CN101308054B - 检测过程流体的相关变量的压力变送器 - Google Patents

Abstract

一种检测过程流体的相关物理变量的压力变送器，包括：适于接触所述过程流体的第一和第二压力敏感膜片；具有支撑体的压力传感器，该支撑体提供有空腔，在该空腔内定位第三压力敏感膜片；可操作地连接到至少一个光源的分析和调节单元；具有第一端可操作地连接到所述功率源的第一和第二光纤；所述第一和第二光纤将由所述光源发射的光信号传送到所述第三膜片，并且将由该第三膜片反射的信号传送到所述分析和调节单元，该分析和调节单元产生指示所述物理变量的信号。

Description

检测过程流体的相关变量的压力变送器

技术领域

本发明涉及一种通过差动测量检测过程流体的相关物理变量的压力变送器。

背景技术

已知在工业过程控制系统中，广泛地使用特定的现场装置检测/测量过程流体的一个或多个物理变量，例如，绝对、相对或差动压力，流量，水平以及类似的物理变量。

在一个最普遍的实施方式中，所述现场装置包括适当配置的壳体，其容纳不同的检测组件，典型地包括压力传感器，即所称的压力变送器；使用压力传感器作为变换器元件允许操作者容易地从一个或多个相对、差动或绝对压力的测量，获得受控过程流体的其它物理变量的相关测量值，例如，用其它方法很难进行直接变换的电平。变送器壳体还包括其它组件，该组件包括：用于处理来自压力传感器的信号的第一电子电路；用于处理来自第一电子电路的信号的第二电子电路，然后将其用于控制与其它变送器或控制单元的通信；用于原地显示检测的变量的显示器；用于除了对组件供电的电子电路之外的各种连接的接线盒等等。

为了执行所需的检测和测量操作，每个压力变送器提供有一个或多个压力敏感元件，其接触过程流体，并且在术语上通常指的是分离器单元，或者分离隔膜或膜片，或者其它等效单元。

特别地，差动压力变送器提供有两个分离器单元，每个分离器单元包括弹性元件，典型地是固定在支架上的挠性金属膜片，该支架通常也是金属的；将分离器单元定位在仪器上，使得膜片具有暴露于过程流体的外壁，并且通常通过包含在连接毛细管中的非可压缩流体例如硅油液压连接到压力传感器的内壁。这样，液体在每个挠性膜片上施加的压力使其变形，并且通过液压连接流体传递到压力传感器。传感器依次感应仪器的两个分支上的压力，并且将相应的信号传送到电子部件用于各种处理操作。目前用于这些应用的传感器通常是电容的、电感的或者甚至是压电类型的。

这种类型的测量通常很难，这是由于相对于使用条件，所需的准确性非常高，该使用条件会消极地影响测量本身，例如由于电磁扰动，变化的环境条件如温度变化，或者内在的很难操作的条件如可能暴露的环境。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种用于检测过程流体的相关变量的压力变送器，其即使是在特别困难的环境下也能够提供高的检测精度和准确性。

该目的是通过用于检测过程流体的相关物理变量的压力变送器实现的，其特征在于其包括：

适于与所述过程流体接触的第一和第二压力敏感膜片；

具有支撑体的压力传感器，所述支撑体提供有空腔，在所述空腔内定位第三压力敏感膜片，所述第三膜片具有分别可操作地连接到所述第一和第二膜片的第一面和第二面，以便将在所述第一和第二膜片上由所述过程流体施加的压力传送到所述第三膜片，从而造成相对于基准位置的位移；

可操作地连接到至少一个光源的分析和调节单元；

第一光纤，所述第一光纤具有可操作地连接到所述功率源的第一端，以及以离所述第一面预设距离定位的第二端；

第二光纤，所述第二光纤具有可操作地连接到所述功率源的第三端，以及以离所述第二面预设距离定位的第四端，所述第一和第二光纤将由所述光源发射的光信号传送到所述第三膜片，并且将由所述第三膜片反射的信号传送到所述分析和调节单元，根据接收的反射信号，所述分析和调节单元产生直接或间接指示所述物理变量的信号。

附图说明

本发明进一步的特征和优点将通过结合附图中非限制性例子方式说明的根据本发明的变送器的优选但非排他的实施方式的描述进行说明，其中：

图1示意性地表示根据本发明的变送器的一些组件；

图2是示意性地表示检测属于在根据本发明的变送器中使用的压力传感器的测量膜片的侧面位移的系统的视图；

图3是示意性地表示在根据本发明的变送器中使用的电子分析单元的方块图；

图4表示差动压力变送器。

具体实施方式

在下面的描述中，相同的附图标记指示相同或技术上等效的元件。

参照引用的附图，根据本发明的用于检测过程流体的相关物理变量的压力变送器包括适于接触需要检测其一个或多个变量例如压力的过程流体的第一压力敏感膜片5A和第二压力敏感膜片5B。两个膜片5A和5B还通常指分离膜片或者其它等效单元，例如由两个相应的膜片或挠性板构成，举例来说，在接触流体施加的推力下弹性变形的适当处理的金属板。所述膜片5A和5B固定在例如由空心金属块构成的支撑元件6上，以便一个表面暴露于过程流体施加的动作。根据应用需要，可以将两个压力敏感元件5A和5B以不同的配置排列，例如如附图1所示的彼此平行，或者在相同的平面上。

而且，变送器包括具有支撑体的压力传感器，在附图1所示的实施方式中，该支撑体优选由两个彼此连接的半体7A、7B构成，在该支撑体内限定空腔8。如图1所示，将两个半体7A和7B机械地连接到支撑元件6；可替换地，可以以一个单个适当配置体生产组合件7A-7B-6，或者例如仅以一个单个空心件生产传感器的支撑体。

空腔8的内部是第三压力敏感膜片1；与两个压力敏感元件5A和5B相似，第三膜片1例如也由挠性膜片如适当处理的金属板构成。第三膜片1固定在空腔8的内部，并且具有分别可操作地连接到两个膜片5A和5B的第一面1A和第二面1B。特别地，如图1所示，通过基本上包括两个填充有实质上非压缩的流体例如硅油的毛细管4A、4B，将两个压力敏感的膜片5A和5B连接到传感器的膜片1。这样，将两个膜片5A和5B液压连接到膜片1，以便将膜片5A和5B上由过程流体施加的压力传送到第三膜片1，从而在一侧或另一侧上造成其相对于初始基准位置或平衡位置的位移。

优选地，支撑体7A-7B的空腔8具有两个成形表面8A、8B，当所述膜片1在相对于另一侧的一侧上受到高过压时，每个成形表面分别在几何学上连接到第三膜片1的第一面1A或第二面1B。

有利地，变送器还包括分析和调节单元，其在附图1中由附图标记3示意性地指示，并且可操作地连接到至少一个光源9和两个光纤2A、2B。在所示的实施方式中，根据本发明的压力变送器包括例如由包括在分析和调节单元3中的二极管激光器构成的一个单个光源9。第一光纤2A具有可操作地连接到功率源9的第一端，以及当膜片1处于初始基准位置时，距离膜片1的第一面1A预设距离G1定位的第二端。而第二光纤2B依次具有可操作地连接到功率源9的第一端(下文中称作第三端)，以及当膜片1处于基准位置时，距离膜片1的第二面1B预设距离G2定位的第二端(下文中称作第四端)。

如示意性地在附图1中所示的，分析和调节单元3由根据本领域的技术人员能力范围内的实施方式的电子信号分析和处理电路构成，因此不做详细地描述，将其定位在传感器附近变送器壳体100的内部；可替换地，可以将单元3远离变送器体并且定位在其外部。

在根据本发明的变送器的特别优选的实施方式中，使用两个固定的基准透镜(或表面)，第一透镜10可操作地与第一光纤2A的第二端组合，第二固定透镜11可操作地与第二光纤2B的第四端组合。根据可能的实施方式，第一固定透镜10和第二固定透镜11由两个相应的反射表面构成，该反射表面形成光纤2A和2B的分别两个端的一部分。可替换地，所述透镜10和11由两个相应的由光纤体分开的反射表面构成，并且分别距离光纤的分别第二和第四端预设距离定位。如示意性地在附图2中所示的，预定分别在光源9以及两个光纤2A和2B之间使用第一分束器12和第二分束器13。在附图2中，为了简化，仅表示一个检测分支的组件，另一个分支是相同的。第一分束器适于将第一光纤2A内来自光源的光束分成撞击第三膜片1的第一面1A(例如撞击在第三膜片的适当区域上)的第一光程14，以及撞击第一固定透镜10的第二光程15。类似地，第二分束器13同样适于将第二光纤2B内来自光源9的光束分成两个分开的光程，其中第一光程16撞击第三膜片1的第二面1B(例如撞击在第三膜片的适当区域上)，以及撞击第二固定透镜11的第二光程17。此外，将两个分束器12、13配置成向着分析和调节单元指引来自第三膜片1的两个面1A和1B以及来自两个固定透镜10、11的反射信号18、19。

这样，由于两个固定透镜，限定了固定基准距离；由两个固定透镜10、11反射的相应的信号允许相对于变换器内的已知光程产生基堆信号。

在实践中，当将外部压力P1应用于分离膜片5A时，压力通过液压电路传到膜片1，从而造成膜片的弹性位移，因此减少了距离G2，并且增加了距离G1。反之亦然，当在分离膜片5B上施加压力P2时，距离G1减少，而距离G2增加。如果施加到变换器两侧之一的压力非常高，两个半体7A和7B的几何形状使得测量膜片完全依靠在两个表面8A或8B之一上(与施加过压相反的一侧上的一个表面)。由于作用-反作用原理，膜片1未变形和应变，因此当去除过压时，其连续充分地作用。光源9为两个光纤2A、2B提供能量，该光纤将来自光源9的光信号传送到测量膜片1，并且将由测量膜片1反射的信号传送到分析和调节单元3。通过分析接收的信号，单元3允许测量测量膜片和光纤端部之间的距离G1、G2；已知膜片1的初始位置，可以识别施加在变换器上的差动压力。在接收的反射信号的基础上，因此单元3可以产生直接或间接地指示物理变量的信号。例如，所述信号可以是施加在变送器上的差动压力的直接指示，或者通过所述差动压力信号，可以获得所关心的用于进一步处理的其它变量。特别地，如示意性地在附图3中表示的，针对每个光纤的分析和调节单元3包括：第一电路块30，用于获取接收的反射信号即由膜片1的面1A或1B反射的测量信号，以及由相应的固定透镜10或11反射的基准信号。第二电路块31执行接收的信号之间的频率和相移的测量，第三电路块32组合接收的信号。最后，第四电路块33产生指示面1A或1B的位移的信号34。然后将第二信号34传送到进一步的电路块35，用于两个分支的一个电路块，其最后产生指示检测的差动压力的信号36。如上所述，可以使所述块35从差动压力信号获得其它过程流体变量的值；可替换地，为了计算所需的变量，块35可以将所述压力信号传送到进一步的处理电路。

实践中，因为根据本发明的变送器由于其构造使共同测量误差显著减少，所以完全实现了确定的目标。特别地，使用在前描述的光学检测系统保证了高精度和分辨率，暴露环境的内在安全度，以及对射频干扰和电磁干扰的抗扰性。由于采用固定透镜10、11和相对光程15、17，采用平行于主测量程的基准光程使得至少部分补偿了由于光源控制参数的变化、光信号的波长随温度的变化、硅油的折射率随温度的变化，以及机械结构的微米和纳米运动(以及因此的测量光程的运动)造成的可能误差，该运动由所用材料的不同热膨胀系数造成的温度变化导致。进一步的优点由下面的事实提供：由于传感器与被测流体适当地间隔，因而传感器不受被测流体温度的影响，并且因此可以在比光纤或者其它传感器本身中的元件可接受的更高的温度测量过程流体的压力值。而且，传感器体的两个半体7A和7B的几何形状提供了相对于过压的内在保护。由于分离的膜片和相对液压回路，可以将变换器定位在高腐蚀性环境中或者与磨蚀过程流体接触。

因而设想的变送器可以进行多种修改和变形，只要所有修改和变形与其预期的功能一致，它们都落入本发明构思的范围内；例如，可以将分析和调节单元分成几个单独的部件，其以本地或远程模式彼此通信以及与变送器通信；可以为每个所用的光纤使用分离的光源；对两个检测分支中的每一个来说，几个光纤可以与主测量光程以及与在其内部运转的相对固定透镜相对应的基准光程一起使用。这样，可以在几个点检测膜片1的位移；通过这种解决方案，可以为每个光纤使用一个单个光源，用于每个光纤特定专用光源或者混合的解决方案。光学测量原理例如可以基于下面的方法之一：优选使用频率调制技术(FWCM)的干涉测量法，使用非相干光源如LED的低相干干涉测量法，光学反作用等等。

而且，所有的细节可以通过其它技术上等效的元件替换；实践中，在上面描述的预定应用中，可以根据本领域的需要和状态使用任何尺寸以及任何类型的材料。

Claims (11)

1.用于检测过程流体的相关物理变量的压力变送器，包括：

适于与所述过程流体接触的第一和第二压力敏感膜片(5A，5B)；

具有支撑体的压力传感器，所述支撑体提供有空腔(8)，在所述空腔内，定位第三压力敏感膜片(1)，所述第三膜片具有分别可操作地连接到所述第一和第二膜片的第一面和第二面(1A，1B)，以便将在所述第一和第二膜片上由所述过程流体施加的压力传送到所述第三膜片，从而造成其相对于基准位置的位移；

可操作地联接到至少一个光源(9)的分析和调节单元(3)；

其特征在于该压力变送器包括：

第一光纤(2A)，所述第一光纤具有可操作地连接到所述光源的第一端，以及以离所述第一面预设距离定位的第二端；

第二光纤(2B)，所述第二光纤具有可操作地连接到所述光源的第三端，以及以离所述第二面预设距离定位的第四端；

第一固定透镜(10)，所述第一固定透镜可操作地与所述第一光纤的第二端组合；

第二固定透镜(11)，所述第二固定透镜可操作地与所述第二光纤的第四端组合；

所述第一和第二光纤将由所述光源发射的光信号传送到所述第三膜片，并且将由所述第三膜片反射的信号(18)传送到所述分析和调节单元，由所述第三膜片反射的信号采用主测量光程；

所述第一和第二光纤将由所述光源发射的光信号传送到所述第一和第二固定透镜，并且将由所述第一和第二固定透镜反射的信号(19)传送到所述分析和调节单元，由所述第一和第二固定透镜反射的信号采用与所述主测量光程平行的已知基准光程；

根据接收的反射信号(18，19)，所述分析和调节单元产生直接或间接指示所述物理变量的信号。

2.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于所述第一固定透镜和所述第二固定透镜分别由所述第二和第四端的反射表面构成。

3.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于所述第一固定透镜和所述第二固定透镜分别由两个相应的以离所述第二和第四端预设距离定位的反射表面构成。

4.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于其包括第一分束器(12)，所述第一分束器适于在所述第一光纤内将来自所述光源的光束分成撞击第三膜片的所述第一面的第一光程(14)，以及撞击所述第一固定透镜的第二光程(15)。

5.如权利要求4所述的压力变送器，其特征在于配置所述第一分束器向着所述分析和调节单元指引来自第三膜片的所述第一面以及来自所述第一固定透镜的反射信号。

6.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于其包括第二分束器(13)，所述第二分束器适于在所述第二光纤内将来自所述光源的光束分成撞击第三膜片的所述第二面的第三光程(16)，以及撞击所述第二固定透镜的第二光程(17)。

7.如权利要求6所述的压力变送器，其特征在于配置所述第二分束器向着所述分析和调节单元指引来自第三膜片的所述第二面以及来自所述第二固定透镜的反射信号。

8.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于对每个光纤，所述分析和调节单元包括获取接收的反射信号的第一块(30)，测量接收的信号之间的频率和相移的第二块(31)，组合接收的信号的第三块(32)，以及产生指示所述第三膜片的位移的信号的第四块(33)。

9.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于将所述分析和调节单元远离所述压力变送器的壳体并且定位在所述压力变送器的壳体的外部。

10.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于将所述分析和调节单元定位在所述压力变送器的壳体的内部。

11.如权利要求1所述的压力变送器，其特征在于支撑体的所述空腔具有两个成形表面(8A，8B)，所述成形表面在几何学上分别与所述第三膜片的所述第一面或第二面连接。

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