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        新聞資訊

        具有附加的雙絕對壓力傳感器的差壓變送器

        來源:江蘇創輝自動化儀表有限公司 時間:2022-03-22
        技術領域
        本發明涉及工業過程中的過程流體的壓力的測量。更具體地,本發明涉及在差壓變送器中測量管線壓力。
         
        背景技術
        工業過程用在多種類型的材料的制造和運輸中。在這種系統中,通常需要測量過程中的不同類型的壓力。經常要測量的一類壓力是差壓。這是過程中的一個點與過程中的另一個點之間的壓差。例如,含有過程流體流的管中的孔板兩端的差壓與流體的流量有關。差壓例如還可以用于測量槽或其它容器中的過程流體的高度。在工業過程中,壓力傳感器通常容納在或連接到壓力變送器,所述壓力變送器位于遠距離處并將與壓力有關的信息傳輸到諸如控制室的中央位置。經常在過程控制回路上進行傳輸。例如,通常使用二線式過程控制回路,在該二線式過程控制回路中,兩條線用于將信息以及電力傳送給變送器。還可以使用無線通信技術。
        變送器技術的進步已經增加了可以由變送器產生的信息量。具體地,變送器可以安裝有多個傳感器以測量多個過程變量輸入或較寬范圍的單個過程變量。在許多過程設施中,除了測量差壓之外,還期望測量過程的絕對壓力或表壓力(也被稱作為“管線壓力”)。該信息例如可以通過在流量計算中包括過程流體的密度變化而用于提供更加準確的流量測量??梢允褂眠B接到過程流體的單獨的壓力傳感器來進行附加的壓力測量。
         
        發明內容
        一種用于測量過程流體的壓力的過程變量變送器,包括具有第一端口和第二端口的過程連接裝置,所述第一端口被構造成連接到第一過程壓力,所述第二端口被構造成連接到第二過程壓力。差壓傳感器連接到第一端口和第二端口,并提供與第一過程壓力和第二過程壓力之間的差壓有關的輸出。至少第一壓力傳感器連接到第一端口并提供與第一過程壓力有關的輸出。變送器電路被構造成基于根據差壓的輸出提供變送器輸出。由變送器使用感測到的第一過程壓力和感測到的第二過程壓力提供附加的功能。
         
        附圖說明
        圖1顯示具有根據本發明構造而成的過程變送器的過程測量系統:
        圖2是圖1的過程變送器的簡化方框圖:
        圖3是圖1的過程變送器的示意性側視圖,其中示出了變送器電子元件:
        圖4是圖3的變送器的傳感器模塊的橫截面圖:
        圖5是管線壓力傳感器的橫截面圖:圖6是圖5的安裝在管中的管線壓力傳感器的橫截面圖。
         
        具體實施方式
        在一個實施例中,本發明提供一種用于使用雙管線壓力傳感器為差壓測量變送器提供另外的功能的設備和方法。更具體地,在一個方面中,本發明包括一種管線壓力傳感器,所述管線壓力傳感器連接差壓傳感器的相對側,用于執行診斷或提供其它功能。圖1大致顯示過程測量系統32的環境。圖1顯示含有加壓流體的連接到用于測量過程壓力的過程測量系統32的過程管道30。過程測量系統32包括連接到管道30的脈沖管道(impulse piping.)34。脈沖管道34連接到過程壓力變送器36。諸如f孔板、文丘里管、流量噴嘴(f1ow nozz1e)等之類的主元件33接觸過程管道30中的在脈沖管道34的管子之間的位置處的過程流體。當流體流動經過主元件33時,主元件33使該流體產生壓力變化。
        變送器36是通過脈沖管道34接收過程壓力的過程測量裝置。變送器36感測過程壓差并將該壓差轉換成為過程壓力的函數的標準化傳輸信號。過程回路38將電力信號從控制室40提供給變送器36并提供雙向通信,并且可以根據多種過程通信協定構造而成。在所述的示例中,過程回路38是二線式回路。二線式回路用于在正常操作期間以4-20mA信號將所有電力傳輸至變送器36,并傳輸到和來自變送器36的所有通信??刂剖?0包括給變送器36提供電力的電壓電源46和串聯電阻44。在另一個示例性結構中,回路38是無線連接(wireless connection).,在該無線連接中可以以點對點結構、全連接網絡、或其它結構無線地傳送或接收數據。
        圖2是壓力變送器36的簡化方框圖。壓力變送器36包括通過數據線66連接在起的傳感器模塊52和電子板72。傳感器模塊電子元件60連接到接收所施加的差壓54的差壓傳感器56。數據連接(data connection)58將傳感器56連接到模數轉換器62。任選的溫度傳感器63還與傳感器模塊存儲器64一起被示出。電子元件板72包括微計算機系統74(或微處理器)、電存儲器模塊76、數模信號轉換器78和數字通信塊80。此外,圖2中還示出了用于將差壓傳感器56連接到過程流體54的毛細管或“填充”管93和94。隔離膜片90接收來自過程流體54的壓力,所述壓力被可靠地施加到毛細管93和94中載送的填充流體。通過該填充流體,將工業過程的壓力施加到差壓傳感器56。
        根據所述的實施例,管線壓力傳感器97和98分別連接到毛細管93和94,并且被布置成監測毛細管93和94中的壓力。管線壓力傳感器97和98連接到壓力測量電路99。電路99例如可以包括響應于傳感器97和99的電參數的電路,所述電參數作為所施加的管線壓力的函數而變化。例如,壓力傳感器97和98可以根據包括公知的技術來操作,包括其中傳感器97和98的電容變化、傳感器97和98的電阻變化、傳感器的共振頻率變化等的壓力測量技術。以下更加詳細地論述一個具體的結構。電路99可以是獨立的電路,或者在一些結構中,電路99可以包括在用于測量差壓的其它電路中。例如,用于監測不同傳感器的些部件或所有部件可以是共用部件。
        圖3示意性地顯示具有傳感器模塊52和變送器電子元件模塊136的壓力變送器36的一個實施例。傳感器模塊52包括殼體152和基部54,在所述殼體和基部中設置有傳感器板156、差壓傳感器56、隔離裝置或管93和94、以及隔離膜片90。變送器電子元件模塊136包括殼體164、罩166、顯示罩168、輸出接口170和變送器電路172。傳感器模塊52還包括管線壓力傳感器97和98以及溫度傳感器175。在圖1中所示的管道30的主元件33的兩側產生壓力P1和P2。
        傳感器板156和傳感器56安裝在傳感器模塊52的殼體152內。傳感器模塊52的殼體152例如通過螺紋連接連接到電子模塊136的殼體164。類似地,罩166和168通過螺紋連接連接到殼體l64,所述螺紋連接形成如本領域所公知的火焰淬火(flame--quenching).密封件以防止來自殼體164內的火焰的泄漏。輸出接口170和變送器電路172安裝到變送器電子元件模塊136內的殼體164并形成圖2中所示的電子元件板72。
        在所述的實施例中,傳感器56是具有設置在一對電極板之間的感測膜片的基于電容的差壓傳感器。在一個實施例中,傳感器56是所述的金屬膜片式傳感器,傳感器56通過隔離管93和94連接到基部54,在所述隔離管中設置有液壓填充流體。隔離膜片90使隔離管93和94內的填充流體不會受到過程流體的壓力P1和P2。由傳感器56通過基部54內的隔離膜片90以隔離管93和94內的液壓填充流體感測作為差壓△P的過程流體的壓力P,和P2的變化。然而,本發明不局限于這種差壓測量結構。
        在所述的實施例中,管線壓力傳感器97和98是基于電容的絕對壓力傳感器。在一個結構中,傳感器97和98是所述的電容式壓力傳感器,。這種傳感器包括使用具有高壓縮強度的脆性感測材料(brittle sensing material)的技術。例如,諸如藍寶石的脆性材料。傳感器97和98分別感測隔離管93和94中的填充流體的管線壓力P,和P2。由壓力傳感器97和98中的每一個感測到的壓力可以相互進行比較以產生表示差壓△P的信號,所述信號可以用于代替由傳感器56感測到的差壓△P,或用于與由傳感器56感測到的差壓△P進行比較。
        傳感器56、97和98一起形成傳感器系統,所述傳感器系統包括具有單個傳感器裝置的壓差傳感器設備和具有兩個傳感器裝置的絕對傳感器設備。差壓傳感器56以及絕對壓傳感器97和98與傳感器板156進行電通信。傳感器板156通過傳感器電纜176與變送器電路172電通信。變送器電路172通過電纜178與輸出接口70電通信。輸出接口170將變送器36連接到控制回路38的配線。在本發明的其它實施例中,變送器電路172、傳感器板156和輸出接口170的功能的性能依照要求被不同地分配和實施。傳感器56準確地測量小的差壓。進一步地,傳感器97和98準確地測量絕對壓力。傳感器56直接測量管線壓力P1與P2之間的差。傳感器97和98分別直接測量壓力P1和P2。來自傳感器97和98的輸出之間的差可以用于確定大的差壓、執行診斷、提供對傳感器56的校準等、或提供其它功能。傳感器56、97和98因此可以用在多種情況下以感測管線壓力和差壓。
        圖4是更加詳細地示出的傳感器模塊52的橫截面圖。如圖4中所示,管93包括連接到差壓傳感器56的彎曲部分202。進一步地,管93包括連接到管線壓力傳感器97的延長部分200。以類似的方式,管94包括連接到差壓傳感器56的彎曲部分206和連接到管線壓力傳感器98的延長部分204。
        圖5是管線壓力傳感器97的一個示例的側視橫截面圖。在圖5的示例中,管線壓力傳感器97由兩個藍寶石襯底220和222形成,所述藍寶石襯底粘結在一起并且在所述藍寶石基板之間形成真空空腔224。真空空腔224包括連接到電連接導線226的兩個電容器極板(未示出)。電連接導線226連接到傳感器板156中的電路。設置銅焊帶(brazeband)230,并且該銅焊帶用于將傳感器97連接到管93。
        圖6是安裝在管93的延長部分200中的管線壓力傳感器97的橫截面圖。管93可以由鎳形成并且填充有諸如油的基本不可壓縮流體。管93的延長部分200包括形成在該延長部分內的開口,所述開口支撐壓力傳感器97。例如使用銅焊232將壓力傳感器97密封至延長部分200。
        返回參照圖2,通過變送器36中的電路接收來自壓力傳感器56、97和98的傳感器信號。該電路包括例如傳感器模塊52中或電子元件板72上的電路。例如,微處理器電路74可以處理管線壓力信號以為變送器36提供增強功能。這種增強功能包括診斷、擴展的測量范圍、冗余傳感器測量、校準、諸如質量流量的額外的過程變量的計算等。
        附加的傳感器的使用可以用于擴展裝置能夠感測壓力的范圍。例如,管線壓力傳感器97和98可以用于在壓力超過壓力傳感器56的上限時的情況中感測過程流體的差壓。雖然這種結構可能會降低壓力測量的精度,但是在一些情況下,這種折衷方案是可接受的,以便增加測量范圍。這對于測量流量以及差壓來說是有用的。
        附加的傳感器97、98可以用來使得能夠進行冗余壓差測量(redundantdifferential pressure measurement),用于提供傳感器診斷。例如,在小于250英寸H20的壓力下,傳感器97、98可以用于測量差壓并且提供冗余差壓測量。使用管線傳感器97和98測量的差壓可以與使用差壓傳感器56測量的差壓進行比較。微處理器74可以使用這兩種測量之間的任何差異來識別失效的傳感器。在一種結構中,附加的絕對壓傳感器97和98用于在差壓傳感器56已經失效或正在提供不準確的測量的情況下提供差壓測量。這種結構允許變送器36在精度降低的受限(或“失效保護(1im即)”)模式下操作,直到失效的設備可以被修理或更換。如果微處理器系統74例如根據傳感器56不提供信號輸出而檢測到傳感器56已經失效,則微處理器74可以根據來自傳感器97和98的輸出計算差壓。計算處差壓可以被傳輸到遠程位置。傳輸任選地可以包括診斷信息,如表示傳輸的過程變量由于變送器處于“失效保護”模式下運行
        而具有降低的精度的信息。這種結構允許工業過程可能以減小的容量繼續運行,直到可以實現修理為止。
        在另一種結構中,根據由差壓傳感器56測量的差壓通過微處理器系統74對絕對壓傳感器97、98執行診斷。在正常操作期間,由管線壓力傳感器97、98中的一個測量的壓力應該大致等于由管線壓力傳感器97、98中的另一個測量的壓力與由差壓傳感器56測量的差壓之間的差。類似地,附加的傳感器97、98可以用于識別脈沖管道的堵塞或失效的主元件。
        在所述的實施例中,兩種不同類型的傳感器的使用可以用于提供具有不同頻率響應的傳感器。例如,這里所述的差壓傳感器56中使用的金屬膜片具有傾向于濾出較高頻率的過程噪聲的有效低通濾波器。另一方面,這里所述的基于藍寶石的管線壓力傳感器97、98具有較高的頻率響應并能夠提供具有較快響應時間的測量。這種高頻率響應可以用于測量差壓傳感器56的任一側的噪聲信號。這可以用于提供增強的過程統計或診斷,例如識別過程中堵塞的管線或其它失效部件。管線壓力信號還可以用于校準差壓傳感器56以及用于對差壓測量中的由高管線壓力引起的任何變化進行補償。例如,上述壓力傳感器97和98的結構在延長的時間周期內提供了相對穩定的測量。當傳感器97和98相對穩定時,它們的測量值可以用于校準由壓力傳感器56提供的測量值的漂移。因此,可以由微處理器74執行校準。在另一個示例中,由管線壓力傳感器97和98提供的附加的壓力測量值可以用于通過微處理器74為差壓傳感器56壓力測量值提供準確的管線壓力區域(spanIinepressure)補償。在一種結構中,兩個絕對壓傳感器測量值的使用可以用于更加準確地對差壓測量值的變化進行補償??梢栽谖⑻幚砥?4中執行補償算法。
        在一種結構中,管線壓力傳感器97和98具有大約5,000psi的范圍上限。傳感器97、98可以放置在裝置中的任何位置,然而與填充管93、94相關聯的上述位置提供了便利的位置。當這里所述的管線壓力傳感器97、98根據電容變化進行操作時,測量系統的不同操作和部件可以與差壓傳感器56共享圖2中所示的也根據電容變化進行操作的溫度傳感器63。在一個實施例中,溫度傳感器設置在傳感器97和/或98內。這可以用于補償它們的測量值的溫度變化。進一步地,參考電容器(未示出)可以設置在傳感器97和/或98中以進一步增強絕對壓力測量值的精度。雙絕對管線壓力傳感器96、98還可以用在其它過程變量測量結構中,例如,用在其中傳感器可以與應變儀平行定位的管線內單元(inlineunit)中。
        雖然己經參照優選的實施例說明了本發明,但是本領域的技術人員將認識到在不背離本發明的精神和保護范圍的情況下可以在形式和細節上進行改變。管線壓力傳感器97和98可以以任意適當的方式連接到P1和P2并且不局限于這里所示的管結構??梢允褂萌我膺m當的電路實施上述不同的功能,并且這種功能的實施可以在多個部件之間共享,并且使用相同或單獨的電路實施。這里使用的“變送器電路”表示變送器36內的電路。如這里所使用的,“增強功能”包括系統診斷、部件診斷、過程診斷、擴展的操作范圍、部件的校準、統計過程測量和元件失效情況下的受限裝置操作。
         
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