的光束64。所述反射的部分64A和64B引起了在它们之间的干涉，该干涉对某一波长是相长的或是破坏性的。所述干涉是在空腔52的两壁54之间的间距d的一个函数。由于所述间距d随着施加的压力P的变化而变化，因此来自分光计62的输出66可与所述施加的压力P相关联。
在一个配置中，空腔52包括诸如油的流体。随着所述间距d的变化，所述油膜的厚度同时变化。采用反射光谱，所述反射光的颜色变化可通过传感器62被感测到并且与所述施加的压力P相关联。在这样的配置中，随着所述间距d的减小，提供用于接收容纳在空腔52中的油的贮存器55(reservoir)。类似地，随着间距d的增加，贮存器55供给油用以填充所述增加的容量。用于填充空腔52的流体应该能吸收一些光，因而允许所述反射光谱观测在距离d上的变化。
在另一个配置中，例如所述空腔52可包括在被观测的反射光之间的相长的/破坏性的干涉中的真空。通过使用干涉测量，使用带有诸如图3中显示的光栅57的衍射(defraction)光栅的分光计监视所述反射光。所述光栅可以是在所述分光计62中的部件。如果不使用分光计，例如通过使用一维CCD探测器，那么可使用外部的光栅。传感器62可以包括线性的CCD。所述光栅57提供了具有改变的强度水平的干扰(disbursed)图案。通过所述反射光的干涉造成改变的强度水平。对于多种压力重复这些图案。在通常采用衍射光栅的现有技术中，每一次使用所述***或如果失去电力(停电)，所述压力传感器58必须被重新特征化。然而，一方面，本发明包括诸如存储器104(参见图5)的存储器，其被配置以储存跨越一定压力范围的反射光的光谱特性。因而，当***失去电力时，所述压力传感器不需要最初的再校准。
所述光源60可以是任何适合的光源，例如包括激光器。所述光束64可以是任何合适的形式并且不需要是相干光。另外，所述光不需要是可见光并且可以是任何合适的波长的电磁辐射。类似地，所述传感器62可以是优选对光束64灵敏的任何合适的传感技术，例如一维线性CCD阵列。将光谱的图像投影到一维线性CCD阵列62上。通过A/D变换器100(参见图5)将相应于所述压力的数据传送给存储器104。当压力变化时，空腔长度d变化并且光谱发生变化。通过由控制器103执行的与在存储器104内储存的数据对比，探测所述压力的变化。如果存储器104包括非易失性存储器104，甚至停电时，所述***仍然将压力数据和光谱数据保持在存储器104中。
图4是包括压力传感器58的压力传感器模块70的一个实施例的横截面视图。压力传感器模块70包括充满隔离流体74的密封壳体72。所述体50使用例如支撑件悬浮在所述流体中，或可以被安装在光纤80上。例如，隔离流体可以是油或类似物，其基本上是不可压缩的。隔离隔膜76在壳体72的开口上延伸以使得施加至隔离隔膜76的施加的压力P跨越隔膜76传送至隔离流体74。因此隔离流体74施加所述压力P给体50。
在图4中，显示了体50具有两个部分：扁平部分50A和蚀刻部分50B。例如，所述部分50A和50B通过使用熔融结合被结合在一起以形成所述空腔52。光纤80延伸至壳体72中，并且有一个对准体50的尖端。光纤80将光束64(参见图3)从光源/传感器60/62耦合至体50。在图4中示出的配置中，光源60和传感器62作为单个部件示出。
在一些压力传感器的配置中，传感器主体的管芯必须延伸至传感器封装体的外部，从而将所述传感电容器与所述体形成电连接。这需要相对大的密封装置围绕所述传感器主体的管芯延伸。此外，一些传感器具有矩形横截面，其产生了尖角，这是难以密封的。可用黄铜制备这样的密封装置。然而，黄铜可施加大的力给所述传感器管芯，并因此在测量中引入不准确性。
优选地，所述光纤80具有圆形的横截面，并且因此不具有任何尖角。例如，所述光纤可以是直径为125μm量级的，因而只需要周长为0.015英寸以密封所述光纤80进入壳体72的地方。所述密封装置81(参见在图4中的改变)可采用包括蒸(braising)或其他技术的任何合适的技术形成。隔离隔膜76可以是金属薄层并且可采用在压力变送器的制造中已知的技术制备。尽管两个实施例显示了与过程流体隔离的传感器主体50，可以理解其他的实施例可提供将传感器直接接触过程流体。
提供输出66至过程电子设备82。注意到如果光束64包括单频，可被准确感测的最大挠曲距离d被限制于该单频的一个波长。这是因为对于大于一个波长的挠曲干涉图案会重复，并且所述过程电子设备82不能区别所述重复图案。然而，如果在光束64中使用多频，那么会产生更加复杂的图案。所述更加复杂的图案可被映射至体50的间距d的挠曲并且该挠曲大于一个波长，从而允许用于所述压力传感器58的扩大了的操作范围。在这样的配置中，光源60包括多频光源。在一个例子中，所述光源扫描过大约250nm至大约700nm的范围并且可观测所述反射光的强度。所述强度图案可以被特征化并且与所述施加的压力相关联。在一个配置中，由于这种频率扫描可能花几秒钟，所述扫描只是间歇性地被执行。一旦采用反射光谱技术测定所述施加的压力，通过使用单频可连续监视所述压力。如上面讨论的，当使用单频时，不可能知道许多个挠曲位置中的哪一个引起了反射光。这是因为反射光周期性地重复。例如，所述反射光可能对基板之间的多个间距呈现同样的颜色，例如在2500埃、4000埃、8500埃以及12000埃的间距上。所述反射光的频率对于这些间距中的每一个是同样的。然而，通过周期性地使用多频技术以测定实际的挠曲，单频技术可被应用于更加迅速地更新所述压力测定中。如果单频测量技术显示在隔膜之间的挠曲正在快速变化，可周期性地或更加频繁地重复所述多频技术。
图5是连接至过程管道12和包括压力传感器模块70的变送器14的简化图。在图5的配置中，提供来自光源/传感器60/62的所述输出66给模拟至数字转化器100。提供来自模拟至数字转化器100的输出给控制器102，该控制器102可包括例如微处理器或类似物。控制器102根据储存在存储器104中的程序指令运行，并且提供输出106给输入/输出电路108。所述输出106相关联于所述施加的压力P。I/O电路108耦合至两线式控制回路18并且被配置以传送与所述施加的压力P相关联的输出。在一些配置中，I/O108包括可应用于变送器14的功率电路的功率输出。
优选地，所述传感器主体由至少一部分透明材料形成，以使得所述光能进入所述材料并被反射。
图6显示了本发明的另一个实施例的配置120，其中所述压力传感器通过直接耦合光纤122至可形变传感器主体124形成。所述光纤122包括覆盖层123和芯125。所述可形变传感器主体优选地包括结合至光纤122的端部的透明脆性材料。在这个配置中，上述讨论的第一和第二层由传感器物体124的层126和在光纤122的所述端部设置的面128形成。在一种特定的配置中，所述主体124可包括直接密封结合至光纤122的尖端的蚀刻的蓝宝石晶片。
图7显示了本发明的另一个实施例的配置，其中所述可形变传感器主体124通过使用薄蓝宝石隔膜130形成，该蓝宝石隔膜130被熔融至在中心形成有孔131的薄蓝宝石圆盘129上。蓝宝石圆盘129提供了在薄蓝宝石隔膜130的表面和光纤122的端部之间的间隔体。注意到所述隔膜130和圆盘129能是任何合适的构形并且不限于此处讨论的圆形的构形。所述圆盘129被熔融至蓝宝石纤维122上。任何合适的材料可以被使用，包括石英，并且所述纤维可以包括标准光纤。这种构形允许在厚度、平行的取向和所述隔膜的表面光洁度上的改善了的控制。这也更容易地允许隔膜和光纤的尖端更接***行。所述孔或间隙131也更容易地被控制和制备。所述隔膜130本身可以是如期望的那样被分离地制备。
一方面，本发明涉及肥皂泡或在水上的薄油膜上发生的已知的效果。这个效果被用来测定薄膜的厚度。例如，在肥皂泡上可以看到许多颜色，其根据层的厚度变化，例如当肥皂泡被鼓起来时。这些“在薄层上的颜色”是基于干涉现象，即光波的叠加，所述光波在所述层的前面和后面(在不同光学密度的两个边界上)发生反射。
两个反射光线1和2的未受干扰的叠加导致在白光连续光源(例如卤素光谱灯作伪白光光源)的光谱中的周期性的增强和消失。
由于两个光线叠加不是纯粹地相加，发生了所谓的干涉。例如，通过具有耦合器的光导纤维光缆照亮所述传感器，其连接至所述分光计和卤素灯。所述反射的干涉光谱被引导返回至所述分光计，在那里被分析，并计算所述空腔长度d的变化。
尽管参考优选实施描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到：在不偏离本发明的实质和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。如上讨论的，本发明的多频技术用作单频技术的补充而被执行。在这样的配置中，使用多频测量技术以测定所述基板之间的真实距离。使用所述单频技术进行随后的测量。如果所述单频测量技术显示了基板之间的间距正在快速地变化，可以周期性地或更频繁地重复多频测量。使用多频光源来执行本发明所述多频测量技术，在该光源中同时提供多个频率，或使用随时间移动通过一个频率的多频光源。所述频率范围可以是连续的范围或者它是离散的阶段。任何适合的薄膜材料可以被使用，包括油、空气、其它的气体或液体等。本发明包括使用反射光谱以测定光谱的变化(光谱的偏移/移动)，从而测量与压力变化相关联的空腔的变化。

Claims (27)

1.一种压力传感器，包括：
壳体，该壳体填充有隔离流体；
可形变的压敏体，所述可形变的压敏体悬浮于所述隔离流体中，且包括：
第一层；
第二层，该第二层与第一层间隔开，其中，在所述第一层和第二层之间的间距与施加的压力相关联；
填充材料，该填充材料在所述第一层和第二层之间；
光源，该光源对准所述填充材料，从而提供来自所述填充材料的反射；和
光传感器，该光传感器被布置以感测所述反射和基于所述反射提供与施加的压力相关联的输出。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第一层和第二层是脆性透明材料。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其包括形成于所述可形变的压敏体中的空腔，该空腔限定了所述第一层和第二层之间的间距。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第一层和第二层包括单晶材料。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，包括光纤，该光纤被配置以将来自光源的光朝向所述第一层和第二层引导。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中，所述光纤延伸穿过所述壳体。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其包括安装于所述壳体上的隔离隔膜，所述隔离隔膜隔离过程流体与所述隔离流体，并将所述过程流体的压力传递至所述隔离流体。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，包括I/O电路，该I/O电路被配置以向与施加至所述压力传感器的压力相关的过程控制回路提供输出。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第一和第二层被结合在一起并且在它们之间形成空腔。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中，所述的第一和第二层通过熔融结合被结合在一起，并且所述空腔被密闭密封。
11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第一和第二层包括蓝宝石。
12.根据权利要求1所述的压力传感器，包括控制器，该控制器被配置以基于所述干涉提供与所述施加的压力相关的输出。
13.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，使所述光源通过一频率范围扫描以提供多频。
14.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述光源同时提供多频。
15.根据权利要求1所述的压力传感器，包括用以接收所述填充材料的贮存器。
16.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述填充材料包括油。
17.根据权利要求1所述的压力传感器，还包括
非易失性存储器，该非易失性存储器被配置以存储与来自所述压力传感器的反射光谱相关的数据和所述压力传感器的当前状态；和
控制器，该控制器具有与所述过程流体的压力相关的输出，该输出为所述感测的反射和存储的数据的函数。
18.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，所述第一和第二层包括脆性透明材料。
19.根据权利要求17所述的压力传感器，其包括I/O电路，该I/O电路被配置以向与所述过程流体的压力相关的过程控制回路提供输出。
20.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，所述光源包括光栅。
21.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述光传感器包括CCD传感器。
22.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述光传感器包括光栅。
23.一种压力传感器，包括：
壳体，该壳体填充有隔离流体；
可形变的结构，所述可形变的结构悬浮于所述隔离流体中；
具有端部的光纤；
所述可形变的结构被结合至所述光纤的所述端部，且具有响应于施加的压力相对于所述光纤的端部形变的表面；
光源，所述光源通过所述光纤被引导至所述光纤的所述端部和所述表面，从而所述表面反射来自光源的光；和
光传感器，该光传感器被布置以感测来自所述表面的反射和基于所述反射提供与所述施加的压力相关的输出。
24.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述可形变的结构是密封地结合至所述光纤。
25.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述可形变的结构包括蓝宝石。
26.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述可形变的结构的表面与所述光纤的所述端部间隔开。
27.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述可形变的结构的表面大致与所述光纤的所述端部平行。
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