CN101184978A - 使用差压传感器的管路压力测量 - Google Patents

使用差压传感器的管路压力测量 Download PDF

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Abstract

一种用于感测过程流体的压力的压力传感器装置(56)，包括传感器主体(220)，所述传感器主体中形成有空腔(132、134)，所述空腔耦合至过程流体压力。所述空腔中的可弯曲隔膜(100)响应于第一和第二过程流体压力而发生弯曲。第一主电极(144)耦合至所述空腔的壁(126)，并形成第一主电极和所述可弯曲隔膜之间的第一主电容器(Mx)。第一副电极(146)耦合至所述空腔的壁，以形成第一副电极和所述可弯曲隔膜之间的第一副电容器(Rx)。第二主电极(148)和第二副电极(150)优选地耦合至与第一主电极和第一副电极相对的空腔壁(128)。基于副电容器相对于主电容器的变化而确定过程流体的管路压力。

Description

使用差压传感器的管路压力测量
技术领域
本发明涉及用于测量过程流体压力的压力传感器。更具体地，本发明涉及一种配置为测量差压(differential pressure)和管路压力(line pressure)的压力传感器。
背景技术
过程监控和控制系统中使用变送器来测量工业过程的各种过程变量。一种变送器对过程中的过程流体的压力进行测量。各种技术已应用于变送器中所用的压力传感器。一种公知的技术是使用可弯曲隔膜(diaphragm)。对关于该隔膜的电容进行测量，其中该隔膜形成了电容器的电容板之一。当隔膜由于所施加的压力而发生弯曲时，所测量的电容发生改变。在这种配置中，压力测量中存在多种不精确性的来源。
2001年10月2日授予Frick等的美国专利No.6,295,875“PROCESSPRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION”中提出了处理这些不精确性的一种技术，该专利的全部内容在此引入作为参考。这个专利描述了一种差压传感器，其包括用于减小测量不精确性的附加电极。然而，在一些安装情况下，除了差压测量之外，还希望测量绝对压力(管路压力或表压)。在这种应用中，典型地需要额外的压力传感器来测量管路压力。
发明内容
一种用于感测过程流体的压力的压力传感器装置，包括其中形成有空腔的传感器主体。所述空腔被配置为耦合至第一过程流体压力。所述空腔中的可弯曲隔膜响应于第一过程流体压力而发生弯曲。第一主电极耦合至空腔壁，并形成第一主电极和所述可弯曲隔膜之间的第一主电容器。第一副电极耦合至空腔壁，形成第一副电极和所述可弯曲隔膜之间的第一副电容器。作为由第一过程流体压力造成的空腔尺寸变化而引起的第一主电容器和第一副电容器的变化的函数，计算过程流体的管路压力。还提供了一种相关方法。
附图说明
图1示出了具有按照本发明而构造的具有过程变送器的过程测量系统。
图2是图1中变送器的示意图。
图3示出了图1中过程变送器的部分截面图。
图4是用于说明本发明操作的压力传感器56的简化截面图。
图5A是管路压力与主和有效间隙的关系图，而图5B是管路压力与环形和有效间隙的关系图。
图6A和6B是管路压力与环形和/主和以及(环形间隙/主间隙)x+(环形间隙/主间隙)Y的关系图。
图7A和7B是管路压力、主传递函数以及环形和/主和的三维关系图。
图8A是在各个传递函数值上管路压力与环形和/主和的关系图。
图8B是斜率α与标称主传递函数的关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种针对基于多电极电容的压力传感器的确定管路压力的装置和方法。通过计算基于多电容的压力传感器中适当电容的和比率或比率和，可以确定过程流体的管路压力。
图1大体示出了过程测量系统32的环境。图1示出了包含流体的受压过程管道(piping)30与用于测量过程压力的过程测量系统32相耦合。过程测量系统32包括与管道30相连的脉冲(impulse)管道34。脉冲管道34与过程压力变送器36相连。主元件33(例如孔板(orificeplate)、文氏管(venturi tube)、流量喷嘴(flow nozzel)等)在脉冲管道34的管道之间的过程管道30中的位置处与过程流体相接触。当流体流过主元件33时，主元件33引起流体中的压力变化。
变送器36是通过脉冲管道34接收过程压力的过程测量设备。变送器36感测差动过程压力，并将其转换为标准化的传输信号，该信号是过程压力的函数。
过程环路38向变送器36提供来自控制室40的电力信号，并提供双向通信，是可以根据多个过程通信协议而构建的。在所示的示例中，过程环路38是两线环路。该两线环路用于在正常操作期间利用4-20mA信号向变送器36提供全部电力，并与之进行所有通信。计算机42或其他信息处理系统通过调制解调器44或其他网络接口与变送器36进行通信。远端电压电源46为变送器36供电。
图2是压力变送器36的简化框图。压力变送器36包括通过数据总线66耦合在一起的传感器模块52和电子器件板72。传感器模块电子器件60耦合至压力传感器56，压力传感器56接收所施加的差压54。数据连接58把传感器56耦合至模数转换器62。还示出了传感器模块存储器64和可选的温度传感器63。电子器件板72包括微计算机系统74、电子器件存储器模块76、数模信号转换78和数字通信块80。
根据Frick等的美国专利No.6,295,875中提出的技术，压力变送器36感测差压。然而，本发明不限于该配置。
图3是传感器模块52的一个实施例的简化截面图，示出了压力传感器56。压力传感器56通过隔离隔膜90耦合至过程流体，隔离隔膜90把过程流体与空腔92隔开。空腔92通过脉冲管道94耦合至压力传感器模块56。基本上不可压缩的填充流体填充空腔92和脉冲管道94。当来自过程流体的压力施加到隔膜90时，该压力传递至压力传感器56。
压力传感器56由各为一半的两个压力传感器114和116形成，其中填充有优选为脆性、基本上不可压缩的材料105。隔膜106悬挂在传感器56中形成的空腔132、134内。空腔132、134的外壁载有电极146、144、148和150。通常，这些电极可以被称作主电极144和148以及副电极146和150。这些电极形成关于可移动隔膜106的电容器。同样，这些电极可以被称作主和副电容器。
如图3所示，传感器56中的各个电极通过电连接103、104、108和110耦合至模数转换器62。另外，可弯曲隔膜106通过连接109耦合至模数转换器62。
如美国专利No.6,295,875中所讨论的，可以使用电极144-150来测量施加到传感器56的差压。如下文所讨论，使用这些电极测量的电容也可以用于确定施加至压力传感器56的过程流体的管路压力。
图4是用于说明本发明操作的传感器56的简化截面图。图4示出了各个电容值，即电极144和隔膜106之间的MX，电极148和隔膜106之间的MY，电极146和隔膜106之间的RX，以及电极150和隔膜106之间的电容RY。
已经发现在压力传感器56的操作期间，通过毛细管(capillarytube)94施加到压力传感器的管路压力引起压力传感器56的主体220产生形变。所施加的管路压力引起主体220内和压力变送器内部环境中的压力之间的压力差。这个压力差引起主体220的形变。在图4所示的示例中，示出了相当夸大的形变。具体而言，所施加的管路压力使主体220的外壁200和和202向外扩张至200’和202’处的虚线所示的位置。由于主体变形，空腔132、134的内壁126和128也分别向外扩张至虚线126’和128’所示的位置。由于壁126和128向外移动，所以电极144、146、148和150也分别向外移动至虚线144’、146’、148’和150’所示的位置。电极144、146、148和150位置的改变导致Mx、MY、Rx和RY处测量的电容值的变化。根据本发明，该电容变化用于测量施加至压力传感器56的管路压力。
如这里所使用的，电极144和148与隔膜106之间的电容被称作“主电容”，而电极146和150与中央隔膜106之间的电容被称作副电容。根据本发明，作为主电容器电容和副电容器电容的函数，确定管路压力。在减小管路压力测量中的误差的配置中，这些电容值可以用在和比率或比率和中。
管路压力(P)信号可以从上文所述的基于多电极电容的差压传感器56中导出。该确定可以通过计算适合的倒数有效电容信号的和比率或比率和而进行。如这里所使用的，有效电容是响应于中央隔膜(CD)相对于传感器空腔的移动的电容，而且不包括任何杂散(stray)电容。有效电容的倒数与彼此分离相对较小距离的两个大面积(主)电极之间的间隔或间隙成比例。上文所示的具有中央主电极和环形副电极的配置可以用于在倒数有效环形电容除以倒数有效主电容时确定管路压力。更详细地，管路压力可以根据如下来确定：
LP＝k*(1/Rx+1/Ry)/(1/Mx+1/My)    方程1
用途等效的不同方程可以写为：
LP＝j*(1/Rx)(1/Mx)+(1/Ry)(1/My)＝j*(Mx/Rx+My/Ry)    方程2
其中M是主电极的有效电容，R是环形电极的有效电容，x和y是指图4所示的差压传感器的低侧和高侧。常数k和j是比例常数。还可以使用单个有效电容值来确定管路压力。然而，在该配置中，电容对于由例如温度变化引起的误差特别敏感。相反，使用上文所讨论的比率，可以获得更好的信噪比，例如相比于使用单个有效电容，可以获得100倍的改进。
图5A是管路压力(PSI)与主和-有效间隙(μm)的关系图，示出了利用倒数电容的、隔膜106与主电极144、148之间的间隙之和所受的温度效应。图5B是利用倒数环形电容的类似图。如图5A和5B中所示，利用倒数电容测量管路压力提供了非常陡峭的斜率或低量规因数，对于小的温度变化，表观管路压力(y截距)变化较大。图6A是根据方程1在各个温度上的管路压力与环形和/主和的关系图，而图6B是根据方程2的管路压力与(环形间隙/主间隙)x+(环形间隙/主间隙)Y的关系图。如图6A和6B所示，与图5A和5B相对，LP信号的斜率大幅度减小(更高的量规因数)，且由于温度引起的y截距的偏移相对于LP区间(span)是较小的。图6A和6B中的原始温度误差与可比的传感器类似，而且至少是局部可修正的。在图5A、5B、6A和6B的图表中，数据是在差压为0时采集的。
在将方程1或2所示比率中任何一个与标准差压传递函数进行组合以叠加差压和管路压力时，也可以获得管路压力信号。在方程1的情况下，该组合的结果是把数据拟合到三维空间的表面上，其中管路压力是来自方程1的比率何标准传递函数
Figure S2006800184691D00061
的函数。例如，图7A和7B是管路压力、主传递函数以及环形和/主和的关系图。在这个示例中，通过在各个管路压力和差压值上使用标准压力变送器，对192个数据点进行拟合。图7B中对轴的重定向示出了将数据紧密拟合到平面。
图8A是来自图7A、7B的管路压力数据与环形和/主和的关系图。图8B是图8A中每条线的斜率与标称主TF的关系图。如这些图中所示，可以通过传递函数，以显著的一致性分隔这些数据。图8B中的图示出了不存在使平面发生弯曲或扭曲的高阶效应，并证实了比率/传递函数/管路压力的关系的简单性。
利用本发明，在相对较大程度上抵消了由加热、冷却、压缩、解压缩和瞬变引起的填充流体的介电常数的不稳定性。这是通过使用压力单元中隔膜任一侧的多于一个的电极来获得管路压力信号而实现的。
在具体实验中，数据精度提供了95％置信度上的+1-70 PSI管路压力的误差带。这种精度水平对于如下情况是足够的：基于管路压力信号来校正差压变送器输出，以使零和区间线性压力误差比标准配置减小10倍。对电容数据的单独处理提供了这种改进，并且不需要额外的管路压力传感器。此外，本发明可以用于根据测量的电容值而提取可用的管路压力信号，同样不需要使用额外的管路压力传感器。在更加高级的配置中，管路压力信号可以和差压一同使用，而且在一些配置中，与温度相结合以提供质量流量计算。
在一个示例中，当管路压力从0变为2000 PSI时，主电容器的电容改变了大约0.2％。类似地，在该范围上，环形电容器的电容改变了大约0.7％。电容的改变相对于所施加的管路压力的改变基本上是线性的。这两个电容用于精确地测量所施加的管路压力。
尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，然而本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。在一些实施例中，本发明包括根据所施加的差压而对所计算的管路压力进行补偿。如这里所使用的，“主”电极和电容器以及“副”电极和电容器分别可以交替地被称作“主”和“副”。所测量的或所计算的管路压力可以独立地使用，或可以用于例如对所测量的差压进行补偿。可以设想，所测量的管路压力可以用于其他目的。

Claims (24)

1.一种用于感测过程流体的压力的压力传感器装置，包括：
传感器主体，具有在其中形成的空腔，所述空腔被配置为耦合至第一过程流体压力；
所述空腔中的可弯曲隔膜，被配置为响应于第一过程流体压力而发生弯曲；
第一主电极，耦合至所述空腔的壁，以形成第一主电极和所述可弯曲隔膜之间的第一主电容器；
第一副电极，耦合至所述空腔的壁，以形成第一副电极和所述可弯曲隔膜之间的第一副电容器；以及
耦合至第一主电容器和第一副电容器的电路，被配置为将过程流体的管路压力作为至少第一主电容器和第一副电容器的变化的函数而计算，所述第一主电容器和第一副电容器的变化是由于第一过程流体压力导致所述空腔的尺寸发生变化而引起的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，第一副电极至少包括局部环形。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可弯曲隔膜是盘状的。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，第一主电极包括中央电极。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器主体的空腔被配置为耦合至第二过程流体压力，所述装置还包括相对于所述可弯曲隔膜与第一主电极相对地设置在所述空腔的壁上的第二主电极，而且所述电路还被配置为测量由第一和第二过程流体压力施加到所述可弯曲隔膜两侧的差压。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，基于所计算的管路压力对差压测量进行补偿。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器主体的空腔被配置为耦合至第二过程流体压力，所述装置还包括相对于所述隔膜与第一主电极和第一副电极相对地耦合至所述空腔的壁的第二主电极和第二副电极，由此形成第二主电极和所述可弯曲隔膜之间的第二主电容器以及第二副电极和所述可弯曲隔膜之间的第二副电容器。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电路耦合至第一主电容器、第一副电容器、第二主电容器和第二副电容器，并如下确定管路压力：
LP＝k*(1/Rx+1/Ry)/(1/Mx+1/My)
其中Mx是第一主电容器的电容
k是常数
My是第二主电容器的电容
Rx是第一副电容器的电容，以及
Ry是第二副电容器的电容。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电路耦合至第一主电容器、第一副电容器、第二主电容器和第二副电容器，并如下确定管路压力：
LP＝j*(Mx/Rx+My/Ry)
其中Mx是第一主电容器的电容
j是常数
My是第二主电容器的电容
Rx是第一副电容器的电容，以及
Ry是第二副电容器的电容。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器主体由包括陶瓷或玻璃的刚性绝缘体形成。
11.一种用于测量过程流体的压力的过程变送器，包括权利要求1所述的压力传感器。
12.一种确定过程流体的管路压力的方法，包括：
向传感器主体施加过程流体的压力，所述传感器主体中形成有空腔，所述传感器主体包括所述空腔中的可弯曲隔膜以及与所述隔膜形成第一主电容器的第一主电极，所述传感器主体还包括与空腔形成第一副电容器的第一副电极；
作为至少第一主电容器和第一副电容器的变化的函数，计算过程流体的管路压力，所述第一主电容器和第一副电容器的变化是由于第一过程流体压力导致所述空腔的尺寸发生变化而引起的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述传感器主体的空腔被配置为耦合至第二过程流体压力，而且还包括相对于所述可弯曲的隔膜与第一主电极相对地布置在所述空腔的壁上的第二主电极，而且还包括对第一和第二过程流体压力施加到所述可弯曲的隔膜两端的差压进行测量。
14.根据权利要求12所述的方法，包括基于所计算的管路压力，对差压进行补偿。
15.根据权利要求12所述的方法，包括将第二主电极和第二副电极相对于所述隔膜与第一主电极和第一副电极相对地耦合至所述空腔的壁，由此形成第二主电极和所述可弯曲隔膜之间的第二主电容器以及第二副电极和所述可弯曲隔膜之间的第二副电容器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过如下方程来确定管路压力的计算：
LP＝k*(1/Rx+1/Ry)/(1/Mx+1/My)
其中Mx是第一主电容器的电容
k是常数
My是第二主电容器的电容
Rx是第一副电容器的电容，以及
Ry是第二副电容器的电容。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，通过如下方程来确定管路压力的计算：
LP＝j*(Mx/Rx+My/Ry)
其中Mx是第一主电容器的电容
j是常数
My是第二主电容器的电容
Rx是第一副电容器的电容，以及
Ry是第二副电容器的电容。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述传感器主体由包括陶瓷或玻璃的刚性绝缘体形成。
19.一种用于测量过程流体的压力的过程变送器，被配置为执行权利要求12所述的方法。
20.一种压力传感器，包括：
可弯曲隔膜，被配置为接收施加到相对侧的第一和第二压力；
第一和第二主电极，被配置为与所述可弯曲隔膜形成第一和第二主电容器；
第一和第二副电极，被配置为与所述可弯曲隔膜形成第一和第二副电容器；
电路，被配置为计算差压，并且还被配置为作为第一和第二主电容器以及第一和第二副电容器的变化的函数而计算管路压力。
21.根据权利要求20所述的压力传感器，其中，所述电路还被配置为基于所计算的管路压力对差压进行补偿。
22.根据权利要求20所述的压力传感器，其中，所述电路如下确定管路压力：
LP＝k*(1/Rx+1/Ry)/(1/Mx+1/My)
其中Mx是第一主电容器的电容
k是常数
My是第二主电容器的电容
Rx是第一副电容器的电容，以及
Ry是第二副电容器的电容。
23.根据权利要求20所述的压力传感器，其中，所述电路如下确定管路压力：
LP＝j*(Mx/Rx+My/Ry)
其中Mx是第一主电容器的电容
j是常数
My是第二主电容器的电容
Rx是第一副电容器的电容，以及
Ry是第二副电容器的电容。
24.根据权利要求20所述的压力传感器，包括温度传感器，而且其中，所述电路还被配置为作为差压、管路压力和温度的函数而计算质量流量。
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