具有由过程垫片承载的过程变量传感器的过程变量变送器.pdf

用于感测工业过程中过程流体的过程变量的过程变量变送器包括过程垫片，过程垫片具有构造成用于与过程容器表面形成密封的表面。该过程垫片通过过程容器表面中的开口暴露至过程流体。过程变量传感器由过程垫片承载，并且构造成用于感测过程流体的过程变量和提供传感器输出。耦接到过程变量传感器的测量电路提供与过程变量输出相关的过程变量变送器输出。

权利要求书
1.  一种过程变量变送器，用于感测工业过程中的过程流体的过程变量，所述过程变量变送器包括:
过程垫片，该过程垫片具有构造成用于与过程容器表面形成密封的表面，其中该过程垫片通过过程容器表面中的开口暴露至过程流体；
由过程垫片承载的过程变量传感器，构造成用于感测过程流体的过程变量并且提供传感器输出；和
测量电路，该测量电路耦接到过程变量传感器且构造成提供与感测到的过程变量输出相关的过程变量输出。

2.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器包括压力传感器。

3.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器构造成用于感测温度。

4.  根据权利要求2所述的过程变量变送器，包括构造成用于感测温度的第二过程变量传感器。

5.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器与过程流体直接接触。

6.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器与过程流体隔离。

7.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器由脆性材料制成。

8.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器嵌入在过程垫片中。

9.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，包括具有第二过程变量传感器的第二过程垫片，并且其中，测量电路构造成用于测量过程变量传感器和第二过程变量传感器之间的压差。

10.  根据权利要求9所述的过程变量变送器，包括构造成用于在过程流体流中产生压差的孔板，并且其中，过程垫片和第二过程垫片定位在孔板的相对侧。

11.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中过程容器表面包括过程管道的凸缘。

12.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中过程容器表面包括箱的凸缘。

13.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程垫片包括与过程变量传感器间隔开的第二过程变量传感器。

14.  根据权利要求12所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器和第二过程变量传感器构造成用于测量压差。

15.  根据权利要求14所述的过程变量变送器，其中所述压差与箱中的过程流体的液位相关。

16.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述过程垫片是环状的。

17.  根据权利要求16所述的过程变量变送器，其中所述过程变量传感器沿径向布置在过程垫片中。

18.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述测量电路安装到过程容器表面。

19.  根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中所述测量电路用过程垫片一体地承载。

20.  根据权利要求19所述的过程变量变送器，其中所述过程垫片包括承载测量电路的桨式延伸部。

21.  一种用于密封抵靠过程容器表面的过程垫片，包括:
环状圆环，该环状圆环由垫片材料形成，具有构造成用于密封抵靠相应的第一和第二过程容器表面的相对的第一和第二表面；
开口，该开口在环状圆环的中心，构造成用于在其中接收过程流体；
腔，该腔形成在环状圆环中；
过程变量传感器，该过程变量传感器承载在环状圆环的腔中，构造成用于感测过程流体的过程变量；和
电连接件，该电连接件耦接到过程变量传感器，并且从腔延伸通过环状圆环到环状圆环的外侧的位置。

22.  根据权利要求21所述的过程垫片，其中所述过程变量传感器包括压力传感器。

23.  根据权利要求21所述的过程垫片，其中所述过程变量传感器直接地暴露于过程流体。

24.  根据权利要求21所述的过程垫片，其中所述过程变量传感器由细长的脆性材料形成。

25.  根据权利要求21所述的过程垫片，包括形成在环状圆环中的第二腔和承载在第二腔中的、构造成用于感测第二过程变量的第二过程变量传感器。

26.  根据权利要求25所述的过程垫片，其中所述过程变量传感器包括压力传感器，并且第二过程变量传感器包括温度传感器。

说明书具有由过程垫片承载的过程变量传感器的过程变量变送器
本发明涉及工业过程控制和监测系统中的过程变量的测量。更具体地，本发明涉及使用由过程垫片承载的过程变量传感器进行的过程变量的测量。
背景技术
过程变量传感器通过过程变量变送器用于工业过程控制和监测系统以感测过程流体的过程变量。示例性过程变量包括压力、流量、液位、温度、酸碱性(pH)、和混浊度等。
为测量过程变量，过程变量传感器通常被耦接到过程流体。这可以通过管道、凸缘或法兰、歧管或其他的连接件或接头。这些连接件的每一个必须密封，以防止过程流体泄露。进一步，该连接件可以增加工业过程中安装过程变量变送器的复杂性。这些接头要求“穿透”进入工业过程，这增加了安装成本和复杂性，降低可靠性并且增加过程变量变送器装置的大小和重量。
发明内容
用于感测工业过程中过程流体的过程变量的过程变量变送器包括过程垫片，过程垫片具有构造成用于与过程容器表面形成密封的表面。该过程垫片通过过程容器表面中的开口暴露至过程流体。过程变量传感器由过程垫片承载，并且构造成用于感测过程流体的过程变量和提供传感器输出。耦接到过程变量传感器的测量电路提供与过程变量输出相关的过程变量变送器输出。
附图说明
图1是显示用于通过过程变量变送器测量压差的现有技术的布置的一个示例性构造的示意图。
图2是显示定位在连接到过程管道的两个凸缘之间的过程垫片的一个示例性构造的分解图。
图3是图2示出的凸缘和过程垫片的剖视图，并且示出由过程垫片承载的过程变量传感器。
图4是显示用于测量过程流体的流量的流动的两个过程垫片和一个孔板的使用方法的分解透视图。
图5是图4示出的构造的侧面剖视图，并且示出夹在每一个都承载过程变量传感器的两个过程垫片之间的孔板。
图6A是图2中示出的过程垫片的透视图，图6B是图2中示出的过程垫片的俯视图，并且图6C是图2中示出的过程垫片的侧面剖视图。
图6D是示出关于过程垫片的过程变量传感器的另一个构造的侧面剖视图。
图6E是包括过程垫片中形成的袋型区域的过程垫片的另一个示例性实施例的侧视图。
图7是显示耦接到密封在连接到过程管道的两个相对的凸缘之间的过程垫片的过程变量变送器的侧视图。
图8是图7的过程变量变送器的简化框图。
图9A是显示用于测量箱中过程流体的液位的耦接到过程垫片的过程变量变送器的侧面剖视图。
图9B是显示图9A的过程垫片中的两个过程变量传感器的定位的侧面剖视图9A。
图10是包括一体的过程变量变送器电路的过程垫片的透视图。
具体实施方式
如在背景技术部分所提到的，过程变量的测量通常需要进入诸如箱或罐、管道等的过程容器的穿透或其他的开口，以接近过程流体。例如，图1是显示现有技术配置的示图，其中过程变量变送器100用于测量压差。变送器100通过脉冲线路104、106耦接到过程管道102。这些脉冲线路分别地耦接到提供入口到管道102中承载的过程流体 的管道凸缘108、110。这种耦接通过各自的阀112、114。脉冲线路104、106通过附加的阀120和歧管122连接到过程变量变送器100。如图1所示，将过程变量变送器100耦接到过程流体是复杂的，并且要求多个连接件。每个连接件要求必须密封以防止泄漏的接口。
一方面，提供一种过程垫片，与图1示出的构造相比，其减少要求将过程变量传感器耦接到过程流体的连接件数量。在一个示例性构造中，使用过程垫片将过程变量变送器耦接到过程流体，过程垫片具有配置成与过程流体容器的表面形成密封的至少一个表面。这允许该过程垫片通过过程容器表面中的开口暴露给过程流体。过程垫片承载构造成感测过程流体的过程变量的过程变量传感器。感测到的过程变量被提供到用于提供与感测到的过程变量有关的输出的测量电路。测量电路可以与垫片一体地形成，或可以是与例如在过程变量变送器中的垫片间隔分开的分离部件。进一步，下文中更详细地描述多个方面和构造。在一个示例性方面，有利地，本文中详尽地解释的实施例可以使用可以在整个工业过程系统中已经存在的多个过程穿透(penetrations)以接近过程流体。
图2是显示定位成抵靠过程管道202的凸缘或法兰204和206被密封的过程垫片200的分解透视图，图3是显示装配在两个凸缘204和206之间的过程垫片200的部分的侧面剖视图。如下文中更详细地描述，垫片200包括用于感测工业过程的过程变量的过程变量传感器220(图3)。凸缘204包括过程容器面208(图3)，过程容器表面208具有形成在其中的开口209(图3)，过程容器表面208抵接垫片200的表面以与过程垫片200形成密封。类似地，凸缘206包括过程容器表面210，过程容器表面210具有形成在其中的开口212，过程容器表面210抵接垫片200的相对的表面以形成密封。存在具有开口的过程容器表面的多个例子，通过该开口能够获得接近过程流体。
过程垫片200的部分延伸进入开口209和212之间的空间，使得垫片200的该部分与开口209和212中的过程流体接触。过程垫片200中承载的过程变量传感器220耦接到延伸到过程垫片200的外部圆周之外的电连接件222。在图3示出的构造中，垫片200材料围绕 过程变量传感器220并且将过程变量传感器220与任何过程流体隔离开。例如，如果过程变量传感器220是压力传感器，则由于垫片材料的偏斜或挠曲或变形，过程流体的压力可以传送至传感器220。可以使用其他的隔离技术，例如，隔离膜片。然而，在另一个示例性构造中，过程变量传感器220直接地暴露至开口209和212中的过程流体。在其他的实施例中，例如过程变量传感器220感测其他的过程变量，例如温度，和/或测量多个过程变量，例如压力和温度。
图4是分别地使用在过程垫片200A和200B中承载的过程变量传感器220A和220B(图5中示出)测量压差的构造的分解透视图。图4中，孔板230设置在过程垫片200A和200B之间，并且具有穿过孔板230形成的限制开口232。当过程流体流234流过限制开口232时，生成与过程流体的流量成比例的压差。图5示出夹在过程垫片200A和200B之间的孔板230的局部侧面剖视图。过程变量传感器220A和220B可以用于感测限制性开口232的任一侧的压力，并且用于确定流量。孔板230上的相对的表面提供过程容器表面的另一个示例性示图。
图6A、6B、和6C示出过程垫片200的透视图、俯视图和侧面剖视图。如图6A-C所示出，过程垫片200包括相对的表面240和242，并且具有形成在过程垫片200中的开口244。如图所示表面240和242分别地具有可选的环形脊246、248。例如，环形脊246、248可以用于密封抵靠凸缘204、206表面的凹陷或其他的特征。如图6C所示，在该示例性构造中，两个过程变量传感器220A和220B被承载在单个过程垫片200中。在图6C的示例性构造中，过程变量传感器220A直接地暴露至过程流体，同时过程变量传感器220B通过垫片材料与过程流体隔离。过程变量传感器220A和220B承载在各自的径向地形成进入垫片200的腔250A和250B中。在该例子中，一个传感器能够测量压力，同时另一个传感器测量温度。腔250A和250B可以包括可选的护套，例如，细长管252A和252B，它们可以分别地承载电连接件222A和222B。
图6D是过程垫片200的另一个示例性实施例的正面剖视图。在 图6D中，过程变量传感器220通常布置成垂直于过程垫片200的半径。注意，可以采用任意定向和构造的过程变量传感器220，并且本发明不限于本文中介绍的细长的构造。
图6E是过程垫片200的另一个示例性实施例的侧视图，其包括延伸进入过程垫片200的开口244中的袋型区域。这种构造可以用于将过程变量传感器220定位在过程流体流中，同时垫片200的内部圆周的剩余部分基本地与过程管道202的内部半径对齐。袋型区域251可以由与过程垫片200的其余部分相同的材料制成，或可以由不同的材料或合成材料形成。
图7是显示使用螺栓258密封在过程管道202的凸缘204和206之间的过程垫片200的侧视图。在该实施例中，过程变量变送器260通过细长管252A和252B中承载的电线分别地耦接到过程变量传感器220A和220B。通过使用由螺栓258中的一个固定的支架262，可以将过程变量变送器260直接地固定到过程管道202。
图8是过程变量变送器260的简化框图，其包括耦接到测量电路282的微处理器280。测量电路通过电连接件222A和222B连接到图6C示出的过程变量传感器220A和220B。微处理器280根据存储在存储器284中的指令并以由时钟286确定的时钟速率操作。通信电路288为微处理器280提供通信能力，并且连接到天线290。图中示出可选的内部电源292，其用于给过程变量变送器260的电路供电。
在操作过程中，测量电路282用于测量由过程变量传感器220A、220B感测的过程变量。例如，模拟到数字的转化电路可以用于将与感测到的过程变量相关的模拟值转化成数字值，并且将该数字值提供给微处理器280。通信电路288用于将与感测到的过程变量相关的信息通信到例如集中化过程控制室(未示出)的另一个位置。该通信可以是通过天线290的无线通信。一个示例性无线通信技术是根据IEC62591标准的无线通信协议。然而，通信电路288还可以通过有线连接通信。一个示例性有线连接是双线过程控制回路，其还可以用于给过程变量变送器260的电路供电。可以通过控制在这种回路中流过的电流强度(例如4mA和20mA之间)通信传输过程变量。其他的 示例性过程控制回路包括例如根据通信协议传输数字信息的那些回路。其他的示例性通信协议包括Foundation Fieldbus(基础现场总线)和PROFIBUS(过程现场总线)。
过程变量传感器220A、220B可以根据任何适当的技术，用于测量期望的过程变量。示例性过程变量包括压力、流量、温度、液位、酸碱性(pH)、混浊度等。在一个具体的示例性实施例中，过程变量传感器220A、B构造成用于感测过程流体的压力。一种具体的压力感测技术使用由基本地脆性材料制成的细长的传感器。在1997年6月10日公开的、名称为“CAPACITIVE PRESSURE SENSOR FOR A PRESSURE TRANSMITTER WHERE ELECTRIC FIELD EMANATES SUBSTANTIALLY FROM BACK SIDES OF PLATES(用于电场基本上从板的背面传出的压力变送器的电容压力传感器)”的第5,637,802号的美国专利；2000年6月27日公开的名称为“SINTERED PRESSURE SENSOR FOR A PRESSURE TRANSMITTER(压力变送器用烧结的压力传感器)”的第6,079,276号美国专利；2000年7月4日公开的名称为“PRESSURE SENSOR CAVITY ETCHED WITH HOT POCL3 GAS(用高温POCL3气体刻蚀的压力传感器腔)”的第6,082,199号美国专利；2000年7月18日公开的名称为“ELONGATED PRESSURE SENSOR FOR A PRESSURE TRANSMITER(压力变送器用的细长的压力传感器)”的第6,089,097号美国专利；2003年1月14日公开的名称为“CAPCITIVE PRESSURE SENSING WITH MOVING DIELECTRIC(通过移动电介质进行的电容压力感测)”的第6,505,516号美国专利；2003年2月18日公开的名称为“METHOD AND APPARATUS FOR A DIRECT BONDED ISLATED PRESSURE SENSOR(直接结合的隔离的压力传感器的方法和设备)”的第6,520,020号美国专利；2003年1月21日公开的名称为“PRESSURE SENSOR CAPSULE WITH IMPROVED ISOLATION(改进隔离的压力传感器)”的第6,508,129号美国专利；2002年11月26日公开的名称为“PRESSURE SENSOR FOR A PRESSURE TRANSMITTTER(压力变送器用压力传感器)”的第6,484,585号美国专利；2003年2月11日公开的名称 为“GRAIN GROWTH OF ELECTRICAL INTERCONNECTION FOR MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS(MEMS)(微机电系统(MEMS)用电互连的晶粒生长)”的第6,516,671号美国专利；2003年5月13日公开的名称为“SENSOR WITH FLUID ISOLATION BARRIER(具有流体隔离屏障的传感器)”的第6,561,038号美国专利；和2005年2月1日公开的名称为“PRESSURE SENSOR ASSEMBLY(压力传感器组件)”的第6,848,316号美国专利中示出和描述该类型的压力传感器的例子，以上专利通过参考全部合并在本文中。
过程垫片200可以依照用于工业过程控制和监测系统的任何垫片构造或技术类型。过程垫片200通常地构造成用于充满和填充匹配的的两个过程表面之间的任何不均匀，因而密封两个表面。进一步，材料应该优选地能够抵抗由于施加在两个表面之间的负荷力和由于过程操作引起的力带来的挤压。可以用于形成垫片的示例性材料包括弹性材料、纤维材料、柔性石墨、云母、聚四氟乙烯(PTFE)、金属材料和其他。进一步，多种材料可以被用在单个的垫片中。过程垫片可以由单个薄板材料形成，或可以的多个不同的材料和构造的合成物。示例性垫片构造包括凸轮轮廓、金属小孔、金属封装件、金属加固的软垫片、波纹金属和缠绕式垫片。在制造过程中过程变量传感器220可以模塑进入过程垫片材料。在另一个例子中，在制造过程中过程变量传感器被放置在各层垫片之间。在另一个例子中，过程垫片被加工以提供用于容纳过程变量传感器的腔。例如，孔可以被径向地钻过垫片，以保持过程变量传感器220和相关的电连接件。
图9A是显示使用本文中描述的过程垫片200实现的用于测量箱302中承载的过程流体300的液位的系统的简化示意图。在图9A中，延伸部304穿透进入箱302的侧面并且承载凸缘306。过程垫片200抵靠凸缘306定位并且通过凸缘308密封到凸缘306。过程变量变送器260安装到支架310上的凸缘308。如图9B所示出，图9A的过程垫片200包括分别定位在过程垫片200的底部和顶部的过程变量传感器220B、220A。这些传感器分别地通过在细长管252A、252B中承载 的电连接件222连接到过程变量变送器260。在图9A和9B的构造中，可以基于由过程变量传感器220A、B测量的压力差确定过程流体300的液位。该压力差可以发送到例如过程控制室的另一个位置。如图9A所示出，在该例子中，过程变量变送器260使用双线过程控制回路310，用于通信和接收电力。在图9A的构造中，单个的过程垫片承载分开180°定位的两个过程变量传感器220A、B。在另一个示例性构造中，两个过程垫片200可以被使用并且以与它们各自的过程变量传感器220分开180°定位的方式布置以测量压力差。
图10示出过程垫片200的另一个示例性实施例。相对于图7示出的构造，在图10的实施例中，由形成为与过程垫片200的一体部件的桨式延伸部320承载变送器电子器件(见图8)。该电子器件可以提供图8所示出的相同的功能，包括过程变量测量和通信。可选的电连接器322和324可以设置在桨式延伸部320上，用于耦接到内部的电路。例如，这些电连接器可以用于耦接到双线过程控制回路或包括例如I2C总线的其他的通信联接。作为另一例子，连接器322、324可以用于向内部电路提供电力。在另一个例子中，桨式延伸部320中的电路可以无线通信。可选的内部电池可以用于给电路供电。
虽然本发明已经参照优选的实施例进行描述，但是本领域的技术人员将认识到，在没有脱离本发明的实质和范围的条件下可以做出改变。如本文中使用的，术语“垫片”指用于在两个表面之间提供机械密封的任何构件。在一个构造中，垫片在平面中延伸。然而，垫片可以以非平面的构造形式形成。在一个构造中，垫片包括通过其中的开口，并且在具体的构造中，开口是圆形的。然而，垫片不限于圆形的构造或包括通过其中的开口的构造。垫片可以针对具体的应用由任何适当的材料制成。本文中描述的过程垫片构造成用于密封抵靠承载或以其他方式耦接到过程流体的过程容器的表面。如本文中所使用的，术语“表面”不限于平面。进一步，术语“容器”包括工业过程中的承载或连接到过程流体的任何构件。虽然本文中详尽地解释的过程垫片示出为具有环状的构造，但是本发明不受这种设计限制。