CN102239397A - 用于使用磁性的压力测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器(56)，包括传感器主体(93)，其被布置以连接到过程压力。传感器主体(93)具有磁性，其作为由过程流体施加的压力的函数而变化。传感器(98)连接到传感器主体(93)，并被配置以测量传感器主体(93)中的流体的作为传感器主体(93)的磁性变化的函数的压力。

Description

用于使用磁性的压力测量的方法和装置

技术领域

本发明涉及工业过程中的压力测量。更具体地说，本发明涉及一种具有传感器主体的压力传感器。

背景技术

工业过程使用在很多类型的材料的制造和运输中。在这种系统中，往往需要测量过程内的不同类型的压力。经常测量的一类压力是差压，其是在过程中的一个点与过程中的另一个点之间的压力差。例如，包含过程流体流的管道中的孔板上的压差与流体的流量相关。压差也可以例如用来测量槽或其它容器中的过程流体的高度。

在这样的工业过程中，压力传感器通常包含在压力变送器中或连接到压力变送器，压力变送器位于远程位置并且将压力信息向回传递到诸如控制室的中央位置。传递经常在过程控制回路上进行。例如，经常使用两线式过程控制回路，其中两条线用来载送信息以及电源到变送器。无线通信技术也被使用。

在很多过程装置中，还希望测量过程的绝对压力或表压，以下简称“管线压力”。这些信息可以用来，例如，通过在流量计算中包括过程流体的密度变化来提供更精确的流量测量。通常情况下，额外的压力测量需要连接到过程流体的额外的压力传感器。例如，额外的压力变送器可被配置，其包括管线压力传感器，并且被连接到两线式过程控制回路。

发明内容

压力传感器包括传感器主体，传感器主体被布置以连接到过程压力。传感器主体的磁性基于施加的压力变化。

附图说明

图1显示具有根据本发明构造的过程变送器的过程测量系统。

图2是图1的变送器的示意图。

图3显示图1的过程变送器的一部分的横截面视图。

图4是显示在一个示例配置中管线压力测量的简化图。

图5是在图4中的配置的一部分的放大图。

图6是显示磁致伸缩与镍百分比之间的关系的曲线图。

图7是说明如图4所示配置的简化原理图。

图8是说明如图4所示配置的简化原理图。

图9是频率与压力的关系的曲线图。

图10是磁电感变化与应力的关系的曲线图。

图11是电感随应力的变化与施加的偏磁场之间的关系的曲线图。

图12A和12B是根据本发明的管线压力传感器的简化视图。

图13是根据图12A和12B的示意图。

图14A及14B是显示另一个示例实施方式的简化图形。

图15是根据图第14A和14B的示意图。

图16是说明基于为双线圈结构施加的管线压力的电压变化的曲线图。

图17是说明基于为单线圈结构施加的管线压力的电压变化的曲线图。

图18是用于测量压差的压力测量系统的侧面横截面视图。

图19是用于测量压差的压力测量系统的侧面横截面视图。

具体实施方式

在一个实施方式中，本发明提供用于在压差的测量配置中确定管线压力的装置和方法。更具体地说，一方面，本发明监控用于将压差传感器连接到过程流体的毛细管的变形。这些变形与过程流体的管线压力相关。在其它的实施例中，本发明提供用于基于容器的变形测量压力的技术。在另一个实施例中，本发明提供一种用于测量管线压力的传感器。

图1大体显示过程测量系统32的环境。图1显示包含受压流体的过程管道30，过程管道30连接到过程测量系统32，用于测量过程压力。过程测量系统32包括连接到管道30的冲击管道(impulse piping)34。冲击管道34连接到过程压力变送器36。主元件33，诸如孔板、文丘里管、流量喷嘴等等，在过程管道30中的位于脉冲管道34的管道之间的位置处接触过程流体。当流体经过主元件33时，主元件33引起在流体中压力的变化。

变送器36是过程测量设备，其通过冲击管道34接收过程压力。变送器36感测过程压差并且将过程压差转换为是过程压力函数的标准化的传输信号。

过程回路38提供双向通信和从控制室40到变送器36的电源信号两者，并且可以根据多种过程通信协议构造。在图示的示例中，过程回路38是两线式回路。两线式回路用来在用4-20mA信号的正常操作期间传送到和来自变送器36的全部功率和全部通信。计算机42或其他的信息处理系统，通过调制解调器44或其他网络接口，用于与变送器36通信。远程电压电源46给变送器36供电。在另一个示例配置中，回路38是一种无线连接，其中可以不需要在变送器36和控制室40之间延伸的电线传送或接收数据。在另一个示例配置中，使用无线通信协议无线传输和/或接收数据。

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连接在一起的传感器模块52和电子元件板72。传感器模块电子元件60连接到接收施加的压差54的压力传感器56。数据连接56将传感器58连接至至模数转换器62。任选的温度传感器63与传感器模块存储器64一起示出。电子元件板72包括微计算机系统74、电子元件存储器模块76、数模拟信号转换器78和数字通信块80。

在图2中还显示毛细管或“填充”管93和94，其用于将压差传感器56连接到过程流体54。隔离膜片90接收来自过程流体54的压力，该压力可靠地施加到毛细管93和94中载送的填充流体。通过该填充流体，工业过程的压力施加到压差传感器56。

根据本发明，变形传感器98连接到毛细管93，并且被布置以监控毛细管93的变形。这些变形与工业过程的管线压力相关，并且传感器98提供输出信号到模数转换器62或到管线压力测量电路99。一方面，可以使用响应于毛细管的变形的任何类型的传感器。电路99可以是孤立电路，在某些配置中，可以嵌入用于测量压差的其他电路中。例如，用来监控各种传感器的一些或者全部部件可以是共用部件。

图3是本发明的的一种实施方式的简化剖视图，图示了变形传感器98。如上所述，压力传感器56通过隔离膜片90连接到过程流体，隔离膜片90将过程流体与腔室92隔离。腔室92通过冲击管道93和94连接到压力传感器模块56。基本不可压缩的填充流体填充腔室92以及冲击管道93和94。当来自过程流体的压力施加至膜片90时，该压力被转移到压力传感器56的腔室132和134中的部件。

压力传感器56由两个压力传感器半部114和116形成，并且填充有优选脆性、基本不可压缩的材料105。膜片106悬挂在形成在传感器56内的腔室132、134内。腔室132、134的外壁支承电极146、144、148和150。这些通常可以称为主电极144和148，以及辅助电极146和150。这些电极相对于活动隔膜106形成多个电容器。所述电容器又可以称为主电容器和辅助电容器。

如图3所示，传感器56中的多个电极通过电连接103、104、108和110连接至模数转换器62。此外，可偏转隔膜106通过连接109连接到传感器模块电子元件60。在2001年10月2日公布的Rosemount公司的发明名称为“PROCESS PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERRORCOMPENSATION(具有改进的误差补赔的过程压力测量设备)”的美国专利6,295,875中描述了用于测量压差的技术。

变形传感器98可能采取多种配置。用于测量变形的多个示例说明如下。然而，在一个广阔方面，本发明不仅限于这些特定的技术，并且用于测量变形的任何技术可被使用，包括那些没有在此具体讨论的。

来自过程流体的管线压力导致毛细管93改变形状。例如，增加的管线压力可能导致93毛细管扩张。同样地，增加的管线压力可能导致毛细管93中任何弯曲变得更直。毛细管这些或其他变形，可被监控或以其它方式测量，并且与过程流体的管线压力相关。

图4是本发明的一个实施例的简化横截面视图150。在图4的结构中，毛细管或填充管的磁致伸缩性能用来测量所述毛细管或填充管的变形，所述毛细管或填充管是传感器主体的一个示例。例如，如果填充管是从镍铁合金制成，则填充管将展示磁致伸缩性能，并且在存在磁场的情况下将经历尺寸变化。这还提供了相互响应(reciprocal response)，从而如果金属经历应变，则与施加的应变成正比地产生磁电感变化。磁致伸缩性能可用于产生共振器(即振荡器)，其将导致镍铁合金以被控制的方式振动。所述振动是填充管尺寸及其性能的函数。因此，频率将基于对填充管的环境改变而变化。通过监控共振器的频率，金属的物理状态可以被确定。除了测量压力，磁致伸缩性能还与温度相关，并且可以用于提供温度测量。

在图4的配置中，压差传感器148分别地通过毛细管156和158到至隔离膜片152和154的过程流体。毛细管156、158的直线部分160和162分别地被设置并且可被用作填充管，以用填充流体填充毛细管。这些部分可以是单独的管或与管156、158一体形成。虽然这些显示为单独的管，但它们可以与管156、158形成为单个管。部分162包括变形传感器170，变形传感器170被配置以测量填充管的变形。

图5是如图4所示变形传感器170的更详细视图。如图5所示，驱动线圈190连接到部分162并接收例如来自图2所示的电路99的控制信号输入。驱动器190被以所需的频率驱动并且在磁致伸缩材料162产生磁通量。这导致振动运动198发生在部分162处。通常情况下，永久磁铁(未显示)设置在填充管和线圈附近，以偏置填充管进入有利的磁操作模式。感应线圈192靠近部分162设置，并构造为感应填充管的磁感应变化。这个感应线圈192提供输出。例如，这个输出可以被提供到如图2所示的电路99。节点止动件194也连接到部分162，并且提供刚性支座，其被构造为在振荡开始时反射由振动198引起在管部分162内发生的纵波。

根据用于特定应用的设计限制可以使用任何适当的超磁致伸缩材料。图6是在不同部分磁场饱和水平下长度变化部分与铁中镍百分比的关系曲线图，并且图示磁致伸缩如何基于铁中镍的百分比变化。Ni-span具有约42％的镍比例，并且在存在磁场的情况下产生长度增加。

图7是简化的示意图，详细显示变形传感器170的操作。如图7所示，驱动线圈190被建模为电感L₁和电阻R_L1。电流I₁流入驱动线圈190和电压V₁产生在驱动线圈190上。感应线圈192同样地图示为对应于电流I₂和电压V₂的电感L₂和电阻R_L2。于跨接感应线圈192施加调谐电容器C₂。管道部分162的长度图示为λ。在操作过程中，管道部分162将以由下述表达式给出的基频f₁纵向振动：

$f_1=\frac{1}{4\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{\mathrm{Eg}}{\mathrm{\ρ}}}$ 等式1

其中，g，E，λ，ρ分别为重力加速度常数、管的杨氏模量、管162的长度和密度。通过与传感器线圈192一起布置产生磁场的驱动线圈190，能够构建正反馈振荡器。驱动线圈和传感器线圈在图7中被示意地描述。如果共振管在一端上封闭以使压力可以施加在另一端上(靠近节点止动件194)，管将操作为压力传感器，其中传感器输出是振荡频率f₁，并且作为施加的压力的函数而变化。当压力变化时，振荡频率将由于E，λ，ρ的有效值变化而改变。驱动线圈和感应线圈图示为具有DC电阻R_L1和R_L2的电感器L₁和L₂。与感应线圈192并联调谐电容器C2形成LC振荡电路并且可以被选择以具有接近共振器的基频的共振频率。优选地，LC电路将确保适当的频率在启动时发生。一旦金属开始产生共振，这将主导电路以使共振频率是代表管振荡，而不是自我振荡LC电路。

图8是采用大开环增益运算放大器200的示例共振器电路的简化示意图。线圈190，192被布置以使180度的相移发生在管的共振频率附近，从而保持持续的振荡。在一个示例中，类似于图7所示的设备构造测试设备。频率发生器被连接到驱动线圈190，并且示波器连接到感应线圈192。通过扫描驱动频率，管的共振频率可以被发现。然后管被加压并且新的共振频率被确定。以这种方式，频率随施加的压力的变化的变化被映射。图9是频率与压力之间的关系的曲线图，并且显示采用由合金52构造的压力传感器采取的实际数据。合金52是52％的镍和48％的铁。管被焊接到压力接头并且相对端被封闭焊接。管未硬化并且可以已经通过焊接过程稍微退火。在这个示例中，管壁也比需要承受过压的管壁厚。如果较薄，传感器对压力的灵敏度会增加。尽管存在这些缺点，但频率随着压力的变化是容易看到的。传感器的极限压力分解率是可能源自管组件的Q-因素的函数。为了维持大的Q-因素，管应被适当地硬化。图9中的示例表明了大约0.065Hz/PSI的每PSI的频率变化。具有1000的Q-因素并且共振频率集中在51000Hz处的传感器将有大约0.025Hz(0.4PSI)的潜在分解率。2500的Q-因素将有0.004Hz的频率分解率潜力。后一种Q-因素将允许0.06PSI级得管线压力分解率。

如在此所述的那样，本发明不仅限于用于测量变形的这些具体技术。本发明的另一个实施方式利用例如镍铁合金的压力相关磁导率。当材料被放置受压时，镍铁合金表现出它们的磁导率变化。这种行为称为Villari效应。如果合金用固定磁场(高)进行磁性偏置，由此产生的磁感应强度(B)根据下式定义：

B＝μ_oμ_RH    等式2

其中，μ_o是自由空间的磁导率，μ_R是合金的相对磁导率。根据等式2，伴随μ_R的任何变化将导致磁感应强度B变化。图10是磁感应变化相与为固定的磁场H施加的应力的关系曲线图。注意，B场对施加的应力的变化的灵敏性是施加的磁场H的函数。而且，材料的磁滞性能依赖于磁场强度，最低的磁滞发生在较高的场强处。图11是显示电感随应力的变化(σ是施加的压力)与施加的偏置场H的关系曲线图。如图11所示，具有偏磁点，磁滞在该偏磁点处最小并且对施加的应变的灵敏性最大。

上述磁性质可以用来感测施加的压力。例如，  可以使用具有与μ_R成比例的电感的线圈来测量B场的变化。图12A和12B显示被布置为使用这种现象检测压力的传感器170的一个示例配置。图12A和12B中的类似于图4和图5所示的元件保留其编号。在这种配置中，管162可以包括，例如，Ni-span、合金52或镍。拾波线圈200和驱动线圈202围绕管162，并且通过夹具204保持在合适的位置。偏置磁体206也使用夹具204安装。线圈止动件210相对于管162将线圈保持在合适的位置。在操作过程中，偏置磁体206提供固定偏置场H，在偏置场H附近使用驱动器线圈202调制磁场。由此产生的B场使用拾波线圈200测量，并且与所施加的压力相关联。

图13是来自图12b的配置用于电气测量的传感器170的示意图。在操作过程中，交流信号发生器220向驱动线圈202施加交变信号。由此产生的B场使用感应线圈200感测。所述信号的幅度使用仪表222测量，并且与管162的磁导率相关，并且因此随着施加的压力P变化。如上所述，交流信号发生器220的控制和由此在感应线圈中产生的信号的感测可以由如图3所示的电路执行。

图14A和14B是显示传感器170的另一种配置的简化图。在图14A和14B中，为了保持一致性，在其他图中使用的元件的编号被保持。在图14A和14B的配置中，传感器170布置为单线圈230。图15是简化的示意图，显示用于使用单个驱动线圈230感应B场的电路。在图15的配置中，交流信号发生器220通过电容器C连接到线圈230。由于施加的磁场引起的B场变化可以通过使用跨接线圈230的电压传感器222测量电压值而感测。

图16是电压传感器222的输出的相对电压变化(作为取值范围的一部分)与源自如图12A、12B和13所示的双线圈传感器的管线压力的关系曲线图。图17是类似的用于如在图14A，14B和15中所示的单个线圈配置的曲线图。正如图16和17所示，感应电压与管线压力相关。测量电路可以设计为以基于管的电感值的频率振荡，并且因此，当电感随着压力变化时提供测量压力的装置。这种方法与之前描述的方法形成对照，在之前描述的方法中，管被制造为通过磁致伸缩驱动机构以其纵向共振频率机械地振荡。

在其它设计配置中，第二变形传感器可以被应用到第二填充管。使用这样的配置，可以提供冗余校验，在该冗余校验中比较来自两个变形传感器的输出。类似地，通过与一个变形传感器相关的压力减去与另一个变形传感器相关的压力可以获得压差。虽然这里讨论的变形传感器图示为与毛细管的填充管部分相关，但传感器可沿着毛细管的任何适当区域设置，并且不限于这种配置。在另一种示例配置中，驱动线圈与一个毛细管相关联，而传感器线圈与其它毛细管相关联。在这样的配置中，管线压力和压差可以通过监控占空比以及振荡频率而获得。可使用展示磁致伸缩效应的任何适当的材料，包括，例如，Ni-span、合金52、镍铁合金等。优选地，振荡器被配置为正反馈振荡器。

图18是被布置为测量压差和管线压力两者的压力测量系统500的侧面横截面图。使用图18的配置，压差传感器502通过填充管508和510连接到过程流体。额外的压力传感器504和506被布置以各自的管线压力LP1和LP2。这些额外的传感器也可以被用来基于两个传感器输出之间的差异确定压差。通过传感器504和506测量的压差可以用来校验压差传感器502的操作。在另一个示例中，当压力值位于压力传感器502的范围之外时，传感器504和506被用于测量压差。如上面讨论的任何类型的绝对压力传感器可以用来实施传感器504和506。

图19是根据另一个示例实施方式的压力测量系统500的横截面视图。在图19中，元件520和522可以包括如上讨论的单独的管线压力传感器。在另一个示例实施方式中，压力管道508和510包括呈现磁致伸缩性能的金属，并且元件520可以包括驱动线圈，而元件522可以包括传感器线圈。在这样的配置中，使用以上讨论的技术可以使整个压差传感器502振动，并且由感应线圈522感应的共振频率将是压差的函数。这可以用来提供冗余压差测量。

虽然已参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上可做出变化。如在此所使用，管线压力涉及绝对压力和表压力两者。

Claims (29)

1.一种压力传感器，包括：

传感器主体，具有作为过程流体施加的压力的函数变化的磁性；

压力连接器，适于将传感器主体连接到过程流体；和

电路，被配置以测量传感器主体的磁性，并且提供表示作为所述磁性的函数的压力的输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被配置以作为所述磁性的函数共振。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路包括被以所需的频率驱动并且被布置以在传感器主体中产生磁通量的驱动线圈，所述电路进一步包括感应线圈。

4.根据权利要求1所述的装置，其中传感器主体被配置以由于磁致伸缩效应并且以与施加的过程压力相关的频率机械地共振。

5.根据权利要求4所述的装置，包括节点止动件，该节点止动件被布置以反射传感器主体中的振动。

6.根据权利要求1所述的装置，包括与传感器主体相邻的偏置磁铁，该偏置磁铁被配置以施加偏置磁场。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路进一步被配置以测量传感器主体的作为所述磁性的函数的温度。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁性包括磁导率。

9.根据权利要求8所述的装置，其中传感器主体的磁导率的变化是由施加的过程压力引起的放置在传感器主体上的应变的函数。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被配置以感测源自施加的交流磁场的B场。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述电路还被配置以基于磁导率性能的频率振荡。

12.根据权利要求1所述的装置，包括具有作为施加的压力的函数变化的磁性的第二传感器主体，并且其中所述电路被配置以基于传感器主体和第二传感器主体的磁性的变化测量压差。

13.根据权利要求1所述的装置，其中传感器主体包括填充管。

14.根据权利要求1所述的装置，包括隔离膜片，该隔离膜片被配置以将传感器主体中的流体与过程流体隔离。

15.根据权利要求1所述的装置，包括连接到传感器主体的压差传感器，该压差传感器被配置以测量压差。

16.一种测量过程流体的压力的方法，包括下述步骤：

接收传感器主体中的过程流体的压力，所述传感器主体具有作为施加的压力的函数变化的磁性；

感测传感器主体的磁性变化；和

基于感测的磁性变化提供表示所述压力的输出。

17.根据权利要求16所述的方法，包括为所述磁性的函数的共振电路。

18.根据权利要求17所述的方法，包括提供驱动线圈的步骤，该驱动线圈被以所需的频率驱动，并且被布置以在填充管主体中产生磁通量。

19.根据权利要求16所述的方法，其中传感器主体被配置以由于磁致伸缩效应并且作为施加的过程压力的函数而机械地共振。

20.根据权利要求19所述的方法，包括提供节点止动件的步骤，节点止动件被布置以反射传感器主体中的振动。

21.根据权利要求16所述的方法，包括提供与传感器主体相邻的偏置磁铁，该偏置磁铁被配置以施加偏置磁场。

22.根据权利要求16所述的方法，包括测量传感器主体的作为所述磁性的函数的温度的步骤。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所述磁性包括磁导率。

24.根据权利要求23所述的方法，其中传感器主体的磁导率的变化是由施加的过程压力引起的放置在传感器主体上的应变的函数。

25.根据权利要求16所述的方法，包括感测源自施加的交流磁场的B场的步骤。

26.根据权利要求17所述的方法，其中所述电路还被配置为以基于磁导率的频率振荡。

27.根据权利要求16所述的方法，包括提供具有作为施加的压力的函数而变化的磁性的第二传感器主体的步骤，以及基于传感器主体和第二传感器主体的磁性变化测量压差的步骤。

28.根据权利要求16所述的方法，其中传感器主体包括填充管。

29.根据权利要求16所述的方法，包括提供隔离膜片的步骤，所述隔离膜片被配置以将传感器主体中的流体与过程流体隔离。

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